СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ ДЕЛЯЩЕГОСЯ ВЕЩЕСТВА МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ НЕЙТРОНАМИ Российский патент 1997 года по МПК G21C1/00 G21C1/04 G21C1/06 G21C1/22 G21C7/30 

Изобретение относится к области ядерной технологии и предназначено для деления делящегося вещества моноэнергетическими нейтронами.

Оно может быть использовано для осуществления цепной ядерной реакции деления, получения больших флюенсов нейтронов, гамма-квантов, а также выработки световой, электрической и тепловой энергии.

Прототип "Способ облучения материалов моноэнергетическими нейтронами", патент РФ N 2045101, G 21 K 5/00, 1995.

В примере N 3 описания прототипа под названием "Осуществление интенсивного деления или возникновения цепной ядерной реакции в делящемся веществе" рассмотрено облучение делящегося вещества резонанснымиqcat: Command not found. находящаяся в водном растворе может быть уменьшена с 460 г практически до 2-3 г.

В соответствии с прототипом рассмотрим уменьшение критических масс других делящихся систем, например сферы и плоскости.

В работе [Критические параметры систем с делящимися веществами и ядерная безопасность. Справочник. М. Атомиздат, 1966, с. 214, табл.7.1] показано, что критическая масса сферического металлического Pu²³⁹, окруженного замедлителем, равна 2600 г, считая аналогичным (прототипу) образом снижение критической массы, получим, что она станет равной 15 г. По специально созданной программе были проведены расчеты критической толщины бесконечных пластин из металлического плутония, окруженного легкой и тяжелой водой (данные по легкой воде служили для сравнения с упомянутым справочником). Результаты этих расчетов показали, что критическая толщина металлического плутония, находящегося между 40 см слоями тяжелой воды, равна 7,9•10²⁰ яд/см² (0,32 г/см², что равно 0,017 см металлического Pu²³⁹) при неподвижном делящемся веществе и 3,9•10¹⁹ яд/см² (0,016 г/см² или 8,5•10^-4 см металлического Pu²³⁹) при движущемся плутонии, когда энергия взаимодействия соответствует энергии резонанса 65,96 эВ.

Полученные значения критических масс (15 г, для сферического плутония, окруженного замедлителем) и 3,9•10¹⁹ яд/см² для бесконечной плоскости представляют собой относительно большие величины, поскольку для получения плотностей 10¹².10¹⁵ яд/см³ (которые обычно используются в плазменных устройствах) необходимо брать слишком большие объемы делящегося вещества, чтобы достигнуть критических параметров (так, при плотности 10¹³ яд/см³ минимальный радиус сферы примерно равен 1000 см).

Из приведенных данных следует, что основным недостатком прототипа является слишком большая критическая масса делящегося вещества для осуществления цепной ядерной реакции резонансного деления в плазменном состоянии.

Другим недостатком прототипа является то, что при реакции деления делящегося вещества образуется большое количество опасных радиоактивных отходов, состоящих из радиоактивных продуктов деления, а также радиоактивных и высокотоксичных долгоживущих трансурановых нуклидов.

Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение критической массы делящегося вещества, необходимой для возникновения цепной ядерной реакции резонансного деления, с одновременным уменьшением (в пересчете на единицу выделившейся энергии) количества образующихся радиоактивных продуктов деления и практически полного исключения образования высокотоксичных, радиоактивных трансурановых нуклидов.

Для достижения поставленной задачи делящееся вещество превращают в газ или плазму и перемещают вращением с заданной скоростью в поле (тепловых) моноэнергетических нейтронов, затем в центральную область вращения вводят тяжелые изотопы водорода, которые высокоэнергетическими продуктами деления делящегося вещества разогревают до температуры термоядерного синтеза и дополнительным магнитным полем удерживают внутри области деления делящегося вещества. Образующиеся при термоядерном синтезе быстрые нейтроны, так же как и быстрые нейтроны деления, попадают в замедлитель, замедляются до энергии тепловых нейтронов и затем частично возвращаются в область делящегося вещества и тем самым уменьшают его критическую массу. При этом необходимый при расчете критической массы делящегося вещества параметр "ν", характеризующий число вторичных нейтронов деления на один тепловой нейтрон, поглощенный в топливе [Д. Белл, С. Глестон. Теория ядерных реакторов. Атомиздат, 1974, с. 460] в данном случае показывает средний выход быстрых нейтронов на каждый акт деления с учетом образования быстрых нейтронов термоядерного синтеза, который может быть найден по формуле:

где ν_дел среднее число быстрых нейтронов, образующихся при одном акте деления делящегося вещества;
ν_синт среднее число быстрых нейтронов термоядерного синтеза, приведенное на энергию одного акта деления делящегося вещества;
ΔW относительная доля энергии деления от суммарной энергии деления и синтеза;
1 - ΔW относительная доля энергии термоядерного синтеза от суммарной энергии.

Причем кратность снижения массы образующихся радиоактивных продуктов деления по сравнению с тем, когда отсутствует термоядерная реакция синтеза, определяется величиной:
K = 1/ΔW. (2)
Для получения максимального эффекта делящийся материал перемещают в поле тепловых нейтронов со скоростью, при которой энергия соударения делящихся ядер с тепловыми нейтронами будет равна энергии резонансного деления.

При таком облучении полностью исключается образование высокотоксичных и радиоактивных трансурановых нуклидов.

Поскольку суммарная мощность выделившейся ядерной энергии складывается из энергии деления и термоядерного синтеза, то на единицу выделившейся ядерной энергии радиоактивных продуктов деления будет меньше, чем в том случае, когда вся ядерная энергия обусловлена делением ядер. Так, например, если энергия деления составляет 10% от суммарной выделившейся ядерной энергии, то выход радиоактивных продуктов деления снизится в 10 раз, не считая выхода трансурановых нуклидов, которые в предлагаемом способе вообще не образуются. Предельным (максимальным) уменьшением количества выделившихся радиоактивных продуктов деления будет тот случай, когда реакция резонансного деления используется только для того, чтобы поддерживать стационарное протекание реакции термоядерного синтеза. В этом случае увеличение мощности термоядерного синтеза приводит даже к некоторому снижению мощности энергии деления ядер (в пределе при очень большой мощности термоядерного синтеза, когда будет обеспечен самоподдерживающийся режим горения термоядерного топлива, энергия деления ядер будет не нужна), чем обуславливается еще большее относительное снижение радиоактивных продуктов деления в пересчете на единицу мощности выделившейся ядерной энергии и соответственно снижение выхода радиоактивных отходов (в пределе, полное исключение радиоактивных продуктов деления).

Основная цель данного способа, заключающаяся в уменьшении критической массы делящегося вещества, достигается за счет быстрых нейтронов, образующихся при термоядерном синтезе, которые после замедления попадают в делящееся вещество и тем самым увеличивают в нем поток тепловых нейтронов, то есть как бы увеличивают параметр "ν" и тем самым уменьшают критическую массу делящегося вещества.

Величина снижения критической массы делящегося вещества определялась по специально созданной программе. В частности, расчитывалась конкретная величина уменьшения критической толщины делящегося вещества при возрастании "ν" для стационарного и резонансного (E_рез=65,5 эВ) облучения делящегося вещества нейтронами. Расчеты проводились для системы, состоящей из двух 40 см слоев замедлителя (тяжелая вода D₂O), между которыми располагался слой делящегося вещества, толщина которого (яд/см²) подбиралась такой, чтобы началась цепная ядерная реакция деления (т.е. K_эфф=1,0). Результаты расчетов представлены в таблице.

На фиг. 1 приведены аналогичные данные, но в зависимости от процентного вклада реакции деления в суммарную мощность реакции деления и синтеза. Из этих данных видно, что если "ν" увеличивается с 2,8 до 28, то критическая толщина Pu²³⁹ уменьшается в 200 раз, при дальнейшем увеличении "ν" в 10 раз, критическая масса также уменьшится в 10 раз (т.е. дальнейшее снижение критической толщины будет пропорционально росту "ν").

Если критическая масса сферического плутония будет уменьшаться с ростом "ν" аналогичным образом, то среднее число ядер Pu²³⁹ в сфере объемом 1 м³ будет равно 4•10¹⁴ яд/см³ (при ν28) и 4•10¹³ яд/см³ (при n280), при этом за счет дальнейшего увеличения "ν" или увеличения объема сферы плотность ядер делящегося вещества может быть еще снижена.

То есть плотности ядер делящегося вещества принимают приемлемые значения для плазменных технологий. Учитывая, что ядра делящегося вещества будут вращаться со своей дрейфовой скоростью вокруг оси активной зоны, аналогично стационарной плазменной центрифуге [Бабарицкий А.И. и др. Пучково-плазменный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. ДАН СССР, т. 237, N 1, 1997] то за счет центробежной силы их плотность в приосевой области может быть дополнительно снижена еще на 1-2 порядка, и тогда ядра Pu²³⁹ практически не будут оказывать вредного влияния на температуру водородной плазмы, помещенной в приосевую область, поскольку они будут составлять менее 0,1. 0,01% от числа тяжелых ядер водорода, которые должны стать поставщиками быстрых нейтронов термоядерного синтеза.

Рассмотрим, каким образом можно получить в таких больших количествах дополнительные нейтроны из ядерных реакций термоядерного синтеза.

При синтезе тяжелых ядер водородадейтерия (D) и трития (T)} протекают следующие реакции:
D+T=He⁴+n+17,7 МэВ, (3)
D+D=T+p+4,0 МэВ, (4)
D+D=He³+n+3,25 МэВ, (5)
5D=He⁴+He³+2n+p+25 МэВ. (6)
Реакции (3) и (4, 5) могут протекать раздельно, их скорости реакций <σV>, взятые из работы [Басов Н.Г. и др. Физические процессы на стадии термоядерного горения. Уч. пособие МИФИ, М. 1986, Фак. экспериментальной и теоретической физики, 23 с. представлены на фиг. 2. Из представленных на фиг. 2 данных следует, что до температуры 100 эВ (10⁶ К) идет в основном DT реакция, при более высокой температуре протекают DD реакции (4, 5), или одновременно все три (3, 4, 5) реакции, которые представлены реакцией (6).

За критерий сравнения реакций деления и синтеза используем энергии, выделяющиеся при этих реакциях, причем за единицу отсчета возьмем максимальную из них. Максимальная энергия 200 МэВ выделяется при реакции деления ядер плутония или урана, поэтому за единицу энергии возьмем 200 МэВ.

При каждом акте деления ядра плутония или урана испускается два осколка деления и примерно 2,8 нейтрона при делении плутония и 2,5 нейтрона при делении урана.

При выделении 200 МэВ энергии термоядерного синтеза будет образовываться 11,3 быстрых нейтронов, если будет протекать реакция (3), 27,6 быстрых нейтронов при совместном протекании реакций (4) и (5) и 16 быстрых нейтронов, если будет протекать реакция (6).

Недостатками реакций (3) и (6) является то, что при их протекании рождаются быстрые нейтроны с энергией равной 14 МэВ, которые в реакции (3) уносят до 80% а в реакции (6) более 66% энергии синтеза. Вся эта энергия остается в активной зоне реактора и поэтому ухудшает его тепловой режим, вызывает опасную активацию конструктивных и других материалов активной зоны, приводит к радиационному повреждению элементов конструкции активной зоны, оказывает вредное влияние на характеристики сверхпроводящих магнитов и, что особенно нежелательно, из-за большой проницательной способности 14 МэВ-х нейтронов их большое количество без замедления пересекут замедлитель активной зоны и уйдут из реактора и поэтому окажут меньший вклад в параметр "ν". Положительным эффектом реакции (3) является только то, что она протекает при меньшей температуре плазмы.

Скорость реакций (4) и (5), как видно из фиг. 2 превысит скорость реакции (3), если температура плазмы станет более одного миллиона градусов, что является их недостатком, при этом их положительным фактором будет то, что в этих реакциях образуется в 2,5 раза больше нейтронов, средняя энергия которых практически совпадает со средней энергией нейтронов деления, равной 2 МэВ [Ямпольский П.А. Нейтроны атомного взрыва. Госатомиздат, 1961, с. 2] В связи с этим их вклад в коэффициент "ν" практически будет аналогичен вкладу нейтронов деления, а поскольку энергия этих нейтронов невелика и они уносят только ≈33% энергии синтеза, они окажут значительно меньшее влияние на тепловой режим активной зоны реактора, на радиационную стойкость конструктивных материалов активной зоны, а также на свойства сверхпроводящих магнитов.

Взаимная поддержка реакций резонансного деления и термоядерного синтеза позволит осуществить стационарное протекание этих реакций.

Поскольку критическая масса делящегося вещества в активной зоне реактора, необходимая для осуществления цепной ядерной реакции деления на резонансных нейтронах, может составлять, так же как и масса тяжелых изотопов водорода, несколько десятков миллиграмм, которого может хватить только на несколько секунд работы реактора, в реактор необходимо постоянно вводить делящееся вещество и тяжелые изотопы водорода.

Положительным эффектом от совместного осуществления ядерных реакций резонансного деления и термоядерного синтеза является то, что:
менее 30% выделившейся ядерной энергии будет оставаться в активной зоне реактора, при этом утилизация остальной энергии будет осуществляться вне активной зоны;
на каждый момент времени в активной зоне реактора находится несколько десятков миллиграмм радиоактивного делящегося вещества, что повышает экологическую безопасность реактора в случае его полного разрушения;
на единицу мощности реактора значительно уменьшается выход радиоактивных продуктов деления;
мощность реактора регулируется количеством ядерного горючего, подаваемого в его активную зону, это стало возможным вследствие того, что критическая масса делящегося вещества и масса тяжелых изотопов водорода, участвующих в реакциях, стала сравнимой с их ежесекундным выгоранием и подачей свежего ядерного горючего в активную зону реактора;
любые нарушения, возникающие при подаче в активную зону ядерного горючего, сбой в скорости движения делящегося вещества, разгерметизация активной зоны, перегрев замедлителя и т.д. приводят к мгновенному прекращению реакций резонансного деления и термоядерного синтеза.

Для запуска совместной реакции термоядерного синтеза и резонансного или нерезонансного деления необходим мощный импульс нейтронов дополнительного источника.

Изобретение относится к области ядерной технологии. Сущность: реакцию деления делящегося вещества моноэнергетическими нейтронами осуществляют совместно с реакцией термоядерного синтеза. В этом случае нейтроны термоядерного синтеза обеспечивают снижение критической массы делящегося вещества, а продукты деления обеспечивают дополнительный нагрев водородной плазмы, обеспечивая тем самым стабильное протекание реакции термоядерного синтеза. Вследствие того что энергия деления составляет только незначительную часть суммарной выделившейся ядерной энергии, происходит снижение выхода радиоактивных продуктов деления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ облучения делящегося вещества моноэнергетическими нейтронами, заключающийся в том, что делящееся вещество превращают в газ или плазму и перемещают с заданной скоростью в поле тепловых нейтронов, вышедших из замедлителя, отличающийся тем, что делящееся вещество перемещают вращением в поле тепловых нейтронов с заданной скоростью, затем в центральную область вращения вводят тяжелые изотопы водорода, которые продуктами деления делящегося вещества разогревают до температуры термоядерного синтеза, при этом быстрые нейтроны, образующиеся при термоядерном синтезе, так же, как и быстрые нейтроны деления, попадают в замедлитель, замедляются до энергии тепловых нейтронов, часть которых возвращается в область делящегося вещества и снижает его критическую массу, при этом средний выход быстрых нейтронов на каждый акт деления, который необходим для определения критической массы делящегося вещества, определяют по формуле
ν = (ν_дел•ΔW + ν_синт•(1 - ΔW))/ΔW,
где ν - средний выход быстрых нейтронов на каждый акт деления;
ν_дел- среднее число вторичных нейтронов при делении делящегося вещества;
ν_синт- среднее число быстрых нейтронов термоядерного синтеза при суммарной энергии синтеза, равной энергии, выделяющейся при одном акте деления;
ΔW - относительная доля энергии деления;
1 - ΔW - относительная доля энергии термоядерного синтеза,
при этом кратность К снижения массы образующихся радиоактивных продуктов деления по сравнению с тем, когда отсутствует термоядерная реакция синтеза, определяется величиной
K = 1/ΔW,
где ΔW - относительная доля энергии деления. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что делящийся материал перемещают с такой относительной скоростью, при которой энергия соударения делящихся ядер с тепловыми нейтронами равна энергии резонансного взаимодействия.