СПОСОБ И КОМПЛЕКС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ Российский патент 2011 года по МПК G21C1/30 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к технологии и устройствам преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, предназначенную для использования в энергетических установках.

Известны способы преобразования ядерной энергии в тепловую, использующие в качестве топлива элементы тяжелее радия, в которых делят ядра топлива тепловыми нейтронами либо нейтронами делительного спектра от деления ядер топлива в реакторе. Нейтроны делительного спектра (энергия 1-10 МэВ, средняя энергия 2 МэВ) используют в реакторах на быстрых нейтронах, в которых они непосредственно делят ядра урана-238. Тепловые нейтроны (средняя энергия 0.025 эВ) получают из нейтронов делительного спектра, используя замедлители нейтронов, размещаемые совместно с топливом, обогащенным изотопом урана-235. Краткая энциклопедия "Атомная энергия", ответственный редактор B.C.Емельянов, Государственное научное издательство "БСЭ", 1958 г., с.541-545.

Недостатки известных способов преобразования ядерной энергии в тепловую: использование обогащенного 235 или 233 изотопами урана или 239 изотопом плутония топлива для деления ядер 238 урана и 232 тория нейтронов тепловой энергии и нейтронов делительного спектра; наличие запаса положительной реактивности активной зоны реактора; производство «бомбовых» ядерных материалов урана-233, урана-235, плутония-239; наработка долгоживущих радиоактивных изотопов-отходов; частая перезагрузка реактора - освобождение от отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и загрузка свежим топливом; производство веществ, привлекательных для «ядерных террористов»; превращение более 95% ядерного топлива, загружаемого в реактор, в радиоактивное отработавшее ядерное топливо (в ОЯТ).

Известен способ выработки энергии из ядерного топлива, заключающийся в возбуждении ядерных каскадных процессов релятивистским пучком протонов, направляемых в активную зону реактора (мишень). Патент Российской Федерации №2178209, МПК G21С 1/00, 2000. Пучок частиц высокой энергии направляют в камеру для производства нейтронов высокой энергии. Полученные нейтроны размножают в докритических условиях с помощью процесса деления и воспроизводства, который осуществляют внутри реактора.

Технология, реализуемая в виде комплекса реактор + ускоритель, известна под аббревиатурой ADS - Accelerator Driven System - управляемые с помощью пучка реакторы. В целом программа создания реакторов по такой технологии называется "Generation IV" - реакторы 4 поколения. В этой программе предполагают использовать сильноточные (100 и более мА) линейные (прямолинейные - расположенные на одной линии километровой длины) ускорители протонов. Generation IV Nuclear Energy Systems Ten-Year Program Plan, Fiscal Year 2005, US DOE ONEST, March 2003; A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems, Executive Summary, US DOE NERAC, GIF-001-00, March 2003.

Для ускорения ионов тяжелых элементов до высоких энергий (более 50 МэВ/нуклон) используют лишь циклические слаботочные ускорители - синхротроны (кольцевой ускоритель НУКЛОТРОН, ОИЯИ или проектируемые NIKA ОИЯИ - комплексы связанных между собой кольцевых ускорителей). Интенсивность ускоренного пучка при этом не превышает 0.01 мкА.

Прототипом изобретения является способ преобразования ядерной энергии в тепловую, заключающийся в возбуждении ядерных каскадных процессов релятивистским пучком протонов, направляемых в активную зону реактора на мишень, в качестве мишени для производства нейтронов используют топливо активной зоны реактора. В топливе имеются тяжелые ядра, дающие положительный энергетический выход при реакции деления, при этом энергия протонов удовлетворяет условию достаточности для производства вторичных частиц реакции протон - тяжелое ядро, средняя энергия которых превышает 14 МэВ. В качестве топлива используют торий, уран-238, висмут, свинец или композиции этих веществ. Патент Российской Федерации №2238597, МПК G21С 1/00, 2000.

Способ требует применения сильноточного протонного ускорителя на энергию 10-50 ГэВ. Использование протонов с энергией 10-50 ГэВ вызывает образование (рождение) пионов (пи-мезонов), каонов (К-мезонов), гамма-частиц и электронно-позитронных пар, на что расходуется до 40% энергии первичного протона. «Энергетическая стоимость» нейтрона возрастает.

Ток ускорителя - единицы и десятки миллиампер и энергия протонов 10-50 ГэВ - усложняют и удорожают реализацию способа, изложенного в прототипе.

Протон в первом акте (1 стадии) внутриядерных столкновений трансформирует свою энергию в «рождение» - выбивание из ядра топлива 40-60 высокоэнергетических нуклонов (с энергией по 200-800 МэВ/нуклон), а на следующей стадии - в «рождение» 200-400 нуклонов (с энергией 30-200 МэВ/нуклон) и растрачивает значительную часть своей энергии на рождение сопутствующих частиц.

Минимальная «энергетическая стоимость рождения нейтрона» при взаимодействии протона со свинцовой мишенью соответствует 1-3 ГэВ энергии протона. A.M.Козодаев, Н.В.Лазарев, О.В.Шведов «Ускорители-драйверы электроядерных установок», Письма в ЭЧАЯ, 2004, №3 [120].

Задачей изобретения является разработка экономичного способа преобразования ядерной энергии в тепловую, при котором в качестве топлива можно использовать ОЯТ - отработавшее ядерное топливо и перерабатывать высокоактивные долгоживущие ядерные отходы.

Изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретений является увеличение времени работы реактора без перегрузки топлива, снижение радиационной нагрузки на окружающую среду, использование в качестве топлива ОЯТ, утилизация отходов ядерного топлива и улучшение экологии, упрощение и удешевление процесса получения ядерной энергии и уменьшение стоимости комплекса реактор-ускоритель.

Технический результат достигается тем, что в способе преобразования ядерной энергии в тепловую, заключающемся в возбуждении ядерных каскадных процессов пучком заряженных частиц, направляемых на мишень в активную зону реактора, выполненную из веществ с тяжелыми ядрами и/или композиции этих веществ, получают и ускоряют высокозарядные ионы тяжелых элементов по двумерным или трехмерным пространственным линиям, а для рождения каскадных нуклонов в активную зону реактора вводят отработавшее ядерное топливо или используют отработавшее ядерное топливо в качестве активной зоны самостоятельно. В качестве ионов тяжелых элементов используют ионы урана, тория, висмута, свинца.

В комплексе преобразования ядерной энергии в тепловую, содержащем подкритический реактор и ускоритель, в активную зону подкритического реактора дополнительно или самостоятельно введено отработавшее ядерное топливо, установлен многосекционный ускоритель высокозарядных тяжелых ионов, линейные ускоряющие секции которого размещены по двумерным или трехмерным пространственным линиям, линейные структуры комплекса соединены магнитными узлами поворота пучка, выполненными в соответствии с требованием равенства текущего значения импульса иона р=m₀γv жесткости магнитной системы ZBR, где р - импульс ускоряемого иона в данном магнитном узле поворота пучка, m₀ - масса покоя иона, γ - релятивистский фактор, v - скорость иона, Z - заряд иона, В - значение индукции магнитного поля, R - радиус поворота в данном узле поворота пучка.

Сущность изобретения схематично представлена на чертеже, где 1 - источник высокозарядных ионов; 2 - инжектор; 3 - группирователь; 4_i - низкочастотные ускоряющие секции (4₁-4_k), где i - 1, 2, …k - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 5_i - фокусирующие системы низкочастотного блока секций (5₁-5_k), где i - 1, 2, …k - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 6 - узел поворота пучка низкой энергии; 7_i - ускоряющие секции промежуточной энергии (7₁-7_n), где i - 1, 2, …n - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 8_i - фокусирующие системы блока промежуточной частоты (8₁-8_n), где i - 1, 2, …n - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 9 - узел поворота пучка промежуточной энергии; 10_i - ускоряющие секции высокой частоты (10₁-10_m), где i - 1, 2, …m - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 11_i - фокусирующие системы блока секций высокой частоты (11₁-11_m), где i - 1, 2, …m - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 12 - узел поворота пучка и ввода пучка в реактор; 13-14 - выводы из ячеек ускоряющих секций ВЧ-мощности половинного уровня по сравнению с уровнем вводимой ВЧ-мощности, принимаемой за единицу; 15 - сумматор ВЧ-мощности; 16 - ввод ВЧ-мощности в ускоряющие секции; 17 - ядерный подкритический реактор; 18 - реакторный контур теплосъема; 19 - пучок высокозарядных ионов; 20 - топливо в реакторе и/или ОЯТ (мишень). Количество ячеек в ускоряющих секциях 4_i, 7_i, 10_i выбирают, исходя из требования достижения конечной энергии пучка высокозарядных ионов 19.

Рассмотрим работу комплекса: ядерный подкритический реактор 17 - ускоритель при реализации способа преобразования ядерной энергии в тепловую энергию.

В источнике высокозарядных ионов 1 газообразные пары тяжелого металла, ионизируют электронным пучком, приложенной к инжектору 2 электростатической разностью потенциалов. Пучок высокозарядных ионов 19 с зарядностью от 20+ до 40+ получают в источнике высокозарядных ионов 1 путем обдирки с атомов электронов электронным пучком или с использованием явления ECR - электронного циклотронного резонанса. Через высокочастотный группирователь 3 пучок высокозарядных ионов 19 направляют в первую ячейку 4₁. В ускоряющих секциях 4_i, 7_i, 10_i для предотвращения попадания ускоряемых ионов на стенки секций предусмотрены фокусирующие системы, выполненные, например, в виде магнитных соленоидов (5₁-5_k), (8₁-8_n), (11₁-11_m). В источнике высокозарядных ионов 1, например ионов урана, производят ионизацию паров тяжелого металла, например, до зарядности 30+ и более, прикладывают к электростатической ускоряющей трубке (на чертеже не показан) и источнику высокозарядных ионов 1 положительную разность потенциалов порядка 600 кВ. Полученные высокозарядные ионы тяжелого элемента, например урана-238, содержащего сразу 238 нуклонов, последовательно ускоряют до 60-2000 МэВ/нуклон.

Пучок высокозарядных ионов 19 из источника высокозарядных ионов 1 направляют в низкочастотные ускоряющие структуры 4_i, воздействуют на них продольным компонентом ВЧ-поля с частотой 150-200 МГц. При этом в магнитных полях рассеяния фокусирующей системы 5_i ускоряющей структуры 4_i инжектируемый пучок высокозарядных ионов 19 сжимают в поперечном направлении до диаметра, меньшего по сравнению с проходным отверстием в группирователе 3 и в ускоряющих секциях 4_i.

Пучок высокозарядных ионов 19 ускоряют до энергии инжекции. Через высокочастотный группирователь 3 пучок высокозарядных ионов 19 направляют в первую ячейку 4_i ускоряющей секции 4_i.

В конечную секцию 4_k, расположенную напротив инжектора 2, направляют поток ВЧ-мощности навстречу пучку ускоряемых высокозарядных ионов 19. Продольные размеры каждой из ячеек ускоряющей секции 4_i увеличены вдоль секции в соответствии с синхронизмом скорости ускоряемых ионов со скоростью обратной пространственной гармоники ВЧ-поля.

В группирователе 3 продольным компонентом ВЧ-поля модулируют по скорости инжектируемый пучок высокозарядных ионов. После достижения пучком высокозарядных ионов 19 энергии 3-10 МэВ/нуклон пучок высокозарядных ионов 19 направляют с помощью узла поворота пучка низкой энергии 6 в секции промежуточных энергий 7_i, а затем с помощью узла поворота пучка промежуточной энергии 9 направляют в высокоэнергетические секции 10_i.

Частоту питания в первой ячейке 4_i и в последующих ячейках секции 4_i выбирают в пределах 150 МГц и ускоряют пучок высокозарядных ионов 19 до энергии, достаточной для перевода в секции 7_i повышенной (удвоенной или утроенной) частоты 300-450 МГц.

Регулированием величины ускоряемого тока пучка высокозарядных ионов 19 (изменяя длительность и/или частоту следования импульсов или тока источника ионов) управляют величиной числа делений в топливе реактора 20 (мишени), что ведет к изменению величины тепловой мощности реактора и связанной с ней мощности вырабатываемой электроэнергии.

Ускоряют пучок высокозарядных ионов 19 до энергии порядка 20 кэВ/нуклон в электростатическом инжекторе и направляют в высокочастотный группирователь 3, запитываемый ВЧ-мощностью на той же частоте, что и первая секция 4₁ (150 МГц). На этой частоте запитывают еще ряд последовательно соединенных с ней секций 4_i, ускоряя пучок высокозарядных ионов 19 до энергии до 3-10 МэВ/нуклон.

Затем пучок высокозарядных ионов 19 направляют в секции промежуточного значения энергий 7_i. В низкоэнергетической части ускорителя расположены ускоряющие структуры и источники низкочастотных колебаний - порядка 150 МГц. В них ускоряют высокозарядные ионы до 3-10 МэВ/нуклон, в промежуточной части ускорителя ионы ускоряют на удвоенной или утроенной частоте - 300-450 МГц (до 50-200 МэВ/нуклон), а в высокоэнергетической части на 4 или 9 гармонике до 600-1350 МГц и до 60-1000 МэВ/нуклон. ВЧ-питание секции промежуточного значения энергий 7_i осуществляют на удвоенной или утроенной частоте относительно значения частоты ВЧ-питания в инжекционной и начальных ячейках секции 4_i (300 или 450 МГц). В секциях промежуточных энергий 7₁-7_n ионы ускоряют до значения энергии 50-200 МэВ/нуклон и вводят их в ускоряющие секции 10₁-10_m, с частотой 600-1350 МГц, в которых высокозарядные ионы ускоряют до энергии 60-2000 МэВ/нуклон. На промежуточной энергии может быть использован стриппер (на чертеже не показан) для дообдирки ускоряемого иона (повышение зарядности иона ведет к увеличению темпа ускорения и к уменьшению величины индукции магнитного поля, фокусирующего ускоряемый пучок высокозарядных ионов).

При достижении пучком высокозарядных ионов 19 значений энергии свыше 300-1000 МэВ/нуклон удваивают или утраивают значение ускоряющего ВЧ-поля (используют 8-ю или 27-ю гармонику от 150 МГц).

Для увеличения коэффициента полезного действия - доли ВЧ-мощности, идущей на увеличение кинетической энергии пучка ускоряемого высокозарядных ионов 19, на ВЧ-вводы 16 ускоряющих секций 10_i подают ВЧ-мощность единичного уровня мощности, а с двух ВЧ-выводов 13, 14 ячеек ускоряющих секций 10_i извлекают ВЧ-мощности половинного уровня мощности, которые направляют в ВЧ-сумматор 15, с выхода которого сложившиеся две ВЧ-мощности половинного (от величины единичной входной мощности) уровня падают на ВЧ-вход следующей ускоряющей секции. Таким образом, уменьшается вдвое число ВЧ-источников питания ускорителя (т.е. одну секцию подсоединяют к ВЧ-клистрону, а другую - к сумматору 15, осуществляя тем самым питание половины секций ускорителя от активных источников ВЧ-мощности СВЧ-усилителей-клистронов, в то время как другую часть ускоряющих секций 10_i питают от пассивных источников - от сумматоров 15).

Пучок ускоренных высокозарядных ионов 19 направляют в активную зону реактора 17 через узел ввода пучка в реактор 12, выполненный, например, в виде секторного магнита. Пучок ускоренных высокозарядных ионов 19 взаимодействует с топливом в реакторе 20 и разваливается на 238 (уран) нуклонов со значением средней энергии порядка половины от энергии вводимого ускоренного иона (т.е. сотен МэВ на каждый нуклон).

Полученные каскадные нуклоны трансформируют свою энергию в рождение нового поколения нуклонов с меньшей энергией, которые в свою очередь рождают следующее поколение нуклонов и так до того момента, когда энергия нуклонов «разменяется» до значения чуть больше или порядка 1 МэВ. Процесс размножения нуклонов сопровождается вынужденным от воздействия высокоэнергетических нуклонов делением ядер топлива реактора 20 и соответствующим (200 МэВ/деление) выделением тепловой энергии в топливе реактора 20, которую «снимают» в реакторном контуре теплосъема 18.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к технологии и устройствам преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, предназначенную для использования в энергетических установках. Способ преобразования ядерной энергии в тепловую заключается в возбуждении ядерных каскадных процессов пучком заряженных частиц, направляемых в активную зону реактора из веществ с тяжелыми ядрами и/или композиции этих веществ. При этом получают и ускоряют высокозарядные ионы тяжелых элементов урана, или тория, или висмута, или свинца по двумерным или трехмерным пространственным линиям. Для рождения каскадных нуклонов в активную зону реактора вводят отработавшее ядерное топливо или используют отработавшее ядерное топливо в качестве активной зоны самостоятельно. Комплекс преобразования ядерной энергии в тепловую содержит подкритический реактор и многосекционный ускоритель высокозарядных тяжелых ионов элементов урана, или тория, или висмута, или свинца. Линейные ускоряющие секции ускорителя размещены по двумерным или трехмерным пространственным линиям и соединены магнитными узлами поворота пучка, выполненными в соответствии с требованием равенства текущего значения импульса иона жесткости магнитной системы. Узел ввода пучка в реактор выполнен в виде секторного магнита. Изобретение позволяет увеличить время работы реактора без перегрузки топлива, снизить радиационной нагрузки на окружающую среду, утилизировать отходы ядерного топлива, упростить и удешевить процесс получения энергии. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования ядерной энергии в тепловую, заключающийся в возбуждении ядерных каскадных процессов пучком заряженных частиц, направляемых в активную зону реактора, выполненную из веществ с тяжелыми ядрами и/или композиции этих веществ, отличающийся тем, что получают и ускоряют высокозарядные ионы тяжелых элементов урана, или тория, или висмута, или свинца по двумерным или трехмерным пространственным линиям, для рождения каскадных нуклонов в активную зону реактора вводят отработавшее ядерное топливо или используют отработавшее ядерное топливо в качестве активной зоны самостоятельно.

2. Комплекс преобразования ядерной энергии в тепловую, содержащий подкритический реактор и ускоритель, отличающийся тем, что в активную зону подкритического реактора дополнительно или самостоятельно введено отработавшее ядерное топливо, установлен многосекционный ускоритель высокозарядных тяжелых ионов элементов урана, или тория, или висмута, или свинца, линейные ускоряющие секции которого размещены по двумерным или трехмерным пространственным линиям, линейные структуры комплекса соединены магнитными узлами поворота пучка, выполненными в соответствии с требованием равенства текущего значения импульса иона p=m₀γv жесткости магнитной системы ZBR, где р - импульс ускоряемого иона в данном магнитном узле поворота пучка, m₀ - масса покоя иона, γ - релятивистский фактор, v - скорость иона, Z - заряд иона, В - значение индукции магнитного поля, R - радиус поворота в данном узле поворота пучка, а узел ввода пучка в реактор выполнен в виде секторного магнита.