СИСТЕМА ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА, СПОСОБ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА, СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ДОЛГОЖИВУЩИХ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ ПРИ ТРАНСМУТАЦИИ НУКЛИДОВ И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДОЛГОЖИВУЩИХ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ ПРИ ТРАНСМУТАЦИИ НУКЛИДОВ Российский патент 2021 года по МПК C21B3/00 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к системе ядерного синтеза, способу ядерного синтеза, системе обработки долгоживущих продуктов деления для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов и способу обработки долгоживущих продуктов деления для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов путем использования мюон-катализируемого ядерного синтеза.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Обычным путем, в качестве системы ядерного синтеза был изучен магнитно-термоядерный синтез, вызываемый ограничением магнитного поля высокотемпературной плазмой (например, непатентный документ № 1).

[0003] В качестве системы ядерного синтеза по другой схеме был предложен способ с использованием мюон-катализируемого ядерного синтеза.

[0004] При мюон-катализируемом синтезе используется мюон (μ^-), имеющий массу в 207 раз большую, чем у электрона, и отрицательный заряд. При облучении отрицательным мюоном дейтерия или дейтерия, смешанного с тритием, такие отрицательные мюоны заставляют ядра притягивать друг друга, образуя мюонную молекулу. Отрицательный мюон имеет тот же заряд, что и электрон, но его масса примерно в 200 раз больше массы электрона, и поэтому радиус орбиты мюона в связанном состоянии составляет примерно 1/200 радиуса орбиты электрона. В результате, если предположить, что электрон заменен отрицательным мюоном, ядрам будет легче приближаться друг к другу, и поэтому между ними, вероятно, произойдет ядерный синтез. Отрицательный мюон мог бы многократно участвовать в такой ядерной реакции до тех пор, пока он не аннигилирует в результате воздействия отрицательного мюона подобно катализатору.

[0005] Был предложен реактор для мюон-катализируемого ядерного синтеза, например, в Патентном документе № 1, а способ, использующий мюон-катализируемый ядерный синтез для источника нейтронов, был предложен, например, в Патентном документе № 2.

[0006] С другой стороны, в качестве способа обработки радиоактивных отходов с высоким уровнем активности было проведено исследование по вопросу остекловывания таких отходов и последующего захоронения остеклованных отходов в пластах; однако остаются такие проблемы, как трудности с получением представления о том, какие пласты мест размещения отходов должны быть выбраны. Кроме того, был также отмечен этический вопрос, связанный с оставлением за пределами археологической эпохи веществ, период полураспада которых дольше продолжительности жизни любых видов, появившихся в эпоху от рождения обезьяноподобных людей до появления современных людей, или других веществ, такие как ДЖПД (долгоживущие продукты деления), период полураспада которых составляет, например, миллионы лет.

[0007] Таким образом, была изучена технология трансмутации нуклидов ДЖПД с целью сокращения периода их полураспада или трансмутации ДЖПД в стабильный изотоп.

[0008] Трансмутация нуклидов ДЖПД осуществляется путем облучения ДЖПД нейтронами высокой интенсивности. Источник нейтронов такой высокой интенсивности может быть получен в результате реакции управляемого термоядерного синтеза с использованием плазмы, реакции деления трансурановых элементов и др.

[0009] Однако для получения необходимого количества нейтронов (например, 10¹⁷ частиц/с и более) для обработки ДЖПД реакцией управляемого термоядерного синтеза с использованием плазмы требуется установка, по меньшей мере, такой же мощности, как Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР), и в дальнейшем для сокращения времени обработки требуется модификация установки с целью достижения более высокой плотности потока нейтронов.

[0010] (Документы предшествующего уровня техники)

(Непатентные документы)

Непатентный документ 1: "Введение в ядерный синтез - удержание высокотемпературной плазмы", авторы - Сёити Ёсикава и Ацуо Иёси (1972 г.), публикация компания Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.

[0011] (Патентные документы)

Патентный документ 1: Открытая публикация японской патентной заявки № 2016-114370.

Патентный документ 2: Открытая публикация японской патентной заявки № H07-239397.

[0012] (Проблемы, которые необходимо решить)

При обычном магнитном синтезе за счет использования полностью ионизированной сверхвысокотемпературной плазмы в тепловом равновесии сечение ядерной реакции составляет от 1 до 5 барнов. Когда таким образом используется система ядерной реакции, которая вряд ли произойдет, требуется относительная кинетическая энергия дейтерия-трития, достигающая 30-100 КэВ. Следовательно, для создания высокотемпературной плазмы, удерживаемой в вакууме в течение одной секунды или более, необходима генерирующая магнитное поле установка огромной мощности, с вакуумной камерой и т.п. Кроме того, необходимо получать высокую энергию, выделяемую при реакции синтеза, во время охлаждения соответствующего устройства. При магнитно-ядерном синтезе необходимо применять установку большей мощности с использованием определенного способа охлаждения солевого расплава и т.п.

[0013] При мюон-катализируемом ядерном синтезе, раскрытом в патентных документах № 1, 2 и т.п., был предложен способ использования дейтерия (обозначенного символом "d" или "D") и трития (обозначенного символом "t" или "T") в криогенной твердой или жидкой фазе в качестве мишени для облучения мюонами; основные эксперименты были проведены с помощью такого способа. Также был предложен способ, предусматривающий использование мюонной мишени в газовой фазе с газовой смесью высокого давления, равного примерно 150 атм, в цилиндрической камере. Согласно этим способам мюонные частицы с высокой плотностью энергии вводятся в мишень с высокой плотностью, имеющую малый объем, и, таким образом, пара D/Т подвергается DT-реакции синтеза внутри мишени, что приводит к неблагоприятному испарению или быстрому расширению мишени за очень короткий период времени. Удалить тепло из криогенного состояния было чрезвычайно трудно, и по этой причине мюонная мишень в таком состоянии едва ли служила каким-либо практическим источником энергии. Кроме того, мюонная мишень, в которой газ удерживается под высоким давлением, накладывает жесткие ограничения на соответствующее устройство.

[0014] Авторы настоящего изобретения обратили внимание на мюонную ядерную реакцию следующим образом.

[0015] В мюонной ядерной реакции на основе приведенной ниже установленной волновой функции было получено решение для динамических характеристик реакции, происходящей при сближении пары ядер, когда расстояние между ними становится практически равным радиусу мюонного атома.

[0016]

[0017] Третий член правосторонней расширенной функции соответствует "рекомбинации к неадиабатическому + каналу ядерной реакции" мюонной молекулы. Уравнение динамических характеристик было решено методом гауссовского разложения функций в указанную функцию, а результаты, полученные решениями, показаны на ФИГ. 4.

[0018] На ФИГ. 4 показана связь между: сечением реакции ядерного синтеза, представленным коэффициентом, пропорциональным вероятности возникновения реакции ядерного синтеза, а также кинетической энергией, которая коррелирует с относительной скоростью ядер, задействованной в реакциях ядерного синтеза. Вертикальная ось представляет сечение реакции ядерного синтеза, а горизонтальная ось - кинетическую энергию.

[0019] В настоящее время в магнитно-термоядерном синтезе, как главном направлении исследований и разработок, используется реакция ядерного синтеза (тепловая t - d) между голыми ядрами d⁺ и t⁺. Каждая из двух линий в левой части ФИГ. 4 указывает на возможное сечение ядерной реакции термоядерного синтеза в предположении, что электрон, вращающийся вокруг ядра, заменяется другим лептоном (элементарной частицей), называемым отрицательным мюоном, имеющим массу в 207 раз большую, чем у электрона.

[0020] В дейтерии и мюонном тритии (tμ - d) при температуре, соответствующей 1,4 кэВ при плотности 10²¹ см^-3, происходит реакция ядерного синтеза между атомом мюонного трития (tμ) и ионами дейтерия (d), а сечение его реакции составляет 2000 барнов (1 барн - 10^-24 см²), что на два порядка больше, чем 50 барнов при 100 кэВ при обычном ядерном синтезе между ядрами дейтерия-трития d и t. Сечение реакции ядерного синтеза в этом случае больше сечения реакции ядерного синтеза, вызванной столкновением между dμ и d.

[0021] Радиус мюонного атома в основном состоянии уменьшается примерно до 1/200 радиуса атома в основном состоянии. Когда атомы мюонного трития и ионы дейтерия (голые ядра), как описано выше, находятся в полете, приближаясь друг к другу, в волновой функции появляется резонансное состояние, и, следовательно, скорость реакции ядерного синтеза увеличивается. Такая реакция ядерного синтеза позиционируется в новом реакционном поле, расположенном между: низкотемпературным ядерным синтезом, порожденным резонансным состоянием, происходящим в мюонной молекуле, созданной мюонами, введенными в твердо-/жидкофазном водороде со сверхнизкой температурой со значительно низким атомным моментом; и высокотемпературным плазменно-термоядерным синтезом, порожденным высокоскоростными ионами, сталкивающимися друг с другом. Эта уникально развивающаяся реакция синтеза называется отрицательным мюонным катализируемым ядерным синтезом в полете (In-Flight Muon Catalyzed Fusion: IFMCF).

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] (Средства решения проблем)

Одной из задач настоящего изобретения является создание системы ядерного синтеза и способа ядерного синтеза, способного реализовать отрицательный мюонный катализируемый ядерный синтез в полете, освобожденный от каких-либо жестких ограничений для устройства, необходимого для удержания и охлаждения мишени.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании системы обработки долгоживущих продуктов деления (ДЖПД) для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов и способа обработки долгоживущих продуктов деления (ДЖПД) для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов, способных эффективно облучать ДЖПД нейтронами, образующимися при использовании системы термоядерного синтеза и способа термоядерного синтеза, соответственно, чтобы ДЖПД подверглись преобразованию в нуклид.

[0023] Для решения вышеуказанной задачи в первом аспекте настоящего изобретения в качестве технического средства используется система ядерного синтеза, содержащая: мюонный генератор, выполненный с возможностью образования отрицательных мюонов; блок подачи газа, выполненный с возможностью циркуляции и подачи газообразного дейтерия или газообразной смеси дейтерия и трития в качестве сырьевого газа для ядерной реакции ядерного синтеза; сопло Лаваля, выполненное с возможностью ускорения подачи сырьевого газа из блока подачи газа до такой степени, чтобы сырьевой газ двигался со сверхзвуковой скоростью, причем сопло Лаваля включает в себя часть регулирования потока, соединенную с блоком подачи газа и выполненную таким образом, что в ней обеспечено замедление образованных в ней отрицательных мюонов, и реакционную часть, расположенную на стороне ниже по потоку относительно части регулирования потока и выполненную с возможностью обеспечения протекания в ней реакции ядерного синтеза, при этом в реакционной части расположен генератор ударных волн, выполненный с возможностью столкновения с сырьевым газом, ускоренным до сверхзвуковой скорости, с образованием при этом косой ударной волны, причем обеспечено ускорение сырьевого газа, поступающего из блока подачи газа в сопло Лаваля, соплом Лаваля до сверхзвуковой скорости для обеспечения сталкивания с генератором ударной волны, причем обеспечено образование косой ударной волны в результате столкновения с генератором ударных волн и побуждение ее к схождению на центральной оси сопла Лаваля, что обеспечивает сохранение газовой мишени высокой плотности в газовой фазе, и при этом обеспечено введение отрицательных мюонов, образованных мюонным генератором в сохраненную газовую мишень высокой плотности, что вызывает реакцию ядерного синтеза.

[0024] Во втором аспекте настоящего изобретения в качестве технического средства используется система ядерного синтеза по первому аспекту настоящего изобретения, также содержащая: блок запуска ядерного синтеза, выполненный с возможностью ввода начальной энергии для запуска реакции ядерного синтеза в газовой мишени высокой плотности.

[0025] В третьем аспекте настоящего изобретения в качестве технического средства используется система обработки долгоживущих продуктов деления для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов с использованием системы ядерного синтеза по первому или второму аспекту настоящего изобретения, содержащая: блок обработки долгоживущих продуктов деления, выполненный таким образом, чтобы долгоживущий продукт деления окружал газовую мишень высокой плотности, причем обеспечено введение нейтронов, образованных в результате реакции ядерного синтеза в газовой мишени высокой плотности, в долгоживущий продукт деления, так что долгоживущий продукт деления подвергается трансмутации нуклидов с сокращением таким образом периода его полураспада.

[0026] В четвертом аспекте настоящего изобретения в качестве технического средства используется способ термоядерного синтеза, включающий следующие этапы: обеспечение сопла Лаваля и генератора ударных волн, расположенного внутри сопла Лаваля, для образования косой ударной волны; ускорение газообразного дейтерия или газообразной смеси дейтерия с тритием в качестве сырьевого газа для реакции ядерного синтеза до такой степени, чтобы сырьевой газ двигался со сверхзвуковой скоростью; образование косой ударной волны в результате столкновения ускоренного сырьевого газа и генератора ударной волны и побуждение косой ударной волны к схождению на центральной оси сопла Лаваля, что позволяет сохранять газовую мишень высокой плотности в газовой фазе; а также введение отрицательных мюонов в газовую мишень высокой плотности с запуском таким образом реакции ядерного синтеза.

[0027] В пятом аспекте настоящего изобретения в качестве технического средства используется способ обработки долгоживущих продуктов деления для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов, включающий следующие этапы: введение нейтронов, образованных согласно способу ядерного синтеза по четвертому аспекту настоящего изобретения, в долгоживущий продукт деления, расположенный таким образом, чтобы окружить зону реакции ядерного синтеза, чтобы долгоживущий продукт деления подвергся трансмутации нуклидов с сокращением тем самым периода полураспада.

[0028] (Полезный эффект изобретения)

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, газовая мишень высокой плотности может быть удержана при воздействии ударной волны, образованной в сверхзвуковом потоке, в газовой фазе в качестве зоны ядерного синтеза, а конфигурация такой газовой мишени может охлаждаться высокоскоростным потоком. Таким образом, инженерные ограничения, такие как охлаждение, налагаемые на устройство, можно ослабить, высокоплотную газовую мишень можно стабильно поддерживать в качестве зоны ядерной реакции без использования каких-либо крупногабаритных и сложных устройств, способных реализовать отрицательный мюонный катализируемый ядерный синтез в полете.

[0029] В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, начальная энергия для запуска реакции ядерного синтеза может быть подведена в газовую мишень высокой плотности с помощью блока запуска ядерного синтеза.

[0030] Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, долгоживущий продукт деления (ДЖПД) можно эффективно облучить нейтронами, образовавшимися в результате мюон-катализируемого ядерного синтеза, чтобы подвергнуть его трансмутации нуклидов, и, таким образом, сократить период его полураспада.

[0031] Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, газовая мишень высокой плотности может быть удержана, при воздействии ударной волны, образуемой в сверхзвуковом потоке, в газовой фазе в качестве зоны ядерного синтеза, а конфигурация такой газовой мишени может охлаждаться высокоскоростным потоком. Таким образом, инженерные ограничения, такие как охлаждение, налагаемые на устройство, можно ослабить, газовую мишень высокой плотности можно стабильно поддерживать в качестве зоны ядерной реакции без использования каких-либо крупногабаритных и сложных устройств, что может привести к возникновению реакции ядерного синтеза.

[0032] Согласно пятому аспекту настоящего изобретения, долгоживущий продукт деления (ДЖПД) можно эффективно облучить нейтронами, образовавшимися в результате мюон-катализируемого ядерного синтеза, чтобы подвергнуть его трансмутации нуклидов, и, таким образом, сократить период его полураспада.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0033] На ФИГ. 1 схематично изображена конфигурация системы ядерного синтеза и системы обработки долгоживущего продукта деления для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов, где (A) - вид в перспективе, схематически показывающий основную конфигурацию системы, а (B) - вид в плане, схематически показывающий конфигурацию системы, включая вспомогательные установки и т.п.

На ФИГ. 2 схематически показан способ сохранения газовой цели.

На ФИГ. 3 отображен пояснительный вид, поясняющий эффект сокращения периода эффективного полураспада ДЖПД.

На ФИГ. 4 отображен пояснительный вид, показывающий связь между: сечением реакции ядерного синтеза, представленным коэффициентом, пропорциональным вероятности возникновения реакции ядерного синтеза, а также кинетической энергией ядер, задействованных в реакции ядерного синтеза.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0034] [КОНФИГУРАЦИЯ СИСТЕМЫ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА]

Система (S) ядерного синтеза в соответствии с настоящим изобретением будет описана со ссылкой на ФИГ. 1.

[0035] Как показано в п. (A) на ФИГ. 1, система (S) ядерного синтеза включает: мюонный генератор 1; блок 2 подачи газа; сопло 3 Лаваля; генератор 4 ударной волны; диффузионную трубку 5 и блок 6 запуска ядерного синтеза.

[0036] Мюонный генератор 1 выполнен с возможностью образования мюонов, необходимых для мюон-катализированной реакции ядерного синтеза, чтобы ввести такие образованные мюоны в сопло 3 Лаваля.

Точнее говоря, мюонный генератор 1 включает в себя: ускоритель 10 протонов; часть 11 образования мюонов с мишенью, например, бериллием (Be), для образования мюонов путем облучения мишени ускоренными протонами с образованием пионов, позволяя затем образованным пионам распадаться естественным образом; а также часть 12 введения мюонов. Для ускорителя 10 протонов может применяться ускоритель с известной конфигурацией.

[0038] Мюонный луч, создаваемый ускорителем 10 протонов и частью 11 образования мюонов, проходит через часть 12 введения мюонов и попадает на вход части 30 регулирования потока сопла 3 Лаваля, попадая таким образом внутрь части 30 регулирования потока сопла 3 Лаваля.

[0039] Блок 2 подачи газа предназначен для циркуляции и подачи газообразного дейтерия (дейтериевый газ) или газообразного дейтерия, смешанного с газообразным тритием (газообразная смесь дейтерия и трития), который является сырьевым газом, служащим мишенью для мюонов для реакции синтеза, и в качестве блока 2 подачи газа можно принять известную конструкцию для циркуляции и подачи газа. В варианте осуществления, соответствующем настоящему изобретению, блок 2 подачи газа включает в себя компрессор 20, аккумуляторный бачок 21, приемный резервуар 22, трубу 23 и т.п.

[0040] Сопло 3 Лаваля предназначено для ускорения сырьевого газа, подаваемого из блока 2 подачи газа до такой степени, чтобы ускоренный сырьевой газ двигался со сверхзвуковой скоростью. Сопло 3 Лаваля включает в себя: часть 30 регулирования потока, имеющую трубчатую форму, соединенную выше по потоку с блоком 2 подачи газа, через которую сырьевой газ пропускается с дозвуковой скоростью; горловую часть 31, уменьшенную по диаметру по сравнению с частью 30 регулирования потока; реакционную часть 32 трубчатой формы, соединенную с горловой частью 31 и расширенную по диаметру по сравнению с горловой частью 31, через которую пропускается сырьевой газ со сверхзвуковой скоростью, и в которой происходит реакция ядерного синтеза.

[0041] Генератор 4 ударных волн, расположенный внутри реакционной части 32 сопла 3 Лаваля, предназначен для столкновения с сырьевым газом, ускоренным до сверхзвуковой скорости для образования косой ударной волны. Генератор 4 ударных волн расположен напротив сверхзвукового потока и генерирует косую ударную волну при столкновении со сверхзвуковым потоком, заставляя образовавшуюся косую ударную волну сходиться на центральной оси сопла 3 Лаваля, сохраняя получающуюся в результате газовую мишень высокой плотности в газовой фазе.

[0042] Генератора 4 ударных волн может быть достаточно, если он аэродинамически сбалансирован относительно динамического давления потока на стороне выше по потоку, косой ударной волны, ударной волны Маха и отражающей волны; а точнее, генератор 4 ударных волн может быть образован, например, парой пластинчатых элементов, как показано на ФИГ. 1, с поверхностями, наклоненными по направлению друг к другу в сторону ниже по потоку, или множеством небольших выступов, как показано на ФИГ. 2, расположенными по окружности.

[0043] Диффузионная трубка 5 представляет собой элемент трубчатой фолрмы, установленный на части сопла 3 Лаваля, расположенной ниже по потоку, и предназначена для замедления скорости сырьевого газа, проходящего через него, со сверхзвуковой на дозвуковой.

[0044] Блок 6 запуска ядерного синтеза предназначен для ввода начальной энергии для запуска реакции ядерного синтеза, а точнее, может применяться, например, эксимерный лазер, наносекундный импульсный лазер или плазменная пушка. Можно также применить источник α-излучения с энергией, примерно равной 3,5 МэВ. В данном случае, в связи с тем, что при подаче лазера и т.п. со стороны выше по потоку можно предотвратить стабильное образование газовой мишени высокой плотности, предпочтительно, чтобы блок 6 запуска ядерного синтеза располагался на стороне ниже по потоку по отношению к соплу 3 Лаваля.

[0045] Система (S) ядерного синтеза может также включать в себя вспомогательные устройства и т.п., а для такой системы может быть принята конструкция, показанная в пункте (B) на ФИГ. 1. Следует отметить, что в пункте (B) на ФИГ. 1 не показаны генератор 4 ударных волн 4, блок 6 запуска ядерного синтеза 6 и установка 7 обработки долгоживущих продуктов деления 7.

[0046] Блок 1 производства мюонов включает в себя магнит 13 для отклонения мюонов, с помощью которого мюоны отклоняются настолько, что попадают косо по отношению к центральной оси сопла 3 Лаваля. Труба 23, соединенная с блоком 30 регулирования потока, имеет изгиб в виде буквы "L", для экранирования нейтронов, утекающих из сопла 3 Лаваля. Блок 8 выработки электричества включает в себя теплообменник 80, расположенный в трубе 23, и электрический генератор 81, и предназначен для производства электрической энергии за счет использования отработанного тепла. На нижней по потоку стороне теплообменника 80 расположен сепаратор 9 гелия, в котором собирается гелий из продуктовых газов после реакции. Рубашка 100 водяного охлаждения окружает сопло 3 Лаваля и предназначена для охлаждения и экранирования нейтронов.

[0047] [СПОСОБ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА]

Способ работы системы (S) ядерного синтеза будет описан со ссылкой на ФИГ. 1 и 2.

[0048] Для обычного метода замедления и захвата мюонов высокой энергии был изучен способ, например, с использованием капель высококонцентрированного дейтерия или трития. Для мюонов с энергией, уменьшенной примерно до 5 МэВ, в результате эксперимента ослабленные мюоны проникают через дейтериевый газ или тритиевый газ с давлением около 0,1 атм; результаты эксперимента показали, что диапазон действия таких мюонов составляет примерно от 0,2 до 0,3 м. Техническая концепция системы (S) ядерного синтеза заключается в том, что с помощью сопла 3 Лаваля образуется сверхзвуковой поток сырьевого газа, а ударную волну создает генератор 4 ударных волн, расположенный на траектории сверхзвукового потока; таким образом на центральной оси образуется поверхность ударной волны Маха. Затем падающие мюоны, замедленные в части более низкого давления на расположенной выше по потоку стороне, переносятся с меньшими потерями на созданную поверхность ударной волны Маха, как зону ядерного синтеза.

[0049] Первоначально дейтериевый газ или газообразную смесь дейтерия и трития непрерывно подают в качестве сырьевого газа из блока 2 подачи газа в сопло 3 Лаваля. Здесь и далее описаны случаи, когда в качестве сырьевого газа используется газообразная смесь дейтерия и трития.

[0050] Для стабильной работы системы (S) ядерного синтеза с использованием газообразной смеси дейтерия и трития необходимо скорректировать компонентное соотношение сырьевого газа таким образом, чтобы газообразный тритий (t) требовался в количестве, необходимом для газообразного дейтерия (d), а точнее, предпочтительно, чтобы компонентное соотношение выражалось как d : t = 1 : 1.

[0051] Газообразная смесь дейтерия и трития, которая подается в сопло 3 Лаваля и пропускается через часть 30 регулирования потока с дозвуковой скоростью, а затем проходит через горловую часть 31, ускоряется до сверхзвуковой скорости, например, Маха 3-5 при введении в реакционную часть 32.

[0052] Ускоренная газообразная смесь дейтерия и трития сталкивается с генератором 4 ударных волн, расположенным внутри реакционной части 32 сопла 3 Лаваля, образуя таким образом косую ударную волну, как показано на ФИГ. 2.

[0053] Косая ударная волна сходится на центральной оси сопла 3 Лаваля, создавая поверхность ударной волны высокой плотности, называемой ударной волной Маха.

[0054] За счет сверхзвуковой скорости на стороне входа такой поверхности ударной волны эта поверхность предотвращает любые акустические изменения, создаваемые в газовой мишени, и предотвращает возникновение неустойчивости при передаче на стороне входа. Непрерывно создается газовая мишень высокой плотности, которая не предотвращается даже какими-либо огромными амплитудами колебания давления, вызванными реакцией термоядерного синтеза и т.п. Поэтому результирующая стоячая волна высокой плотности с большой амплитудой может устойчиво и стабильно удерживаться в аэродинамически плавающей форме в газовой фазе. Газовая мишень высокой плотности (G) служит зоной реакции для отрицательно-мюонного термоядерного синтеза. Таким образом, можно подавать сырьевой газ в зону реакции для термоядерного синтеза с высокой скоростью, что приведет к непрерывному протеканию реакции термоядерного синтеза.

[0055] Точнее говоря, газовую мишень высокой плотности можно сохранить в таком состоянии, когда, например, числовая плотность составляет 10²¹ см^-3, давление при стандартном условии составляет приблизительно 30 атм, диаметр - 2 см, а расстояние по оси - приблизительно 1 см.

[0056] Отрицательные мюоны с энергией порядка нескольких МэВ, например, 3,5 МэВ, вводятся через блок производства мюонов 1 из входа части регулирования потока 30 сопла Лаваля 3 в газовую мишень высокой плотности (G). Вводимые отрицательные мюоны замедляются в части регулирования потока 30, где сырьевой газ с более низкой плотностью протекает с дозвуковой скоростью, а затем создается атом, улавливающий отрицательный мюон - мюонный атом.

[0057] Отрицательные мюоны летят в сопле Лаваля 3 по пути от точки входа к мишени в системе с градиентом давления на их пути. Принята конфигурация с участком разгона, примерно от 0,5 до 1 м, от точки входа до мишени, установленная при плотности газа около 1 атм, давлении газа и длине такой величины, что плотность газа увеличивается в направлении газовой мишени (G).

[0058] Создание высокотемпературных ионов в мишени не начинается до тех пор, пока не возникнет реакция термоядерного синтеза с образованием α-частиц. Для начала реакции термоядерного синтеза необходимо до введения мюонов создать ионы с энергией от 1 до 2 кэВ в холодном нейтральном газе для запуска.

[0059] Для начала (запуска) реакции термоядерного синтеза вводится начальная энергия через блок запуска термоядерного синтеза 6, т.е. лазерный луч вводится в газовую мишень, в результате чего образуются ионы дейтерия с энергией 1 кэВ. При введении мюонов в газовую мишень (G) газа высокоплотной смеси дейтерия и трития создается атом трития, улавливающий отрицательный мюон, и такой мюонный атом и ион дейтерия в газовой мишени (G) сталкиваются друг с другом, что приводит к реакции термоядерного синтеза, в результате чего образуется нейтрон с энергией 14.1 МэВ и α-частица (α-луч) с энергией 3.5 МэВ.

[0060] Кинетическая энергия α-частицы переходит в энергию, приводя к ионизации части газа смеси дейтерия и трития и созданию иона дейтерия с энергией в 1 КэВ. Последующая реакция термоядерного синтеза проходит с созданием иона дейтерия и атома, улавливающего отрицательный мюон.

[0061] Образовавшаяся α-частица сталкивается с газовой мишенью высокой плотности, в результате чего образуется частица (ион) отдачи с энергией от 1 до 2 кэВ. Активированная продолжительность жизни такой частицы составляет примерно 1 нс (наносекунду). Частица отдачи и следующий атом, захватывающий отрицательный мюон, сталкиваются друг с другом, в результате чего цепь реакций термоядерного синтеза неуклонно продолжается.

[0062] Если предположить, что скорость сверхзвукового потока равна скорости Маха 3, то расстояние потока за время жизни мюона, равной 2.2 мкс (микросекунды), составило бы примерно 2-4 мм. Это соответствует новому поступлению 10¹⁵ газообразных частиц в зону реакции термоядерного синтеза. Если предположить, что число повторений каталитических действий, предпринятых повторно отрицательным мюоном за время его жизни в 2,2 мкс равняется 1000, то число повторений реакции термоядерного синтеза, происходящих в одном поколении отрицательных мюонов, будет получено как число частиц 10¹⁰×10¹³ повторений каталитических действий, что привело бы к необходимому количеству нового топлива в количестве 10¹³ газообразных частиц. Таким образом, с достаточной долей вероятности можно поставлять сырьевой газ.

[0063] Если мюонная молекула образуется в результате быстрого процесса, при котором ядро дейтерия, находящееся в энергетическом состоянии с высокой степенью возбуждения сразу после захвата отрицательного мюона, испускает γ-лучи (гамма-лучи) для перехода в основное состояние и столкновения с ядром трития в качестве рекомбинации, то энергия, находящаяся в возбужденном состоянии, с определенной степенью вероятности преобразуется в кинетическую энергию ядра дейтерия или трития, равной 1 кэВ или больше. При таком процессе имеется вероятность, что до реакции термоядерного синтеза из отрицательных мюонов сразу же получаются высокоскоростные ионы, и с помощью таких ионов можно получить пуск из горячего состояния.

Газ в зоне реакции термоядерного синтеза течет в области со сверхзвуковой скоростью и выходит из этой области с дозвуковой скоростью. Высокоскоростной поток сырьевого газа имеет функцию подачи нового сырьевого газа в газовую мишень (G), служащую в качестве зоны реакции термоядерного синтеза, и удаления тепла, образовавшегося в результате реакции термоядерного синтеза.

[0065] Вблизи входа в зону термоядерного синтеза свежий подается охлаждающий газ в сверхзвуковом потоке со скорость Маха примерно от 3 до 5. Температура края мишени может поддерживаться на уровне 200°С или ниже при оттоке газа дозвукового потока со скоростью Маха около 1 из внутренней части мишени в сторону выпуска. Таким образом, можно предотвратить достижение газовой мишенью (G) высокой температуры в течение короткого периода времени, чтобы она рассеялась за счет высокой энергии создаваемых α-лучей, поддерживая тем самым устойчивую термоядерную реакцию.

[0066] [СИСТЕМА И СПОСОБ СОКРАЩЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ ПРИ ТРАНСМУТАЦИИ НУКЛИДОВ ДЛЯ ДОЛГОЖИВУЩИХ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ].

Система (S) ядерного синтеза может также включать в себя установку для обработки долгоживущих продуктов деления (ДЖПД) 7. В этом случае система (S) ядерного синтеза рассматривается как система обработки продуктов деления с сокращением продолжительности жизни нуклидов. Интенсивный нейтронный луч с энергией 14,1 МэВ, создаваемый в газовой мишени высокой плотности, попадает внутрь реакционной части 32 сопла Лаваля 3. Такой нейтронный луч можно использовать для обработки долгоживущих ядерных отходов (в том числе и ОЯТ), вырабатываемых ядерным реактором и т.п.

[0067] Конструкция блока обработки долгоживущих продуктов деления 7 позволяет разместить внутри реакционной части 32 сопла Лаваля 3 агрегат ДЖПД таким образом, чтобы интенсивность нейтронов была высокой, т.е. чтобы ДЖПД окружал газовую мишень высокой плотности. На ФИГ. 1 изображен блок обработки долгоживущих продуктов деления 7, расположенный в паре частей – верхней и нижней части; однако ограничений для такой конфигурации нет, и блок обработки долгоживущих продуктов деления 7 может быть расположен в нескольких частях сопла Лаваля 3 или может быть установлен таким образом, чтобы окружать всю реакционную часть 32.

[0068] Такое расположение агрегата ДЖПД позволяет выпускаемым нейтронам из их источника в обширную область эффективно попадать в агрегат ДЖПД.

Установка обработки долгоживущих продуктов деления 7 включает: экранирующий элемент для защиты от утечки большого количества нейтронов высоких скоростей, образующихся в результате мюонного термоядерного синтеза путем замедления таких нейтронов высоких скоростей; и средства охлаждения, расположенные таким образом, чтобы окружать экранирующий элемент и обеспечивать циркуляцию жидкой среды, например, чистой воды, для охлаждения экранирующего элемента, а также служить замедляющим материалом для образующихся нейтронов (не показан).

[0070] Количество нейтронов, образующихся при DT-реакции термоядерного синтеза (нейтроны DT), составляет, например, 10¹⁹ частиц/сек. Нейтроны поглощаются агрегатом КНЧПО, за исключением части, проходящей через него на заднюю поверхность. Агрегат ДЖПД, проходящий через трансмутацию нуклидов, имеет свой период полураспада, который можно уменьшить.

[0071] Описана связь между толщиной плитки ДЖПД, представляющей агрегат ДЖПД, и скорость трансмутации нуклидов.

[0072] Для нижеописанных условий рассчитана скорость трансмутации нуклидов ДЖПД с нейтронами термоядерного синтеза и изучена зависимость эффективного периода полураспада ДЖПД от толщины плитки ДЖПД.

[0073] - Конфигурация ДЖПД: модель сферической оболочки, в центре которой находится источник нейтронов, а ее радиус составляет 25 см.

- Метод расчета: Метод моделирования по методу Монте-Карло (PHITS) с использованием уравнения скорости типа временной эволюции.

- Нейтроны для облучения: DT-нейтроны (14,1 МэВ)

- Нуклид: Cs-135, Pd-107, Se-79, Zr-93

- Интенсивность нейтронного потока: три уровня - 10¹⁷ н/с, 10¹⁸ н/с, 10¹⁹ н/с.

[0074] Периоды естественного полураспада - Cs-135: 2,3 млн. лет, Pd-107: 6,5 млн. лет, Se-79: 0,295 млн. лет, Zr-93: 1,53 млн. лет.

[0075] Результаты расчета приведены на ФИГ.3. Установлено, что при любой интенсивности нейтронного потока в области толщины плитки, не превышающей 10 см, эффективный период полураспада может быть резко сокращен с сокращением толщины плитки. По мере увеличения интенсивности нейтронного потока эффективный период полураспада сокращается. При толщине, например, 10 см для каждого нуклида, если интенсивность нейтронного потока составляет 10¹⁷ н/с, эффективный период полураспада можно сократить приблизительно до 1000 лет; если интенсивность нейтронного потока составляет 10¹⁸ н/с, эффективный период полураспада можно сократить приблизительно до 100 лет, а если интенсивность нейтронного потока составляет 10¹⁹ н/с, эффективный период полураспада можно сократить приблизительно до 10 лет.

[0076] Таким образом, было установлено, что при уменьшении толщины плитки ДЖПД до 10 см максимум можно увеличить скорость трансмутации нуклидов и уменьшить период полураспада. Также было установлено, что при увеличении интенсивности нейтронного потока до 10¹⁹ н/с эффективный период полураспада можно сократить до крайне короткого периода времени - нескольких десятков лет.

Избыточные нейтроны и α-частицы замедляются через экранирующий элемент настолько, что от них можно защититься. Образующееся в экранирующем элементе тепло охлаждается с помощью охлаждающих средств, а отработанное тепло улавливается. За счет комбинации экранирующих элементов и средств охлаждения, описанных выше, предотвращается утечка нейтронов наружу, и большое количество тепла, возникающее при экранировании нейтронов соответствующими элементами охлаждается средствами охлаждения, выбрасываемое тепло улавливается, и, таким образом, такое выбрасываемое тепло можно эффективно использовать для производства электрической энергии и т.п.

[0078] Для описанного выше источника нейтронов меньшего размера, имеющего более высокую плотность потока нейтронов, обычный ядерный реактор применять нельзя. Указывается, что система (S) ядерного синтеза в соответствии с настоящим изобретением пригодна для использования в качестве нейтронного источника для сокращения продолжительности жизни ДЖПД.

[0079] [ЭФФЕКТЫ, ОБЕСПЕЧИВАЕМЫЕ ВАРИАНТАМИ ОСУЩЕСТВЛЕНИЙ]

Согласно системе (S) ядерного синтеза и способу термоядерного синтеза в вышеуказанных вариантов осуществления, газовая мишень высокой плотности может быть сохранена при воздействии ударной волны, образуемой в сверхзвуковом потоке, в газовой фазе в качестве зоны термоядерного синтеза, а конфигурация такой газовой мишени может охлаждаться высокоскоростным потоком. Таким образом, инженерные ограничения, такие как охлаждение, налагаемые на устройство, можно ослабить, высокоплотную газовую мишень можно стабильно поддерживать в качестве зоны термоядерной реакции без использования каких-либо крупногабаритных и сложных устройств, способных реализовать отрицательный мюонный катализируемый ядерный синтез в полете. Газовую мишень высокой плотности также можно использовать для источника нейтронов высокой плотности, необходимых для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов для долгоживущих продуктов деления (ДЖПД).

[0080] Согласно системе сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов (S) для долгоживущих продуктов деления (ДЖПД) и способу сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов для долгоживущих продуктов деления (ДЖПД) в вышеуказанных вариантах осуществления путем эффективного облучения ДЖПД нейтронами, образующимися в результате использования системы термоядерного синтеза и способа термоядерного синтеза, соответственно, ДЖПД может подвергнуться преобразованию в нуклид и, таким образом, период его полураспада можно сократить.

[0081] [ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ]

[0082] В системе (S) ядерного синтеза и способе термоядерного синтеза может также осуществляться DD-реакция термоядерного синтеза путем использования газообразного дейтерия в качестве сырьевого газа.

[0083] (Позиционные обозначения)

1 Мюонная установка

2 Установка подачи газа

3 Сопло Лаваля

4 Генератор ударных волн

5 Диффузионная трубка

6 Блок запуска ядерного синтеза

7 Блок обработки долгоживущих продуктов деления

8 Электрическая генераторная установка

9 Сепаратор гелия

10 Протонный ускоритель

11 Мюонный генератор

12 Часть ввода мюонов

13 Мюонный отклоняющий магнит

20 Компрессор

21 Аккумуляторный бачок

22 Приемный резервуар

23 Труба

30 Часть регулирования потока

31 Горловая часть

32 Реакционная часть

80 Теплообменник

81 Электрогенератор

100 Рубашка водяного охлаждения

G Газовая мишень

S Система ядерного синтеза.

Изобретение относится к системе ядерного синтеза. Система оснащена мюонным генератором 1, средствами 2 подачи газа для циркуляции и подачи исходного газа, соплом 3 Лаваля, которое ускоряет исходный газ до сверхзвуковой скорости, и генератором 4 ударных волн. В генераторе ударных волн исходный газ, ускоренный до сверхзвуковой скорости соплом 3 Лаваля, с помощью генератора 4 ударных волн используется для формирования для образования косых ударных волн. Обеспечивается схождение косых ударных волн на центральной оси сопла 3 Лаваля для удержания в пространстве газовой мишени высокой плотности. Мюоны, образованные мюонным генератором 1, вводятся в газовую мишень высокой плотности, чтобы вызвать реакцию ядерного синтеза. Техническим результатом является снижение требований в отношении устройств для удержания и охлаждения мишени, а также создание системы и способа сокращения продолжительности жизни нуклидов при их трансмутации. 3 н. и 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Система ядерного синтеза, содержащая:

мюонный генератор, выполненный с возможностью образования отрицательных мюонов;

блок подачи газа, выполненный с возможностью циркуляции и подачи газообразного дейтерия или газообразной смеси дейтерия и трития в качестве сырьевого газа для реакции ядерного синтеза; и

сопло Лаваля, выполненное с возможностью ускорения подачи сырьевого газа из блока подачи газа до такой степени, чтобы сырьевой газ двигался со сверхзвуковой скоростью,

причем сопло Лаваля включает в себя:

часть регулирования потока, соединенную с блоком подачи газа и выполненную таким образом, что в ней обеспечено замедление образованных отрицательных мюонов, а также

реакционную часть, расположенную на стороне ниже по потоку относительно части регулирования потока и выполненную с возможностью обеспечения протекания в ней реакции ядерного синтеза, при этом в реакционной части расположен генератор ударной волны, выполненный с возможностью столкновения с сырьевым газом, ускоренным до сверхзвуковой скорости, с образованием косой ударной волны,

причем обеспечено ускорение сырьевого газа, поступающего из блока подачи газа в сопло Лаваля, соплом Лаваля до сверхзвуковой скорости для обеспечения сталкивания с генератором ударных волн,

причем обеспечено образование косой ударной волны в результате столкновения с генератором ударных волн и побуждение ее к схождению на центральной оси сопла Лаваля, что обеспечивает сохранение газовой мишени высокой плотности в газовой фазе, и

при этом обеспечено введение отрицательных мюонов, образованных мюонным генератором, в сохраненную газовую мишень высокой плотности, что вызывает реакцию ядерного синтеза.

2. Система ядерного синтеза по п. 1, также содержащая:

блок запуска ядерного синтеза, выполненный с возможностью ввода начальной энергии для запуска реакции ядерного синтеза в газовой мишени высокой плотности.

3. Система обработки долгоживущих продуктов деления для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов с использованием системы термоядерного синтеза по п. 1 или 2, содержащая:

блок обработки долгоживущих продуктов деления, выполненный таким образом, чтобы долгоживущий продукт деления окружал газовую мишень высокой плотности,

причем обеспечено введение нейтронов, образованных в результате реакции ядерного синтеза в газовой мишени высокой плотности, в долгоживущий продукт деления, так что долгоживущий продукт деления подвергается трансмутации нуклидов с сокращением таким образом периода его полураспада.

4. Способ термоядерного синтеза, включающий следующие этапы:

обеспечение сопла Лаваля и генератора ударных волн, расположенного внутри сопла Лаваля, для образования косых ударных волн;

ускорение газообразного дейтерия или газообразной смеси дейтерия и трития в качестве сырьевого газа для реакции ядерного синтеза до такой степени, чтобы сырьевой газ двигался со сверхзвуковой скоростью;

образование косой ударной волны в результате столкновения ускоренного сырьевого газа и генератора ударной волны и побуждение косой ударной волны к схождению на центральной оси сопла Лаваля, что позволяет сохранять газовую мишень высокой плотности в газовой фазе; и

введение отрицательных мюонов в газовую мишень высокой плотности с запуском тем самым реакции ядерного синтеза.

5. Способ обработки долгоживущих продуктов деления для сокращения продолжительности жизни при трансмутации нуклидов, включающий следующие этапы: введение нейтронов, образованных согласно способу ядерного синтеза по п. 4 формулы изобретения, в долгоживущий продукт деления, расположенный таким образом, чтобы окружить зону реакции ядерного синтеза, чтобы долгоживущий продукт деления подвергся трансмутации нуклидов с сокращением тем самым периода полураспада.