СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЦЕПНОЙ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ НА РЕЗОНАНСНЫХ НЕЙТРОНАХ Российский патент 1999 года по МПК G21C1/00 G21C1/06 G21C1/22 

Изобретение относится к области ядерной техники и предназначено для осуществления цепной ядерной реакции деления.

Оно может быть использовано для получения больших флюенсов нейтронов, гамма-квантов, а также для выработки тепловой и электрической энергии.

Общепринятым, традиционным способом осуществления цепной ядерной реакции может быть ядерный взрыв или же деление делящегося вещества на ядерных реакторах быстрыми или тепловыми нейтронами (А.Вейнберг, У.Вигнер "Физическая теория ядерных реакторов", ИЛ М. 1961 г) [1] - прототип.

Цепная реакция при ядерном взрыве неуправляемая, поэтому исключим ее из дальнейшего рассмотрения. Ядерные реакции на быстрых и тепловых нейтронах в настоящее время широко используются в реакторах как экспериментальных, так и в энергетических.

Их общие недостатки заключаются в следующем:
- в реактор загружается большое количество ядерного горючего (например, в реакторах типа ВВЭР-440, ВВЭР-1000, РБМК-1000 соответственно 41, 66 и 192 тонны урана), которого хватает на всю кампанию работы реактора (обычно три года). После чего его заменяют;
- из всей массы ядерного горючего за период кампании, с учетом возникновения других делящихся нуклидов, прореагирует менее 5%, т.е. очень низка эффективность его использования;
- при работе реактора в его активной зоне остаются продукты реакции и тем самым мешают его работе;
- в процессе работы реактора из урана-238, составляющего более 95% массы ядерного горючего, образуется большое количество различных радиоактивных трансурановых элементов с очень большим периодом полураспада, которые, к тому же, экологически чрезвычайно опасны, поскольку их допустимая концентрация в воде и в атмосферном воздухе должна быть в несколько тысяч раз меньше, чем допустимая концентрация продуктов деления;
- в случае аварии ядерного реактора, особенно долго работавшего, могут возникнуть опасные экологические последствия.

Целью настоящего изобретения является уменьшение массы и повышение эффективности использования делящегося вещества в активной зоне реактора.

Цель эта достигается за счет того, что в предлагаемом способе осуществления цепной ядерной реакции в активную зону реактора, содержащую замедлитель, вакуумную магнитную ловушку для удержания плазмы из делящегося вещества и нейтронопоглощающие экраны, на время инициирования реакции вводят источник быстрых нейтронов, нейтроны которого замедляют до тепловых энергий и направляют в магнитную ловушку. Затем делящееся вещество превращают в газ или плазму, ускоряют и вводят в магнитную ловушку со скоростью, определяемой, например, для взаимно перпендикулярного движения тепловых нейтронов и делящегося вещества, формулой:

где C - скорость света, м/с;
E_Н0 - энергия покоя нейтрона, эВ;
E_ТН - энергия тепловых нейтронов, эВ; E_р - энергия выбранного резонанса деления, эВ.

Формула (1) получена из известного соотношения для кинетической энергии движущейся частицы [2]:

откуда

где m₀•C² = E_Н0 - энергия покоя, эВ;
m₀ - масса покоя частицы, кг.

Для случая взаимно перпендикулярного движения тепловых нейтронов и делящегося вещества скорость их взаимного сближения для выбранного резонанса взаимодействия равна:
v2дв

Подставляя выражение (3) в (4), получим формулу (1).

В этом случае скорость - энергия взаимного сближения тепловых нейтронов и движущихся ядер делящегося вещества совпадает с выбранной энергией его резонансного деления, сечение деления которого может быть в несколько раз больше чем на тепловых нейтронах.

Кроме того, путь тепловых нейтронов в движущемся делящемся веществе определяется формулой:

где δ - толщина слоя делящегося вещества, м;
v_ДВ - скорость движения делящегося вещества, м/с;
v_ТН - скорость движения тепловых нейтронов, м/с.

Используя путь, проходимый тепловыми нейтронами при пересечении движущегося делящегося вещества, можно определить так называемое "эффективное" сечение деления движущегося делящегося вещества с тепловыми нейтронами, которое будет равно:

где σ_p - сечение деления в резонансе, барн.

Испускаемые в процессе деления быстрые нейтроны направляют в замедлитель, после которого в виде тепловых нейтронов возвращают в магнитную ловушку, осуществляя самоподдерживаемую цепную ядерную реакцию деления на выбранном резонансе, а для поддержания постоянства критической массы в активную зону непрерывно вводят делящееся вещество и удаляют продукты реакций, причем количество тепловых нейтронов, возвращаемых в магнитную ловушку, регулируют нейтронопоглощаемыми экранами, связанными с системой управления реактора.

Используя эффективное макроскопическое сечение деления (6), можно подобрать такие значения плотности плазмы из делящегося вещества "n_Я" и ее толщины "δ", при которых делящийся материал не был бы слишком прозрачным для тепловых нейтронов и, кроме того, не происходило бесполезное перемещение большой его массы. Эти параметры необходимо выбирать такими, чтобы кратность снижения плотности потока тепловых нейтронов, пересекающих движущуюся плазму из делящегося вещества, удовлетворяла условию:
1,01 ≤ K ≤ 100, (7)
где
Сущность изобретения заключается в том, что все быстрые нейтроны практически без потерь можно замедлить до тепловых энергий, которые, попадая в вакуумную магнитную ловушку из-за малой своей скорости по сравнению со скоростью движения ядер делящегося вещества, можно считать стоят на месте, и поэтому даже при относительно небольшой плотности делящегося вещества они все могут провзаимодействовать. Поэтому в данном способе осуществления цепной ядерной реакции деления на резонансных нейтронах имеет место три благоприятных стечения обстоятельств:
1. За счет эффективного замедления быстрых нейтронов до тепловых энергий и движения в их поле ядер делящегося вещества получается большая плотность практически моноэнергетических нейтронов, энергия которых попадает на какой-либо выбранный резонанс его деления.

2. За счет использования наиболее благоприятного сечения резонансного деления делящегося вещества оно может быть выбрано значительно большим, чем деление этого материала тепловыми нейтронами.

3. Благодаря тому, что скорость движущегося делящегося вещества может быть значительно больше, чем скорость тепловых нейтронов, можно значительно уменьшить плотность делящегося вещества для получения аналогичного макроскопического сечения, как и при неподвижном делящемся веществе для этих же резонансных нейтронов.

Следовательно, если в предложенном способе осуществления цепной ядерной реакции деления на резонансных нейтронах в качестве делящегося материала использовать, например, плутоний-239 (δ_тн = 742 барна), то для разных значений энергий резонансов плутония-239 в табл. 1 приведены значения скорости перемещения делящегося вещества "v_ДВ"; кратности увеличения длины пути тепловых нейтронов в движущемся делящемся веществе "K₁"; "эффективное" сечение деления σ_эф, а также отношение "эффективного" и резонансного сечения деления к сечению деления плутония-239 тепловыми нейтронами.

Из представленных в таблице данных видно, что при облучении плутония-239 предложенным способом, используя для этой цели резонанс с энергией E_р = 75,21 эВ, "эффективное" сечение деления по сравнению с делением на тепловых нейтронах возрастет примерно в 180 раз или в 55 раз, если облучать неподвижный плутоний моноэнергетическими нейтронами с энергией 75,21 эВ. Следовательно, приведенные данные показывают, что критическая масса плутония-239 для начала цепной ядерной реакции примерно в такой же степени может быть уменьшена при использовании настоящего способа резонансного деления плутония-239 (т.е. минимальная критическая масса плутония-239 при настоящем способе осуществления цепной ядерной реакции деления на резонансных нейтронах может составить 2 - 4 грамма вместо 460 грамм плутония в водном растворе при традиционном способе деления тепловыми нейтронами [3]).

Для других делящихся веществ энергии резонансов, на которых будут иметь место минимальные критические массы, будут равны: плутоний-241 (E=14,78 эВ), уран-235 (E=19,3 эВ), уран-233 (E=22 эВ) и т.д. При этом, резонансы, на которых будет иметь место наиболее полное выгорание делящихся веществ, т.е. у которых параметр α, определяемый формулой:
α = σ_c/σ_f, (9)
где σ_c - сечение захвата;
σ_f - сечение деления,
принимает минимальное значение будут равны: плутоний-239 (E = 15,5, α = 0,05); плутоний-241 (E = 5,91 эВ, α = 0,03); уран-235 (E = 13,98 эВ, α = 0,23); уран-233 (E = 33,95 эВ, α = 0,025) [4,5].
Таким образом, в предложенном способе осуществления цепной ядерной реакции в активной зоне реактора делящееся вещество будет находиться в виде плазмы, поэтому его общее количество может составлять только несколько десятков грамм.

Для поддержания постоянства плотности ядер плутония при протекании цепной ядерной реакции в активную зону реактора необходимо постоянно подавать плазму из делящегося вещества и удалять из нее продукты деления, поэтому в случае аварии реактора экологические последствия будут минимальными.

Эффективность же использования делящегося вещества будет весьма высока, поскольку на каждый момент времени в активной зоне реактора постоянно находится не более нескольких десятков грамм, то есть столько его необходимо для протекания цепной ядерной реакции.

Кроме того, из-за отсутствия урана-238 в активной зоне реактора, при протекании цепной ядерной реакции, практически не будут образовываться трансурановые радиоактивные элементы.

Практическая реализация предложенного способа взаимодействия нейтронов с веществом будет определяться возможностью перемещения делящегося вещества со скоростью 10³ ...10⁵ м/с. Для этого необходимо делящееся вещество превратить в газоплазменную смесь. В настоящее время скорость перемещения частично ионизованного газа для различных типов материалов в плазменных центрифугах, плазмотронных пушках и ускорителях плазмы имеет верхнюю границу, равную "v_крит":
v_крит = 5•10³ ...5•10⁴ м/с [6].

Эта скорость связана с величиной энергии ионизации перемещаемой частично ионизованной плазмы и только по достижении полной ее ионизации плазма сможет перемещаться с большей скоростью. Более высокие скорости могут быть достигнуты с использованием плазменных ускорителей, описанных в работах [5...9] .

В таблице 2 приведены параметры некоторых плазматронных устройств и областей их использования, в которых осуществлен разгон газоплазменных смесей до скоростей, представляющих интерес для решения настоящей задачи.

Литература
1. Вейнберг Аю., Вингер У. //Физическая теория ядерных реакторов, Ил., М., 1961.

2. Кухлин Х. //Справочник по физике, Перевод с немецкого, М., Мир, 1985.

3. Дубовский Б. Г., Камаев А.В., Кузнецов Ф.М. и др. //Критические параметры систем с делящимися веществами и ядерная безопасность, Справочник, Атомиздат, М., 1966.

4. Бюллетень информационного центра по ядерным данным /Выпуск третий, приложение 4, Атомиздат, 1967.

5. Дональд Ж., Хьюдж и Роберт Б., Швартц //Атлас нейтронных сечений, Издание второе, исправленное и дополненное, Brookhaven National Laboratory, Upton New York, 1958.

6. Коробцев С. В. , Русанов В.Д. //Плазменная центрифуга - плазмохимический реактор нового типа, М., ЦНИИ информации ГК по использованию А.Э. ССР, 1988.

7. Глебов И.А. Рутберг Ф.Г. //Мощные генераторы плазмы, М., Энергоиздат, 1985.

8. Блинов И.П. и др. //Вакуумные сильноточные плазменные устройства и их применение в технологическом оборудовании микроэлектроники, Обзор, серия: Микроэлектроника, М., ЦНИИ Электроника, Вып. 7 и 8, 1974.

9. Абрамов И.С. //Ускорители плазмы и электрореактивные двигатели, Конспект лекций Ленинградского электротехнического института, Ленинград, 1978.

10. Лесков Л. В. //Физические основы ускорителей плазмы, ч. 1, МВССО СССР, МВТУ, 1968.

12. Михайловский Ф.Б. //Гидродинамическая теория вращения плазмы в ТОКАМАКе, М., ИАЭ им. Курчатова, 1982.

13. Журнал "Физика плазмы", т. 15, вып. 8, стр. 1000, 1089.

Способ предназначен для получения больших флюенсов нейтронов и гамма-квантов, а также для выработки тепловой и электрической энергии. Способ заключается в том, что изначально быстрые нейтроны замедляют до тепловых энергий и направляют в вакуумную магнитную ловушку, создающую плазму делящегося вещества. Затем плазму делящегося вещества ускоряют и вновь вводят в ловушку со скоростью, при которой энергия взаимного сближения тепловых нейтронов и движущейся плазмы совпадает с энергией резонансного деления. В результате существенно снижается загрузка топлива и повышается эффективность его использования. 2 табл.

Способ осуществления цепной ядерной реакции деления, заключающийся в том, что на делящееся вещество воздействуют системой управления реактора для возникновения цепной ядерной реакции деления, отличающийся тем, что в активную зону реактора, содержащую замедлитель, вакуумную магнитную ловушку для удержания плазмы из делящегося вещества и нейтронопоглощающие экраны, на время инициирования реакции вводят источник быстрых нейтронов, нейтроны которого замедляют до тепловых энергий и направляют в магнитную ловушку, затем делящееся вещество превращают в плазму, ускоряют и вводят в магнитную ловушку со скоростью, определяемой формулой

где С - скорость света, м/с;
Е_но - энергия покоя нейтрона, эВ;
Е_тн - энергия тепловых нейтронов, эВ;
Е_р - энергия резонансных нейтронов, эВ,
при этом обеспечивают значение энергии взаимного сближения тепловых нейтронов и движущихся ядер делящегося вещества, совпадающей с выбранной энергией его резонансного деления, а испускаемые при делении быстрые нейтроны направляют в замедлитель, после которого их, в виде тепловых нейтронов, возвращают в магнитную ловушку, осуществляя самоподдерживаемую цепную ядерную реакцию деления на выбранном резонансе, а для поддержания постоянства критической массы в активную зону непрерывно вводят делящееся вещество и удаляют продукты реакций, причем количество тепловых нейтронов, возвращаемых в магнитную ловушку, регулируют нейтронопоглощаемыми экранами.