БЛАНКЕТ-РАЗМНОЖИТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК G21B1/13 

Область техники

Настоящее изобретение относится к бланкетам-размножителям для наработки трития в термоядерных реакторах, например, термоядерных реакторах-токамаках.

Предпосылки изобретения

Проблема производства термоядерной энергии является чрезвычайно сложной. Нейтроны термоядерной реакции получаются, когда дейтерий-тритиевая (D-T) или дейтерий-дейтериевая (D-D) плазма становится очень горячей, так что ядра сливаются вместе, высвобождая высокоэнергетические нейтроны. Например, около 80% из 17,6 МэВ энергии, выделяющейся при слиянии (ядерном синтезе) дейтерия и трития, приходится на высвободившийся нейтрон (в противоположность побочному продукту в виде альфа-частицы, которая имеет массу в четыре раза тяжелее). Эта реакция кратко записывается в следующем уравнении:

.

В то время как дейтерий является легко доступным, тритий трудно получать в количествах, необходимых для термоядерных реакторов, так как он радиоактивен (с периодом полураспада 12,3 года), и на Земле не существует легко извлекаемых источников трития. Поэтому некоторые конструкции термоядерных реакторов нацелены на наработку или "воспроизводство" трития в реакторе с использованием энергетических нейтронов, получаемых при работе реактора. При одном подходе используется нейтронная активация ядер лития для наработки трития согласно следующим ядерным реакциям:

Литий обычно содержится в так называемом "бланкете-размножителе", установленном на внутренней стенке реактора. Литий может быть предусмотрен в виде металла (или сплава) или в виде литийсодержащих соединений, например, содержащих литий керамических материалов, таких как Li₂O, LiAlO₂, Li₂ZrO₃, Li₄SiO₄ и т.д. Материал-размножитель нейтронов обычно добавляется (например, свинец, сплавленный с литием) для обеспечения избыточной популяции нейтронов в противовес утечке нейтронов из системы и для улучшения коэффициента воспроизводства трития (КВТ) бланкета (т.е. среднего числа ядер трития, образовавшихся в расчете на один полученный в реакторе нейтрон термоядерной реакции). В качестве материалов-размножителей нейтронов посредством реакции (n, 2n) были предложены металлы, такие как бериллий, свинец и олово. В качестве тритийвоспроизводящих материалов были предложены материалы солевого расплава, такие как Li₂F-BeF₂.

На сегодняшний день наиболее многообещающим способом достижения ядерного синтеза является удержание ядер дейтерия и трития магнитным образом с использованием токамака. В традиционном подходе к ядерному синтезу в токамаке (который осуществлен посредством Международного термоядерного экспериментального реактора, ITER) плазма должна иметь высокое время удержания, высокую температуру и высокую плотность для оптимизации этого процесса. Токамак характеризуется сочетанием сильного тороидального магнитного поля B_T, высокого плазменного тока I_p и, обычно, большого объема плазмы и значительного сопутствующего нагрева, чтобы обеспечить настолько горячую устойчивую плазму, что может происходить ядерный синтез. Сопутствующий нагрев (например, посредством десятков мегаватт инжекции пучка нейтральных частиц высокой энергии H, D или T) является необходимым, чтобы увеличивать температуру до достаточно высоких значений, требуемых для возникновения ядерного синтеза и/или для поддержания плазменного тока.

Обеспечение того, что реактор токамак является настолько компактным, насколько возможно, позволяет добиться большей эффективности, в частности для "сферических токамаков", в которых внутренний радиус тора минимизирован. Например, минимизация расстояния между плазмой и катушками возбуждения позволяет добиться более сильного магнитного поля в плазме с более низким током в катушках. Однако компактные токамаки представляют ряд дополнительных проблем по сравнению с более крупными конструкциями, которые необходимо преодолеть для того, чтобы осуществить работающий термоядерный реактор. Например, отношение площади поверхности к объему у меньших (например, сферических) токамаков, как правило, гораздо меньше отношения площади поверхности к объему у более крупных токамаков. Этот характерный признак сферических токамаков создает проблемы для воспроизводства трития, так как коэффициент воспроизводства трития (КВТ) зависит от потока нейтронов через площадь поверхности первой стенки токамака. В общем, сферические токамаки имеют меньшую площадь поверхности, предназначенную для воспроизводства трития, по сравнению с традиционными крупномасштабными устройствами наподобие ITER вследствие уменьшения физического размера, а также потери "реального объема" воспроизводства в центральной колонне. КВТ должен типично быть больше 1,05, чтобы создать жизнеспособную систему воспроизводства в каком-либо термоядерном устройстве, для компенсации потерь трития в устройстве, эффективности, с которой тритий может быть извлечен, и потерь вследствие радиоактивного распада.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен бланкет-размножитель для наработки трития с использованием нейтронов, полученных ядерным синтезом дейтерия и/или трития в плазме, удерживаемой в термоядерном реакторе. Бланкет-размножитель содержит: обращенную к плазме первую стенку; воспроизводящий слой, включающий литийсодержащий материал для наработки трития из упомянутых нейтронов; и материал-замедлитель нейтронов, содержащий гидрид и/или дейтерид металла, расположенный между первой стенкой и литийсодержащим материалом.

Материал-замедлитель нейтронов может быть предусмотрен в виде слоя замедлителя нейтронов, расположенного между первой стенкой и воспроизводящим слоем.

Материал-замедлитель нейтронов уменьшает энергию нейтронов, полученных из плазмы, облегчая захват нейтронов ядрами лития-6 в литийсодержащем материале.

Слой замедлителя нейтронов может быть выполнен с возможностью пропускать более 60%, предпочтительно более 80%, или предпочтительнее более 95%, нейтронов, имевших энергию 14 МэВ перед входом в слой замедлителя нейтронов.

Слой замедлителя нейтронов может быть выполнен с возможностью уменьшать энергию по меньшей мере доли пропущенных нейтронов, имевших энергию 14 МэВ перед входом в слой замедлителя нейтронов, более чем на 95%, предпочтительно более чем на 99%. Эта доля может составлять более 10%, предпочтительно более 50%, а предпочтительнее более 70%.

Толщина слоя замедлителя нейтронов может составлять от 0,5 см до 25 см, предпочтительно от 2 см до 15 см.

Толщина воспроизводящего слоя может составлять от 1 см до 200 см, предпочтительно от 5 см до 150 см.

В некоторых примерах между первой стенкой и слоем замедлителя нейтронов не предусмотрен воспроизводящий слой.

Бланкет-размножитель может дополнительно содержать другой слой замедлителя нейтронов, содержащий гидрид и/или дейтерид металла, причем воспроизводящий слой расположен между слоями замедлителя нейтронов. Другой слой замедлителя нейтронов может быть выполнен с возможностью отражать большую долю нейтронов, чем слой замедлителя нейтронов между первой стенкой и воспроизводящим слоем. Другой слой замедлителя нейтронов может быть толще слоя замедлителя нейтронов.

Бланкет-размножитель может содержать другой воспроизводящий слой, включающий литийсодержащий материал для наработки трития из упомянутых нейтронов, причем другой слой замедлителя нейтронов расположен между воспроизводящими слоями.

Воспроизводящий(е) слой(и) и слой(и) замедлителя нейтронов могут быть отделены друг от друга одним или более металлическими слоями.

Альтернативно или дополнительно, материал-замедлитель нейтронов может быть предусмотрен в воспроизводящем слое, причем материал-замедлитель нейтронов отделен от литийсодержащего материала в воспроизводящем слое одним или более слоями металла. Например, воспроизводящий слой может содержать множество гранул, содержащих материал-замедлитель нейтронов, причем гранулы диспергированы в литийсодержащем материале.

В качестве другого примера материала-замедлителя нейтронов, предусматриваемого в воспроизводящем слое, воспроизводящий слой может содержать множество стержней, содержащих материал-замедлитель нейтронов, причем каждый стержень предпочтительно имеет продольную ось, расположенную практически параллельно первой стенке. Продольная ось предпочтительно расположена вертикально. Бланкет-размножитель может содержать крепления для удерживания каждого из стержней в неподвижном положении в воспроизводящем слое, причем крепления выполнены с возможностью обеспечивать удаление стержней из воспроизводящего слоя и замену стержней в воспроизводящем слое. Воспроизводящий слой может содержать первую область, расположенную ближе к первой стенке, чем вторая область, причем стержни в первой области разнесены друг от друга более плотно, чем стержни во второй области.

Отношение атомов металла к атомам водорода и/или дейтерия в гидриде и/или дейтериде металла может составлять от 0,5 до 5,5, предпочтительно от 1,0 до 2,0.

Гидрид и/или дейтерид металла могут представлять собой или могут содержать гидрид и/или дейтерид иттрия.

Процент лития в литийсодержащем материале, который является литием-6, может составлять более 7,6%, предпочтительно более 20%, а предпочтительнее более 50%.

Литийсодержащий материал может содержать один или более из металлического лития, сплава, содержащего литий, и/или керамического материала, содержащего литий.

Бланкет-размножитель может содержать материал-размножитель нейтронов, такой как бериллий, свинец, олово и/или уран. В некоторых примерах бланкет-размножитель может содержать солевой расплав, который содержит как литий, так и размножитель нейтронов вместе, такой как солевой расплав, содержащий фторид лития и фторид бериллия, Li₂F-BeF₂.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен термоядерный реактор, содержащий один или более бланкетов-размножителей согласно первому аспекту изобретения. Термоядерный реактор может быть термоядерным реактором-токамаком. Токамак может быть сферическим токамаком, предпочтительно сферическим токамаком с отношением размеров, меньшим или равным 2,5, причем отношение размеров определяется как отношение большого и малого радиусов удерживающей тороидальную плазму области токамака.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ работы термоядерного реактора согласно второму аспекту настоящего изобретения. Способ включает наработку трития с использованием упомянутых одного или более бланкетов-размножителей и нейтронов, полученных ядерным синтезом дейтерия и/или трития в термоядерном реакторе, и введение наработанного трития в плазму, удерживаемую в термоядерном реакторе.

Так как бланкет-размножитель термоядерного реактора принимает сильный поток нейтронов, могут быть реализованы попеременные и/или когенерационные применения бланкетов-размножителей, чтобы использовать поток нейтронов для производства изотопов, программ контроля материалов для термоядерной промышленности и диагностики. Соответственно, способ может дополнительно включать использование нейтронов, замедленных материалом-замедлителем нейтронов, для облучения одного или более предусмотренных в бланкете-размножителе образцов для того, чтобы осуществлять одно или более из следующего: производство изотопов (например, производство медицинских радиоизотопов), испытание материалов, преобразование (трансмутация) ядерных отходов; и контроль потока нейтронов, создаваемого термоядерным реактором. Например, способ может включать: введение образца в бланкет-размножитель; облучение образца с помощью нейтронов, замедленных бланкетом-размножителем нейтронов; и удаление образца из бланкета-размножителя. Образец может быть проанализирован во время и/или после облучения (а предпочтительно также и перед облучением), чтобы определить воздействие нейтронов на образец. Эти этапы могут повторяться некоторое число раз, чтобы предоставить возможность измерения изменений в образце, появившихся в результате многократного облучения.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 – схематичный вид в вертикальном разрезе токамака согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фигура 2 – схематичный вид в разрезе бланкета-размножителя согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фигура 3 – схематичный вид в разрезе бланкета-размножителя согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фигура 4 – схематичный вид в разрезе бланкета-размножителя согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и

Фигура 5 – схематичный вид в разрезе бланкета-размножителя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

Целью настоящего раскрытия является предоставление бланкета-размножителя для термоядерного реактора, который устраняет или, по меньшей мере, смягчает описанные выше проблемы.

Коэффициент воспроизводства трития (³T) бланкета-размножителя, содержащего литий, сильно зависит от энергии нейтронов, входящих в бланкет-размножитель, в результате энергетической зависимости сечений поглощения нейтронов для различных изотопов лития. В случае ⁶Li, сечение поглощения нейтронов (преимущественно) имеет обратную зависимость от энергии нейтронов, т.е. чем ниже энергия нейтронов, тем выше вероятность нейтронной активации ⁶Li, а значит и производства трития. Например, сечение поглощения нейтронов у ⁶Li составляет порядка 100 барн и 1000 барн для энергий нейтронов около 10^-5 МэВ и 10^-6 МэВ соответственно, но около 0,05 барн для энергий нейтронов около 10 МэВ. Напротив, сечение поглощения нейтронов у ⁷Li приблизительно в 2,5 раза больше, чем у ⁶Li, для энергий нейтронов, больших чем примерно 10 МэВ, но пренебрежимо для энергий нейтронов ниже 1 МэВ. Поэтому коэффициент воспроизводства трития бланкета-размножителя зависит от соотношения лития-6 и лития-7 в литийсодержащем материале, а также от энергии падающих нейтронов, нейтронного потока и объема литийсодержащего материала. Встречающийся в природе литий содержит 92,5% ⁷Li и только 7,5% ⁶Li. Поэтому во многих случаях термоядерным реакторам, производящим «быстрые» (т.е. с энергией больше 1 МэВ) нейтроны, могут потребоваться относительно большие количества литийсодержащего материала для того, чтобы получить приемлемые коэффициенты воспроизводства трития преимущественно за счет нейтронной активации ⁷Li. Однако этот подход может быть непрактичным для компактных (например, сферических) токамаков, которые требуют более пространственно эффективных конструкций и испытывают недостаток пространства для воспроизводящего бланкета в области центральной колонны вследствие потребности в экранировании излучения там, чтобы защищать магниты. Таким образом, для наработки трития в сферическом токамаке типично используются внешние бланкеты-размножители.

Настоящее раскрытие предлагает использование бланкета-размножителя, имеющего слой замедлителя нейтронов, содержащий гидрид и/или дейтерид металла, такой как гидрид иттрия и/или дейтерид иттрия, для снижения энергии нейтронов, получаемых посредством термоядерных реакций трития и/или дейтерия, и, тем самым, получения более благоприятных коэффициентов воспроизводства трития за счет увеличения доли производства трития из ⁶Li, предусмотренного после слоя замедлителя. Так как гидриды и дейтериды металлов являются очень эффективными замедлителями нейтронов (т.е. они обладают высокой способностью замедления на единицу объема), толщина слоя замедлителя может поддерживаться небольшой. Высокое сечение производства трития из ⁶Li при очень низких энергиях нейтронов гарантирует, что толщина литийсодержащего слоя также может поддерживаться небольшой без существенного уменьшения коэффициента воспроизводства трития. Соответственно, бланкет-размножитель может быть эффективно использован в компактных (например, сферических) термоядерных реакторах для достижения КВТ > 1,05.

Фигура 1 показывает вертикальный разрез сферического токамака 100, содержащего магнит 102 тороидального поля (ТП), образованный из множества D-образных катушек 103A,B ТП (только две из которых показаны на фигуре 1), расположенных вокруг центральной колонны 104, ориентированной вдоль оси A-A', и множество магнитов 105A-F полоидального поля (ПП), каждый из которых окружает центральную колонну 104. Электрический ток, подаваемый на магниты 103A,B, 105A-F ТП и ПП, создает замкнутое магнитное поле, которое при применении токамака ограничивает, формирует и контролирует горячую плазму 107 внутри тороидального вакуумного сосуда 108. На внутренней поверхности вакуумного сосуда 108 предусмотрен так называемый «бланкет» 109, образованный из обращенных к плазме сегментов или плиток (не показаны). Сегменты бланкета обычно выполнены так, чтобы следовать кривизне внутренней поверхности, и могут быть расположены, например в виде сотовой структуры.

Фигура 2 показывает вид в разрезе примерной многослойной бланкетной плитки 200, используемой для формирования бланкета 109. Бланкетная плитка 200 содержит обращенную к плазме первую стенку 201, слой 202 замедлителя нейтронов, промежуточный металлический (например, стальной) слой 203, литийсодержащий "воспроизводящий" слой 204 (который может включать в себя размножитель нейтронов, такой как свинец, олово или бериллий, например, в виде солевого расплава) и нейтронную защиту 205. Бланкетная плитка 200 типично также включает в себя охлаждающие каналы или трубы, или теплоотводящие слои (не показаны) для того, чтобы обеспечить возможность отвода тепла от нее. Хотя различные слои бланкетной плитки 200 показаны представленными в единой плитке, могут также быть использованы отдельные плитки, включающие в себя один или более из этих слоев, причем эти плитки укладываются поверх друг друга в порядке, показанном для бланкетной плитки 100. В некоторых примерах могут быть отдельные плитки для каждого из слоев, причем эти плитки предусмотрены в уложенной друг на друга компоновке, чтобы обеспечить многослойную компоновку, показанную на фигуре 2. В другом примере слой 202 замедлителя нейтронов, промежуточный металлический слой 203 и литийсодержащий слой 204 могут быть выполнены вместе в виде многослойной плитки, при этом первая стенка 201 и нейтронная защита 205 предусмотрены отдельно.

Когда токамак 100 находится в эксплуатации, нейтроны 206, вылетающие из плазмы 107, сталкиваются с первой стенкой 201 и проникают сквозь нее в другие слои бланкета 200. Первая стенка 201 обеспечивает физическую границу между высокотемпературной плазмой 107 и остальной частью токамака 100, действующую в качестве тепловой и ядерной защиты для тороидального вакуумного сосуда 109. В этом примере первая стенка 201 содержит слой металлического вольфрама, присоединенный к медному теплоотводу, но могут быть использованы и другие материалы первой стенки либо в дополнение к, либо в качестве альтернатив вольфраму, такие как бериллий или молибден, как известно в данной области техники.

Нейтроны 206, проникающие сквозь первую стенку 201, входят в слой 202 замедлителя нейтронов, который замедляет нейтроны 206 (т.е. уменьшает их энергию), но предпочтительно не поглощает (или не отражает) большую часть нейтронов. Например, слой 202 замедлителя нейтронов может уменьшать (т.е. ослаблять, посредством либо поглощения, либо отражения) число нейтронов, проходящих через слой 202 замедлителя, менее чем на 20%, предпочтительно менее чем на 40%. Слой 202 замедлителя нейтронов содержит материал-замедлитель нейтронов в виде гидрида и/или дейтерида металла, который в этом случае является гидридом иттрия. Гидриды металлов являются особенно эффективными материалами-замедлителями нейтронов, так как они обеспечивают высокие плотности протонов (ядер водорода), которые способны эффективно отбирать кинетическую энергию у нейтронов за счет упругого рассеяния, так как массы протона и нейтронов почти идентичны. В результате слой 202 замедлителя нейтронов может быть выполнен относительно тонким, при этом все еще позволяя рассеивать большую долю нейтронов. Слой 202 замедлителя выполнен с возможностью максимизировать отношения замедления к отражению и замедления к поглощению на единицу объема. В этом примере слой 202 замедлителя нейтронов имеет толщину 10 см. Однако, более обобщенно, толщина слоя 202 замедлителя нейтронов может составлять от 0,5 см до 25 см, или от 2 см до 15 см, при этом все еще эффективно замедляя нейтроны 206, проходящие через первую стенку 201 (тем самым увеличивая коэффициент воспроизводства трития в литийсодержащем слое 204) и не отражая слишком большой доли нейтронов обратно в плазму 107. Хотя слой 202 замедлителя нейтронов неизбежно отражает некоторую часть нейтронов 206, падающих на бланкетную плитку 200, большая часть нейтронов 206 пропускается, т.е. слой 202 замедлителя выполнен с возможностью работать в режиме пропускания, в котором пропускаются нейтроны (с умеренным энергетическим спектром), а не в режиме отражения. Толщина слоя 202 замедлителя нейтронов может быть увеличена, чтобы увеличивать долю замедляемых нейтронов 206 и/или степень замедления по энергетическому спектру нейтронов 206, что характеризуется, например, уменьшением средней энергии нейтронов 206, выходящих из слоя 206 замедлителя. Состав гидрида и/или дейтерида металла также может быть изменен, чтобы обеспечивать регулировку замедления. Например, стехиометрия гидрида и/или дейтерида металла может варьироваться, как обсуждается ниже, для увеличения или уменьшения протонной плотности материала.

В некоторых вариантах осуществления слой 202 замедлителя нейтронов уменьшает энергию проходящих сквозь него нейтронов более чем на 95%, более чем на 99% или даже более чем на 99,9% или 99,99%. Доля нейтронов 206, которые замедляются на эту величину, может превышать 10%, или 50%, или 70% в зависимости от толщины и/или состава слоя 202 замедлителя нейтронов. В некоторых случаях нейтроны могут быть в значительной степени термализованы до температуры замедлителя нейтронов, так что энергии нейтронов составляют примерно 0,025 эВ.

Гидрид и/или дейтерид иттрия (в отличие от гидридов и/или дейтеридов других металлов) особенно подходит для слоя 202 замедлителя нейтронов, поскольку иттрий является сильно нейтронопрозрачным как для быстрых, так и для медленных нейтронов. Например, сечение захвата нейтронов иттрия-89 (единственного встречающегося в природе изотопа иттрия) меньше 1-2 барн для энергий нейтронов между 0,025 эВ и 40 МэВ.

Литийсодержащий слой 204 в этом примере содержит жидкий металлический литий (или его сплав), который обогащен, имея высокую долю лития-6, т.е. долю лития-6 сверх доли лития-6 во встречающемся в природе литии. Замедленные нейтроны, выходящие из слоя 202 замедлителя нейтронов, сталкиваются с литийсодержащим слоем и генерируют в нем тритий в соответствии с реакцией(ями), описанной(ыми) выше для лития-6. Литий может альтернативно (или дополнительно) быть представлен в виде литий-свинцового жидкого сплава, или литий-оловянного сплава, или литийсодержащего сплава, в котором свинец или олово действует в качестве размножителя нейтронов, чтобы увеличить число нейтронов в литийсодержащем слое 204 для наработки трития и сбалансировать утечку нейтронов в системе. Литийсодержащий воспроизводящий материал может также содержать размножитель нейтронов, например, в виде солевого расплава, содержащего Li₂F и BeF₂. Бланкетная плитка 200 предпочтительно содержит один или более впусков и выпусков, соединенных с воспроизводящим слоем 204, чтобы позволять жидкому литию (или литиево-свинцовой эвтектике) протекать в и из воспроизводящего слоя 204, а наработанному тритию – извлекаться из бланкетной плитки 200. Впуск и выпуск бланкетной плитки 200 могут быть расположены таким образом, что выпуск одной бланкетной плитки 200 может быть соединено с впуском другой аналогичной бланкетной плитки 200, чтобы позволить литию протекать через бланкетные плитки 200 последовательно.

Толщины слоя 202 замедлителя нейтронов и литийсодержащего слоя 204 можно варьировать, чтобы оптимизировать коэффициент воспроизводства трития согласно размеру, геометрии, материалам и/или рабочим условиям термоядерного реактора. Такие оптимизации могут быть выполнены посредством компьютерных моделирований "нейтроники", которые вычисляют нейтронные потоки, пропускаемые и отражаемые различными материалами в реакторе, и скорости ядерных реакций, таких как реакции воспроизводства трития в литийсодержащем слое 204.

В качестве материала-замедлителя нейтронов также могут быть использованы гидриды или дейтериды металлов, отличные от гидрида или дейтерида иттрия, например, гидрид лития, гидрид титана и/или гидрид циркония (и/или соответствующие дейтериды), либо в отдельности, либо в сочетании друг с другом и/или гидридом и/или дейтеридом иттрия. Стехиометрия гидридов или дейтеридов металлов может варьироваться в зависимости от требуемой величины замедления и требуемых структурных свойств слоя 202 замедлителя. Например, состав гидрида металла может быть выражен химической формулой MH_x, где x является отношением атомов водорода (H) к атомам металла (M) в материале (где M=Y, Li, Ti и/или Zr, например). Типично, x находится между 0,5 и 5,5, или между 1,0 и 2,0. В предпочтительном варианте реализации, использующем гидрид иттрия, т.е. YH_x, x находится в диапазоне от примерно 1,50 до примерно 1,92. Этот диапазон оказался обеспечивающим подходящее содержание водорода для эффективного замедления нейтронов, избегая при этом более низких температур разложения, связанных с более высокими содержаниями водорода (т.е. с более высоким x).

Фигура 3, на которой элементы, имеющие такое же смысловое значение, что и на фиг. 2, обозначены теми же ссылочными номерами, показывает альтернативную бланкетную плитку 300, которая аналогична бланкетной плитке 200, показанной на фигуре 2, за исключением того, что она имеет дополнительный слой 302 замедлителя нейтронов, расположенный после литийсодержащего слоя 204, т.е. расположенный так, что литийсодержащий слой 204 находится между двумя слоями 202, 302 замедлителя нейтронов. В этом случае нейтроны, отраженные дополнительным слоем 302 замедлителя нейтронов, вносят вклад в воспроизводство трития в литийсодержащем слое 204, еще больше увеличивая коэффициент воспроизводства трития. Толщина дополнительного слоя 302 замедлителя нейтронов может быть больше толщины первого слоя 202 замедлителя нейтронов (т.е. ближайшего к первой стенке 201 слоя замедлителя нейтронов), чтобы гарантировать, что он является более эффективным в отражении нейтронов по сравнению с первым слоем 202 замедлителя нейтронов. Дополнительный слой 302 замедлителя нейтронов может содержать гидрид и/или дейтерид металла, как описано выше для первого слоя 202 замедлителя нейтронов, например, гидрид и/или дейтерид иттрия. Альтернативно или в дополнение, дополнительный слой 302 замедлителя нейтронов может содержать другой материал-замедлитель, такой как графит или карбид титана. Дополнительный слой 302 замедлителя нейтронов предпочтительно отделен от литийсодержащего слоя 204 металлическим (например, стальным) слоем, как обсуждалось выше для бланкетной плитки 200 по фигуре 2.

Другие примеры бланкетных плиток могут быть получены из бланкетной плитки 300 добавлением одного или более дополнительных литийсодержащих воспроизводящих слоев после (т.е. в направлении от первой стенки 201) дополнительного слоя 302 замедлителя нейтронов, с добавочным нейтрон-замедляющим слоем, предусмотренным после каждого из дополнительных литийсодержащих воспроизводящих слоев, образуя чередующуюся последовательность слоев 202, 302 замедлителя нейтронов и литийсодержащих воспроизводящих слоев 204. Такая последовательность начинается со слоя 202 замедлителя нейтронов (смежного с первой стенкой 201) и может заканчиваться либо слоем 302 замедлителя нейтронов, либо литийсодержащим слоем 204, в зависимости от конструкции. Последовательность может содержать два слоя 202, 302 замедлителя нейтронов (как в бланкетной плитке 300, показанной на фигуре 3), или же она может содержать более двух слоев замедлителя, например, 3, 4 или 5 (и т.д.) слоев 202, 302 замедлителя нейтронов. Что касается бланкетных плиток 200, 300, показанных на фигурах 2 и 3, то каждый из слоев 202, 303 замедлителя нейтронов и литийсодержащих слоев отделены друг от друга слоями 203 из стали, но будет понятно, что для этой цели могут быть использованы иные материалы, отличные от стали (например, другие металлы).

Фигура 4 показывает другую бланкетную плитку 400, содержащую первую стенку 201, воспроизводящий слой 204, включающий литийсодержащий материал, промежуточный металлический (например, стальной) лист 203 и слой 401 отражателя. Воспроизводящий слой содержит гранулы (таблетки) 402 материала-замедлителя нейтронов, содержащего гидрид и/или дейтерид металла (например, YH_x и/или YD_x), который заключен в металле (например, стали), чтобы отделить его от литийсодержащего материала. Гранулы 402 диспергированы, в общем, случайным образом в воспроизводящем слое 402. Слой отражателя содержит материал-отражатель нейтронов, такой как C (например, графит), TiC, Be и/или YH.

Как описано выше, литийсодержащий материал может быть в форме литийсодержащего жидкого металлического сплава (такого как сплав Pb-Li или сплав Sn-Li) или солевого расплава, такого как Li₂F-BeF₂, например. Литийсодержащий материал может альтернативно быть представлен в виде керамических гранул литийсодержащего материала (например, гранул металла лития). Воспроизводящий слой 204 может также содержать гранулы материала-размножителя нейтронов (например, бериллия или плюмбидов (LaPb₃ или YPb₂, например)). Использование гранул позволяет охлаждать воспроизводящий слой 204 путем пропускания охлаждающей текучей среды (например, газа, к примеру, He) в зазорах между гранулами. Включение материала-замедлителя нейтронов в воспроизводящий слой может обеспечить больший КВТ, так как более высокая доля нейтронов, отраженных гранулами 204 материала-замедлителя нейтронов, может быть поглощена литийсодержащим материалом. Гранулы 204 могут также быть легко удалены из и/или повторно введены в воспроизводящий слой 204 для технического обслуживания или замены, или чтобы изменить количество замедляющего нейтроны материала в воспроизводящем слое 204.

Гранулы 204 могут, в общем, быть любого размера или формы, например, сферическими, цилиндрическими или эллипсоидными. Например, гранулы 204 могут быть сферическими гранулами с сердцевиной, содержащей материал-замедлитель нейтронов, имеющей диаметр около 2,5-10 мм, и внешней стальной оболочкой, которая имеет толщину от примерно 0,5 мм до примерно 1 мм.

Фигура 5 показывает другую бланкетную плитку 500, в которой гранулы 402 заменены цилиндрами или стержнями 502 материала-замедлителя нейтронов, т.е. элементами из материала-замедлителя нейтронов, имеющими продольную ось, которая значительно больше других двух осей. Стержни 502 могут быть ориентированы в воспроизводящем слое 204 так, что их продольная ось является вертикальной, чтобы минимизировать деформацию изгиба. Сечение стержней 502 может иметь любую форму, например, круглую, шестиугольную. Как и с гранулами 402, стержни 502 окружены металлическим (например, стальным) слоем.

Стержни 502 могут быть равномерно разнесены друг от друга, или же они могут иметь интервал, который изменяется в пределах воспроизводящего слоя 204. Например, как показано на фигуре 5, стержни 502 могут быть более плотно разнесены ближе к первой стенке 201, создавая первую область 506A, которая имеет относительно высокую замедляющую способность, и может быть одна или более последующих (т.е. дальше от первой стенки 201) областей 506B, C, в которых интервал стержней увеличен относительно первой области 506A (или, что эквивалентно, в которых плотность стержней ниже). Эти последние области 506B, C являются менее замедляющими, чем первая область 506A, но могут обеспечивать больший вклад в КВТ за счет увеличенной доли литийсодержащего материала в этих областях и замедляющего действия первой области 506A на нейтроны, достигающие областей 506B, C. Альтернативно или дополнительно, стержни 502 в каждой из областей 506A-C могут иметь различные диаметры (т.е. толщину), чтобы изменять величину замедления. Например, диаметр стержней может быть в диапазоне от 0,5 см до 5 см.

Стержни 502 предпочтительно поддерживаются креплениями, которые позволяют удалять стержни 502 из бланкетной плитки 500 для технического обслуживания и/или замены. Предпочтительно, каждый стержень вставляется в металлическую трубку, которая проходит через воспроизводящий слой 204 и поддерживает стержень 502 на месте. Металлическая трубка уплотнена, чтобы обеспечивать отсутствие контакта между ее содержимым и воспроизводящим материалом. Предпочтительно, чтобы облегчить техническое обслуживание, крепления разъемным образом зажимают металлические трубки или стержни 502 на месте, например так, что они могут быть удалены из крепления посредством скольжения, не требуя первоначального вмешательства человека, не требуя ослабления или удаления болтов, например. Это избавляет рабочих от воздействия высоких уровней радиоактивности во время технического обслуживания. Стержни 502 предпочтительно вставляются сверху металлической трубки таким образом, что они удерживаются на месте под действием силы тяжести, что позволяет легко их вынимать. Дно металлических трубок предпочтительно герметизировано сталью, чтобы гарантировать отсутствие утечек. Материал-замедлитель нейтронов, включающий гидрид/дейтерид металла, может дополнительно быть герметизирован внутри другого, чтобы избежать потенциальных проблем с выделением газа при температурах больше примерно 650 градусов Цельсия (которая является температурой, при которой материал гидрид/дейтерид иттрия начинает разлагаться).

В некоторых вариантах реализации бланкет-размножитель может охлаждаться водой. Например, бланкет-размножитель может быть присоединен к системе охлаждения, выполненной с возможностью осуществлять циркуляцию воды по каналам внутри бланкета-размножителя (или смежным с ним). В таких случаях может быть предпочтительным уменьшить замедляющую способность материала-замедлителя нейтронов, увеличив отношение дейтерия к водороду в материале-замедлителе, чтобы учесть дополнительное замедление, обеспечиваемое водой, т.е. вносимый водой вклад в замедление нейтронов в бланкете-размножителе. Например, если водяной теплоноситель обеспечивает значительное замедление нейтронов в бланкете-размножителе, то доля дейтерия (т.е. число ядер дейтерия, деленное на суммарное число ядер водорода и дейтерия) в материале-замедлителе нейтронов из гидрида/дейтерида металла может быть более 20% или более 40%, например. В некоторых случаях доля дейтерия в материале-замедлителе нейтронов может даже составлять 100%. В других вариантах реализации, в которых бланкет-размножитель охлаждается по иному механизму, отличному от водяного охлаждения (например, охлаждение газом, охлаждение расплавленным металлом или солевым расплавом), или в которых водяной теплоноситель ощутимо не замедляет нейтроны в бланкете-размножителе, тогда может быть предпочтительной другая доля дейтерия. Например, доля дейтерия может составлять между 2% и 38%, предпочтительно между 10% и 30%, а более предпочтительно около 20%. Гидрид/дейтерид металла, используемый в качестве материала-замедлителя в таких случаях, может быть гидридом/дейтеридом циркония (например, ZrH₂/ZrD₂) или гидридом/дейтеридом иттрия, например.

Хотя обогащение лития-6 может улучшать КВТ во многих случаях, нужно учитывать выбор воспроизводящего материала и/или наличие материала-размножителя нейтронов в воспроизводящем материале. Например, когда имеется значительное размножение нейтронов внутри бланкета (например, бланкета с литием-свинцом или "FLiBe", фторидом лития и фторидом бериллия), более высокий КВТ может быть достигнут посредством увеличения количества дейтерида металла (относительно гидрида металла) в материале-замедлителе нейтронов. Например, материал-замедлитель нейтронов может содержать более 10%, более 30% или даже более 50% дейтерида металла, например, дейтерида иттрия, при этом любой оставшийся материал-замедлитель нейтронов является гидридом металла. В таких случаях более низкая замедляющая способность дейтерида металла (по сравнению с гидридом металла) может позволить генерировать больше нейтронов материалом-размножителем нейтронов. Результирующий "мягкий" спектр нейтронов, генерируемых материалом-размножителем нейтронов (т.е. спектр, в котором доминируют нейтроны с энергией < 5 МэВ), затем дает больший КВТ для обогащенного лития-6 в результате того, что скорость низкоэнергетической (n, T) реакции является более высокой для лития-6, чем для лития-7. Наоборот, если в бланкете-размножителе отсутствует специальный размножитель нейтронов (например, в тех вариантах реализации, в которых воспроизводящий материал является жидким литием или гидридом лития), то может быть предпочтительным использовать необогащенный (т.е. природный) литий в воспроизводящем материале в сочетании с гидридом металла (в противоположность дейтериду металла) как материалом-замедлителем нейтронов. В таких случаях КВТ повышается реакцией (n, T), происходящей в более распространенном литии-7.

Один или более из стержней 502 могут быть заменены стержнем, содержащим образец для контроля и/или экспериментальный прибор для измерения потока нейтронов через бланкетную плитку 500, например, для квалификации и обоснования отчета о безопасности. Один или более из стержней 502 могут также содержать образец для испытания материалов, например, для определения поведения конкретного материала под нейтронным облучением. Образец может быть также использован в некоторых случаях для получения изотопов одного или более элементов, например, для медицинской визуализации и/или лечения. К примеру, образец может представлять собой сплав для производства изотопа (например, молибдена-99 и йода-131), содержащий один или более металлов, из которых конкретный изотоп может быть произведен после подвергания сплава воздействию нейтронов, производимых термоядерным реактором. Местоположения таких стержней в бланкетной плитке 502 могут быть оптимизированы согласно энергетическому спектру нейтронов, требуемому для эффективного производства изотопа. Например, сплавы для производства изотопов, требующие низкоэнергетического спектра нейтронов, могут быть предпочтительно расположены позади плитки 500 (т.е. дальше от центра термоядерного реактора) с тем, чтобы максимизировать скорость трансмутации интересующего изотопа.

Один или более из стержней 502 могут быть заменены стержнем, содержащим герметичную трубку из материала потока отходов ядерного деления, такого как Pu, Np, Am и Cm, и избытка продуктов ядерного деления (Cs, Sr). Нейтронный поток, создаваемый термоядерным реактором, превращает эти изотопы в дочерние изотопы, которые имеют значительно более короткие периоды полураспада, и уменьшает тепловыделение отходов, что может позволить увеличить коэффициент заполнения (упаковки) геологически захороненных высокорадиоактивных отходов. Эти стержни могут считаться стержнями для трансмутации ядерных отходов. В общем, эти трубки герметизированы, чтобы содержать внутри себя газообразные продукты деления (если они образуются), и предпочтительно приспособлены для внешнего охлаждения.

Включение материала-замедлителя в воспроизводящий слой 204 может в некоторых случаях позволить уменьшить общую толщину бланкетной плитки 400, 500, но, тем не менее, сохраняя высокий КВТ. Включение замедляющего материала можно также приспосабливать к типу изотопов, производимых посредством изменения энергетического спектра нейтронов.

Хотя выше были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они представлены в качестве примера, а не ограничения. Специалистам в соответствующей(их) области(ях) техники должно быть очевидно, что в них могут вноситься различные изменения по форме и деталям без отступления от сущности и объема изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не должно ограничиваться какими-либо из вышеописанных примерных вариантов осуществления, а должно быть охарактеризовано только в соответствии с нижеследующей формулой изобретения и ее эквивалентами.

Изобретение относится к бланкету-размножителю для наработки трития с использованием нейтронов, получаемых ядерным синтезом дейтерия и/или трития в плазме, удерживаемой в термоядерном реакторе. Бланкет-размножитель содержит обращенную к плазме первую стенку, воспроизводящий слой, включающий литийсодержащий материал для наработки трития из упомянутых нейтронов, а также материал-замедлитель нейтронов, содержащий гидрид и/или дейтерид иттрия, расположенный между первой стенкой и литийсодержащим материалом. Техническим результатом является возможность эффективного использования бланкета-размножителя в компактных термоядерных реакторах, упрощение и повышение радиационной безопасности технического обслуживания. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Бланкет-размножитель для наработки трития с использованием нейтронов, получаемых ядерным синтезом дейтерия и/или трития в плазме, удерживаемой в термоядерном реакторе, содержащий:

обращенную к плазме первую стенку;

воспроизводящий слой, включающий литийсодержащий материал для наработки трития из упомянутых нейтронов, причем литийсодержащий материал предусмотрен в виде жидкого металлического лития или его сплава, или солевого расплава; и

материал-замедлитель нейтронов, содержащий гидрид иттрия и/или дейтерид иттрия, расположенный между первой стенкой и литийсодержащим материалом.

2. Бланкет-размножитель по п. 1, при этом материал-замедлитель нейтронов предусмотрен в виде слоя замедлителя нейтронов, расположенного между первой стенкой и воспроизводящим слоем.

3. Бланкет-размножитель по п. 2, при этом слой замедлителя нейтронов выполнен с возможностью пропускать более 60%, предпочтительно более 80%, или предпочтительнее более 95%, нейтронов, имевших энергию 14 МэВ перед вхождением в слой замедлителя нейтронов.

4. Бланкет-размножитель по п. 2 или 3, при этом слой замедлителя нейтронов выполнен с возможностью уменьшать энергию по меньшей мере доли пропущенных нейтронов, имевших энергию 14 МэВ перед вхождением в слой замедлителя нейтронов, более чем на 95%, предпочтительно более чем на 99%.

5. Бланкет-размножитель по п. 4, при этом упомянутая доля составляет более 25%, предпочтительно более 50%, а предпочтительнее более 75%.

6. Бланкет-размножитель по любому из пп. 2-5, при этом толщина слоя замедлителя нейтронов составляет от 0,5 см до 25 см, предпочтительно от 5 см до 15 см.

7. Бланкет-размножитель по любому из пп. 2-6, при этом толщина воспроизводящего слоя составляет от 1 см до 200 см, предпочтительно от 5 см до 150 см.

8. Бланкет-размножитель по любому из пп. 2-7, при этом между первой стенкой и слоем замедлителя нейтронов не предусмотрен другой воспроизводящий слой.

9. Бланкет-размножитель по любому из пп. 2-8, содержащий другой слой замедлителя нейтронов, содержащий гидрид иттрия и/или дейтерид иттрия, причем воспроизводящий слой расположен между слоями замедлителя нейтронов.

10. Бланкет-размножитель по п. 9, при этом другой слой замедлителя нейтронов выполнен с возможностью отражать большую долю нейтронов, чем слой замедлителя нейтронов между первой стенкой и воспроизводящим слоем.

11. Бланкет-размножитель по п. 9 или 10, при этом другой слой замедлителя нейтронов толще слоя замедлителя нейтронов.

12. Бланкет-размножитель по любому из пп. 9-11, содержащий другой воспроизводящий слой, включающий литийсодержащий материал для наработки трития из упомянутых нейтронов, причем другой слой замедлителя нейтронов расположен между воспроизводящими слоями.

13. Бланкет-размножитель по любому из пп. 2-12, при этом воспроизводящий(е) слой(и) и слой(и) замедлителя нейтронов отделены друг от друга одним или более металлическими слоями.

14. Бланкет-размножитель по п. 1, при этом материал-замедлитель нейтронов предусмотрен в воспроизводящем слое, причем материал-замедлитель нейтронов отделен от литийсодержащего материала в воспроизводящем слое одним или более слоями металла.

15. Бланкет-размножитель по п. 14, при этом воспроизводящий слой содержит множество гранул, содержащих материал-замедлитель нейтронов, причем гранулы диспергированы в литийсодержащем материале.

16. Бланкет-размножитель по п. 14, при этом воспроизводящий слой содержит множество стержней, содержащих материал-замедлитель нейтронов, причем каждый стержень предпочтительно имеет продольную ось, расположенную практически параллельно первой стенке, а более предпочтительно продольная ось расположена вертикально.

17. Бланкет-размножитель по п. 16, содержащий разъемные крепления для удерживания каждого из стержней в неподвижном положении в воспроизводящем слое, выполненные с возможностью обеспечивать удаление стержней из воспроизводящего слоя и замену стержней в воспроизводящем слое.

18. Бланкет-размножитель по п. 16 или 17, при этом воспроизводящий слой содержит первую область, находящуюся ближе к первой стенке, чем вторая область, причем стержни в первой области разнесены друг от друга более плотно, чем стержни во второй области.

19. Бланкет-размножитель по любому из предшествующих пунктов, при этом отношение атомов иттрия к атомам водорода или дейтерия в гидриде иттрия и/или дейтериде иттрия составляет от 1,0 до 2,0, предпочтительно от 1,50 до 1,92.

20. Бланкет-размножитель по любому из предшествующих пунктов, при этом процентное содержание лития в литийсодержащем материале, который является литием-6, составляет более 7,6%, предпочтительно более 20%, а предпочтительнее более 50%.

21. Бланкет-размножитель по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий материал-размножитель нейтронов, такой как бериллий, олово, свинец и/или уран.

22. Термоядерный реактор, содержащий один или более бланкетов-размножителей по любому из пп. 1-21.

23. Термоядерный реактор по п. 22, при этом термоядерный реактор является токомаком.

24. Термоядерный реактор по п. 23, при этом токамак является сферическим токамаком, предпочтительно сферическим токамаком с отношением размеров, меньшим или равным 2,5, причем отношение размеров определяется как отношение большого и малого радиусов удерживающей тороидальную плазму области токамака.

25. Способ работы термоядерного реактора по любому из пп. 22-24, включающий наработку трития с использованием упомянутых одного или более бланкетов-размножителей и нейтронов, получаемых ядерным синтезом дейтерия и/или трития в термоядерном реакторе, и введение наработанного трития в плазму, удерживаемую в термоядерном реакторе.

26. Способ по п. 25, дополнительно включающий использование нейтронов, замедленных материалом-замедлителем нейтронов, для облучения одного или более предусмотренных в бланкете-размножителе образцов для того, чтобы осуществлять одно или более из следующего: производство изотопов, испытание материалов, трансмутация ядерных отходов; и контроль нейтронного потока, создаваемого термоядерным реактором.