СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ДЕЛЯЩЕГОСЯ ВЕЩЕСТВА Российский патент 2003 года по МПК G21C1/00 G21D1/00 G21G1/02 G21H1/00 

Изобретение относится к области производства энергии, в частности к производству электроэнергии, и может быть использовано для создания безопасной ядерной электроэнергетики нового типа.

Целью изобретения является создание безопасной ядерной энергетики, построенной на базе импульсного ядерного реактора деления и облучаемой мощными пучками тяжелых ионов от ускорителя-драйвера мишени, содержащей сжатое до высокой плотности делящееся вещество в количестве, достаточном для выделения энергии масштаба 1000 МДж.

Поставленная цель достигается увеличением плотности делящегося вещества в ≈400 раз. Так как при увеличении плотности делящегося вещества в σ раз критическая масса уменьшается в σ² раз, то при сжатии мишени из плутония (или тория) в ≈400 раз плотность плутония достигнет 8 кг•см^-3 и мишень, содержащая массу делящегося вещества ≈0,16 г, становится надкритической. В результате распада 30% от этого количества делящегося вещества во вспышке выделится энергия, примерно равная 4 ГДж, т.е. количество энергии, близкое к энергии, выделяемой при термоядерной вспышке в инерционном термоядерном синтезе.

Известны различные способы создания сильно сжатого вещества. Эффективность способа, используемого для сжатия вещества, характеризуется параметрами: удельная энергия и удельная мощность. При использовании химических веществ удельная энергия ≈10 кДж•г^-1, а удельная мощность ≈0,01 ТВатт/г, тогда как при использовании пучка тяжелых ионов от мощного ускорителя-драйвера (типа разработанного в ИТЭФ, описание которого содержится в публикации [1]) удельная энергия достигает ≈100 МДж/г, т.е. увеличивается на четыре порядка, а удельная мощность возрастает почти на шесть порядков, достигая 5000 ТВатт/г. Столь существенное улучшение параметров системы приводит к огромному различию в степени сжатия вещества. Если использование взрывчатых веществ позволяет получать объемное сжатие не более чем в ≈5 раз, то использование пучка тяжелых ионов от предложенного в ИТЭФ мощного ускорителя-драйвера позволяет получать объемное сжатие цилиндрических мишеней массой ≈1 г в ≈500 раз (линейное сжатие в ≈22 раза).

Так как в предлагаемом способе производства энергии используется то же топливо и те же реакции спонтанного деления ядерной материи, что и в обычном ядерном реакторе, то прототипом изобретения можно считать ядерный реактор деления, от которого оно радикально отличается методом реализации и техникой исполнения.

За прототип заявленного изобретения можно принять известное решение, описанное в патенте SU 608112 А1 (Объединенный институт ядерных исследований), 15.05.1978, в котором предложен способ получения атомной энергии, заключающийся в ускорении пучка частиц и возбуждении ими цепной реакции в блоке делящихся элементов, отличающийся тем, что с целью получения положительного энергетического баланса и расширенного воспроизводства делящихся материалов в качестве частиц используются атомные ядра с кинетической энергией выше 2 Гэв/нуклон. Общим признаком для заявленного изобретения и прототипа является извлечение энергии из делящегося вещества. Признаками, отличающими заявленное изобретение от прототипа, будут следующие: для уменьшения критической массы делящего вещества осуществляют сжатие делящего вещества с помощью пучка тяжелых ионов от мощного ускорителя-драйвера.

Достаточная для практического использования мощность установки создается за счет высокой частоты повторения ядерных вспышек. Так, при частоте повторения 4 Гц средняя тепловая мощность установки составит 16 ГВатт. При этом количество реакторов, облучаемых пучками от одного ускорителя-драйвера, определяется конструктивными особенностями первой стенки реакторной камеры. В случае максимальной частоты работы реакторной камеры 1 Гц один драйвер будет работать с 4 реакторными камерами.

Наряду с ускорителем тяжелых ионов - мощным драйвером в качестве стартера для увеличения начальной скорости развития цепной ядерной реакции деления возможно потребуется быстро (≤0,1 нсек) ввести в мишень небольшое (≈10¹⁰) количество нейтронов. Для создания такого потока нейтронов можно использовать вспомогательный линейный ускоритель протонов на энергию 500÷600 МэВ с импульсным током ≈0,1А при длительности импульса тока ≈30 нсек и частоте 4 Гц. Использование такого маломощного (в среднем) вспомогательного ускорителя, очевидно, не ухудшит энергетических параметров установки, но потребует осуществления на выходе из ускорителя сокращения длительности пучка в ≈300 раз при одновременном увеличении протонного тока до ≈30 А.

Воспроизводство ядерного топлива достигается облучением оболочки мишени, состоящей из естественного урана, нейтронами от ядерной вспышки.

Преимуществами предлагаемого способа извлечения энергии из делящегося вещества с помощью импульсного реактора деления по сравнению с используемыми методами производства энергии на существующих ядерных реакторах являются:
* Полная безопасность, так как использование взрывающейся мишени полностью исключает развитие разгонной аварии реактора.

* Экологическая чистота, так как в отличие от обычного стационарного ядерного реактора деления в рассматриваемом реакторе возможно непрерывное удаление из установки нарабатываемых в ней долгоживущих радиоактивных изотопов, что значительно упрощает решение проблемы радиоактивных отходов, снижая тем самым опасность радиационного загрязнения окружающей среды.

* Простой и безопасный способ наработки нового количества ядерного топлива облучением оболочки мишеней из естественного урана U²³⁸ нейтронным потоком от ядерной вспышки.

Преимущества предлагаемого способа извлечения энергии из делящегося вещества с помощью импульсного реактора деления по сравнению с энергетикой инерциального термоядерного синтеза заключаются:
* В отказе от использования DT топлива, что значительно упрощает реализацию метода из-за отсутствия трудновыполнимого условия нагрева топлива до высоких температур, при которых начинается термоядерное горение.

* В отсутствии необходимости работать с экологически опасным веществом - тритием.

Источник информации
1. Кошкарев Д.Г., Чуразов М.Д. Инерционный термоядерный синтез на базе тяжелоионного ускорителя-драйвера и цилиндрической мишени. Атомная энергия, т.91, вып.1, июль 2001, стр. 47-54.

Изобретение относится к области производства энергии, в частности к производству электроэнергии, и может быть использовано для создания безопасной ядерной электроэнергетики нового типа. Способ включает осуществление сжатия делящегося вещества ионным пучком от ускорителя-драйвера для уменьшения критической массы вещества. Технический результат: обеспечение безопасности, экологической чистоты и отказа от использования дейтерий-тритиевого топлива, что упрощает реализацию способа.

Способ извлечения ядерной энергии из делящегося вещества, отличающийся тем, что ионным пучком от ускорителя-драйвера осуществляют сжатие делящегося вещества для уменьшения его критической массы.