ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК G21D3/10 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано при решении проблемы ядерного сжигания оружейного плутония и урана-235 с получением полезной энергии.

Известен проект энергетической ядерной установки, содержащей авгиев реактор АВFR на быстрых нейтронах, хранилище для охлаждения отработанного ядерного топлива, радиохимический завод и долговременное хранилище [1] Недостатком известного проекта установки является то, что он основан на высокопоточном ядеpном реакторе на быстрых нейтронах, который ядерно опасен.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является проект энергетической электроядерной установки (ЭЭЯУ), ядерно ожигающей трансурановые элементы (ТУЭ) и содержащей высокочастотный (ВЧ) ускоритель пучка протонов, канал транспортировки пучка, нейтронопроизводящую мишень из тяжелых металлов, расположенную в центре подкритического бланкета и энергоблок, преобразующий тепловую энергию в электрическую.

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность q производства полезной энергии, которая определяется как
q= 1-W_п/(W_э˙G), где Wп мощность пучка протонов; W_э электрическая мощность, вырабатываемая ЭЭЯУ; G КПД ускорителя. В проекте известной ЭЭЯУ принято G= 0,4. При этом получается, что q=0,4. Следует отметить, что в настоящее время не существует мощных ускорителей со столь высоким значением G. Например, реально существующий мощный ускоритель мезонной фабрики ИЯФ РАН имеет G=0,02. При таком значении G величина q<0, т.е. ЭЭЯУ потребляет больше электроэнергии, чем производит.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности производства электроэнергии путем понижения тока ускорителя при заданных мощности и ядерной безопасности ускорителя.

Сущность изобретения состоит в том, что в ЭЭЯУ, содержащую последовательно соединенные линейный ускоритель протонов, канал транспортировки пучка и мишень, расположенную в центре подкритического бланкета цилиндрической формы, соединенного с энергоблоком, введены m нейтронных вентилей, разделяющих объем бланкета на (m+1) размножающих нейтроны подкритических секций, концентрически расположенных относительно мишени; (m+1) внутризонных детекторов нейтронов, расположенных соответственно в объемах размножающих подкритических секций, многоканальный измеритель реактивностей, имеющий (m+3) входа и выход, k 1,2, (m+1) входам которого подключены соответственно внутризонные детекторы нейтронов, а ускоритель протонов выполнен импульсным и содержит датчик импульсного тока пучка и устройство синхронизации, выходы которых подключены соответственно к (m+2) и (m+3)-входам многоканального измерителя реактивностей.

Сущность изобретения состоит также в том, что нейтронный вентиль имеет форму сплошного кольцевого цилиндра и состоит из последовательно расположенных по направлению распространения нейтронов от мишени слоев поглотителя тепловых нейтронов и замедлителя быстрых нейтронов, толщина которых соответствует поглощению в 10-1000 раз нейтронов, движущихся через вентиль в направлении мишени.

Сущность изобретения заключается также в том, что многоканальный измеритель реактивностей содержит (m+1) блоков согласования, входы которых являются соответственно 1,2,(m+1)-входами измерителя, (m+2) интегратора-измерителя, линейный вход последнего из которых является (m+2)-входом измерителя реактивности, формирователь "ворота", вход которого является (m+3)-входом измерителя реактивности, а выход подключен к входу блока задержек, (m+2)-выходов которого соответственно подключены к входам синхронизации (m+2) интеграторов-измерителей, из которых первые (m+1) своими линейными входами подключены соответственно к выходам блоков согласования, цифровые выходы всех интеграторов-измерителей подключены к интерфейсу ЭВМ, одна выходная шина которого через схему МОНТАЖНОЕ ИЛИ подключена к входу формирователя "ворота", а группа других выходных шин является выходом многоканального измерителя реактивностей. Кроме того, число нейтронных вентилей m=1-5. Наибольшая величина m ограничивается допустимой тепловой мощностью последней размножающей секции бланкета.

На чертеже представлена функциональная схема ЭЭЯУ при m=2. Импульсный линейный ускоритель протонов 1, содержащий датчик тока пучка 2 и синхронизатор 3, через канал транспортировки пучка 4 соединен с мишенью 5, находящейся в центре цилиндрической формы бланкета 6, соединенного с энергоблоком 7. Два нейтронных вентиля 8 в виде сплошных кольцевых цилиндров из поглотителя и замедлителя нейтронов разделяют объем бланкета на три концентрически расположенных размножающих нейтроны секции 9, в основном связанные по нейтронному потоку только в направлении от мишени. В объеме каждой секции 9 размещены внутризонные детекторы 10, измеряющие плотность потока нейтронов. Детекторы 10 подключены к первому, второму и третьему входам многоканального измерителя 11 реактивностей, к четвертому входу которого подключен датчик тока пучка 2, а к пятому входу выход устройства синхронизации 3. Измеритель 11 реактивностей содержит формирователь 12 длительности временного интервала, вход которого является пятым входом измерителя 11, а выход подключен к входу блока задержек 13, три блока согласования 14, входы которых являются соответственно первым, вторым и третьим входами измерителя 11, а выходы подключены к линейным входам соответствующих трех интеграторов-измерителей 15, линейный вход четвертого интегратора-измерителя 15 является четвертым входом измерителя 11. К входам управления всех интеграторов-измерителей 15 подключены соответствующие выходы блока задержек 13, а цифровые выходы интеграторов-измерителей 15 подключены к интерфейсу 16 ЭВМ 17. Один из выходов интерфейса 16 подключен через элемент ИЛИ 18 к входу формирователя 12. Соответствующие шины интерфейса 16 являются выходом многоканального измерителя 11 реактивностей и предназначены для подключения к системе управления и защиты (СУЗ) ЭЭЯУ.

ЭЭЯУ, например, с числом нейтронных вентилей m=2 работает следующим образом. Импульсный линейный ВЧ-ускоритель 1 протонов с частотой повторения импульсов F и длительностью импульса t_и облучает через канал транспортировки пучка 4 мишень 5 из тяжелого металла, где с коэффициентом К₁ происходит преобразование импульса тока протонов 1 в импульсный поток быстрых нейтронов, распространяющихся в первой размножающей нейтроны подкритической секции 9 бланкета 6 с топливом на основе плутония-239. Вторая и третья размножающие секции 9 образуются в результате установки в бланкет двух нейтронных вентилей 8 сплошных кольцевых цилиндрических структур, состоящих из поглотителя тепловых нейтронов, например бора, толщиной 2-5 см и замедлителя быстрых нейтронов, например углерода, толщиной 30-50 см, причем первым по отношению к мишени 5 устанавливается слой поглотителя тепловых нейтронов. Размножающие секции 9 изготавливаются по реакторным технологиям и имеют спектр нейтронов достаточно жесткий, чтобы нейтроны с минимальным поглощением проходили через вентиль 8 в направлении от мишени 5. В обратном направлении, к центру бланкета 6, прохождение нейтронов ослабляется в 10-1000 раз, поскольку работает структура вентиля 8: последовательное замедление и захват нейтронов. Каждая секция 9 работает в подкритическом режиме с эффективным коэффициентом размножения К_эф= 0,90-0,97, максимальная величина которого определяется условиями ядерной безопасности. Таким образом, образовавшиеся от мишени 5 нейтроны умножаются в первой размножающей нейтроны секции 9 с коэффициентом умножения К₂=1/(1-К_эф), а скорость генерации нейтронов деления в первой секции 9 будет
n₁=I ˙K₁˙ K₂(н/c).

Размножающая секция 9 создается с большой утечкой нейтронов через боковую поверхность и вентиль 8 так, чтобы коэффициент передачи нейтронов из предыдущей в последующую секцию К был не менее 0,1 такая часть нейтронов поступает на возбуждение (размножение) последующей секции 9, где размножается с соответствующим К_эф этой секции. Следовательно, скорость генерации нейтронов во второй секции 9
n₂=n₁ ˙К₂ ˙К₃=I ˙K₁ ˙K₂² ˙K₃ (н/c).

Аналогично скорость генерации нейтронов в третьей секции 9
n₃= n₂ ˙K₂ ˙K₃=I˙ K₁˙K₂³ ˙K₃² (н/с).

Таким образом, секционированный нейтронными вентилями 9 бланкет 6 работает как умножитель нейтронов от мишени 5 с существенно большим коэффициентом умножения нейтронов, чем для обычного односекционного бланкета, причем каждая секция 9 бланкета 6 имеет заданную величину К_эф, определяемую требованиями ядерной безопасности установки. Именно это обстоятельство позволяет понизить ток ускорителя 1 при заданных мощности и ядерной безопасности бланкета 6. Теплоноситель, охлаждающий бланкет 6, поступает в энергоблок 7, где происходит преобразование тепловой электроэнергии в электрическую. Работа и обеспечение ядерной безопасности ЭЭЯУ возможна только при условии измерения реактивности каждой размножающей секции 9, синхронизированного с измерением тока ускорителя 1. В этой связи токи от трех детекторов 10 через соответствующие блоки согласования 14 поступают на линейные входы соответствующих интеграторов-измерителей 15. На линейный вход четвертого интегратора-измерителя 15 поступает сигнал от датчика тока пучка 2. Собственно процесс измерения сигналов от детекторов 10 и датчика 2 происходит в моменты подачи от блока задержек 13 соответствующих импульсов синхронизации на входы управления интеграторов-измерителей 15, где происходит интегрирование токов от детекторов 10 и датчика 2 за время t_b, равное длительности импульса от формирователя "ворота" 12, и преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Величина t_b несколько превышает длительность импульса ускорителя t_и. Импульс тока в детекторе 10 первой размножающей секции 9 возникает практически одновременно с импульсом от датчика 2. Импульсы тока детектора 10 второй и третьей секций размножения 9 запаздывают на время замедления нейтронов в нейтронных вентилях 8. Время задержки импульса от детектора 10 во второй секции 9 составляет величину порядка 100 мкс, а для третьей секции 9-200 мкс. С учетом этих параметров в блоке задержек 13 устанавливаются временные характеристики соответствующих импульсов синхронизации. При каждом импульсе тока ускорителя 1 в соответствии с измерительной программой ЭВМ цифровые коды с выходов всех интеграторов-измерителей 15 через интерфейс 16 поступают в память ЭВМ 17, где происходят их обработка и вычисление текущего значения величин К_эф для каждой размножающей секции 9, например, по нижеследующему алгоритму, представленному с несущественными упрощениями.

Величина сигнала С_о от датчика тока пучка 2 при действии одного импульса ускорителя 1 будет определяться:
C_o= i_odt= ε_oI·dt где i_о ток датчика 2; величины ε_i тарировочные коэффициенты. Величина сигнала С₁ от внутризонного детектора 10, расположенного в первой размножающей секции 9 бланкета 6, при действии одного импульса ускорителя 1 будет определяться:
C₁= i₁dt= ε₁n₁·dt I·dt где i₁ ток внутризонного детектора 10, К_эф,1 эффективный коэффициент размножения нейтронов в первой размножающей секции 9 бланкета 6, при действии одного импульса ускорителя 1 определяется
C₂= i₂dt= ε₂n₂·dt n₁·dt где i₂ ток внутризонного детектора нейтронов 10, К_эф,2 эффективный коэффициент размножения нейтронов во второй размножающей секции 9 бланкета 6.

Величина сигнала С₃ от внутризонного детектора нейтронов 10, расположенного в третьей (внешней) размножающей секции 9 бланкета 6, при действии одного импульса ускорителя 1 определяется
C₃= i₃dt= ε₃n₃·dt n₂·dt где i₃ ток внутризонного детектора нейтронов 10, К_эф,3 эффективный коэффициент размножения нейтронов в третьей размножающей секции 9 бланкета 6. Решая совместно вышеуказанные уравнения, получают
; K= 1
; K= 1
; K= 1
Полученные текущие значения К_эф для каждой размножающей секции 9 бланкета 6 сравниваются с соответствующим заданным значением и по результату сравнения выполняется необходимая команда через соответствующую шину интерфейса 16 на СУЗ. Следует отметить, что в рассмотренном примере алгоритма измерения реактивностей секций 9 бланкета 6 не учитывался фон от квазистационарного потока запаздывающих нейтронов. Оценки показывают, что величина этого фона пренебрежимо мала за время возбуждающего секции 9 импульса, например, от реального ускорителя мезонной фабрики, параметры которого следующие: импульсный ток протонов 50 мА, длительность импульсов 100 мкс, частота повторения импульсов 100 Гц. Однако при уменьшении скважности импульсов ускорителя вклад фоновой составляющей в ток детекторов 10 будет возрастать. Поэтому в структуре измерителя реактивностей 11 предусмотрена связь: выход интерфейса 16 соединен через элемент ИЛИ с входом формирователя 12. Это позволяет в промежутках времени между импульсами ускорителя 1 по команде от ЭВМ 17 запускать интеграторы-измерители 15 и измерять величину квазистационарного потока нейтронов в каждой секции 9 перед возбуждающим импульсом.

Начало работы (синхронизация с ускорителем 1) измерительной программы измерителя 11 реактивностей происходит путем организации цикла чтения и анализа величины кода от четвертого интегратора-измерителя 15, связанного с датчиком 2. Когда код не равен нулю, т.е. возник импульс тока ускорителя 1, происходят выход из цикла в программу чтения других интеграторов-измерителей 15 и обработка по вышеизложенному алгоритму. Длительность программы обработки должна быть меньше, чем период последовательности импульсов ускорителя 1.

При реализации изобретения достижение технического результата обосновывается следующим образом.

Допустим, что мощность ускорителя, коэффициент преобразования протонов в нейтроны К₁ и коэффициенты размножения нейтронов К_эф,i каждой секции бланкета 6 такими же как в прототипе, причем К_эф=0,9, а коэффициент передачи нейтронов из предыдущей секции в последующую К₃=0,15. Тогда мощность W₁ первой секции 9 бланкета 6 будет практически равна мощности бланкета прототипа и пропорциональна скорости генерации нейтронов в первой секции W₁ ≈n₁. Следовательно, мощности вто- рой и третьей секций 9 бланкета 6 соответственно пропорциональны: W₂ ≈n₁ ˙K₂˙K₃=n₁ ˙1,5; W₃≈ n₁ ˙K₂³ ˙K₃²=n₁˙ 2,25. Суммарная мощность бланкета 6: W=(W₁+W₂+W₃)≈ n₁˙ 4,75. Таким образом, повышается в 2,2 раза эффективность q производства электроэнергии установкой при мощности бланкета 6 равной мощности бланкета прототипа путем понижения тока ускорителя 1 в 4,75 раза, причем этот результат получен при К_эф=0,9 для каждой секции 9, т.е. без ухудшения ядерной безопасности установки. Кроме того, структура ЭЭЯУ создана таким образом, что измерение реактивности бланкета 6 многоканальным измерителем реактивностей 11 ведется на мгновенных нейтронах и с высокой частотой обновления результатов, что также способствует ядерной безопасности установки.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано при решении проблемы ядерного ожигания оружейного плутония и урана - 235 с получением полезной энергии. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности производства электроэнергии за счет введения в электроядерную установку, содержащую ускоритель и подкритический бланкет, m нейтронных вентилей, разделяющих объем бланкета на (m + 1) размножающие подкритические секции, (m + 1) внутризонных детекторов нейтронов и многоканального измерителя реактивностей. Секционированный бланкет обеспечивает высокий коэффициент умножения нейтронов без повышения эффективного коэффициента размножения нейтронов для каждой секции, что позволяет понизить энергопотребление ускорителя. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА, содержащая последовательно соединенные линейный ускоритель ионов, канал транспортировки пучка и мишень, расположенную в центре подкритического бланкета цилиндрической формы, соединенного с энергоблоком, отличающаяся тем, что введены m нейтронных вентилей, а линейный усилитель ионов выполнен импульсным и содержит датчик импульсного тока пучка и блок синхронизации, при этом каждый нейтронный вентиль размещен соответственно между i-й и (i + 1)-й размножающими нейтроны секциями подкритического бланкета, расположенными концентрически относительно мишени, выход внутризонного детектора нейтронов, размещенного внутри одноименной размножающей нейтроны секции, подключен к j-му входу многоканального измерителя реактивностей, (m + 2)-й и (m + 3)-й входы которого подключены к выходам соответственно датчика импульсного тока пучка и синхронизатора линейного ускорителя, при этом коэффициент поглощения потока нейтронов каждого из m нейтронных вентилей в направлении к мишени находится в пределах 10 1000. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нейтронный вентиль выполнен в виде расположенных в направлении от мишени сплошных слоев поглотителя тепловых нейтронов и замедлителя быстрых нейтронов. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что многоканальный измеритель реактивностей содержит формирователь длительности временного интервала, блок задержки, интерфейс, 2 + m интеграторов-измерителей и m + 1 блоков рассогласования, входы которых являются соответственно первым (m + 1)-м входами измерителя, линейный вход (m + 2)-го интегратора-измерителя является (m + 2)-м входом измерителя реактивностей, вход формирователя длительности временного интервала является (m + 3)-м входом измерителя реактивностей, а выход подключен к входу блока задержек, первый (m + 2)-й выходы которого соответственно подключены к входам синхронизации первого (m + 2)-го интеграторов-измерителей, из которых первый (m + 1)-й своими линейными входами подключены соответственно к выходам первого (m + 1)-го блоков согласования, цифровые выходы первого (m + 2)-го интеграторов-измерителей подключены к интерфейсу, первая выходная шина которого через элемент ИЛИ подключена к входу формирователя временного интервала, а вторая n-я выходные шины являются выходами многоканального измерителя реактивностей. 4. Установка по пп.1 3, отличающаяся тем, что количество нейтронных вентилей m 1 5.