ядерное энергетическое устройство

Формула изобретения

Ядерное энергетическое устройство, энерговыделение, в котором происходит за счет реакции ядерного деления, имеющее мишень, облучаемую ионами, и конечное число секций, содержащих замедлитель быстрых нейтронов, поглотитель медленных нейтронов и делящееся под действием медленных нейтронов вещество, отличающееся тем, что оно состоит из трех, примыкающих друг к другу плоскими поверхностями, функционально различных, блоков, один из которых является генератором быстрых нейтронов, возникающих в результате реакции ядерного синтеза при облучении быстрыми дейтонами мишени, содержащей тяжелые изотопы водорода, а второй блок является усилителем тока быстрых нейтронов от энергетически незначительной величины с точки зрения выхода в реакции ядерного деления по сравнению с энергетическими затратами до величины, значительно превосходящей их с точки зрения выхода в реакции ядерного деления, и состоит из конечного числа последовательно расположенных и примыкающих друг к другу плоскими поверхностями многослойных каскадов, включающих каждый, считая от генератора, слой поглотителя тепловых нейтронов и примыкающее к нему конечное число секций, включающих каждая, считая от генератора, слой замедлителя быстрых нейтронов и слой, имеющий в своем составе делящееся под действием тепловых нейтронов вещество, а третий блок, примыкающий ко второму, является энерговыделяющим и состоит из конечного числа последовательно расположенных и примыкающих друг к другу плоскими поверхностями многослойных энерговыделяющих каскадов, включающий каждый, считая от генератора, слой поглотителя тепловых нейтронов и примыкающее к нему конечное число секций, включающая каждая, считая от генератора, слой замедлителя быстрых нейтронов и слой, имеющий в своем составе делящееся под действием тепловых нейтронов вещество, причем число каскадов определяется заданием полным энерговыделением устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерного реакторостроения и может быть использовано для получения электрической энергии.

Известен энергетический подкритический ядерный реактор с подсветкой пучком ускоренных протонов, получаемых от линейного ускорителя протонов с энергией протонов в несколько сотен мегаэлектронвольт и токе пучка протонов в несколько сотен миллиампер [1].

Наиболее близким техническим решением к заявленному устройству является электроядерное трансмутационное устройство с многосекционной структурой бланкета [2]. Недостатком устройства является использование мощного ускорителя тяжелых ионов, а также использование сферической конфигурации усилителя нейтронного потока, исключающее применение данной структуры для производства электрической энергии в промышленных масштабах.

Целью настоящего изобретения является значительное упрощение системы создание первичного потока нейтронов, существенное увеличение роли усилителя тока нейтронов и упрощение структуры энерговыделяющего блока.

Поставленная цель достигается тем, что устройство выполнено из трех, примыкающих друг к другу плоскими поверхностями, функционально различных блоков, один из которых является генераторов быстрых нейтронов, возникающих в результате реакции ядерного синтеза при облучении быстрыми дейтонами мишени, содержащей тяжелые изотопы водорода, а второй блок является усилителем тока быстрых нейтронов от энергетически незначительной величины, с точки зрения выхода в реакции ядерного деления, по сравнению с энергетическими затратами до величины, значительно превосходящей их, с точки зрения выхода в реакции ядерного деления, и состоит из конечного числа последовательно расположенных и примыкающих друг к другу плоскими поверхностями многослойных каскадов, включающих каждый, считая от генератора, слой поглотителя тепловых нейтронов и, примыкающее к нему конечное число секций, включающих каждая, считая от генератора, слой замедлителя быстрых нейтронов и слой, имеющий в своем составе делящееся под действием тепловых нейтронов вещество, а третий блок, примыкающий ко второму, является энерговыделяющим и состоит из конечного числа последовательно расположенных энерговыделяющих каскадов, включающих каждый, считая от генератора, слой поглотителя тепловых нейтронов и, примыкающее к нему, конечное число секций, включающих каждая, считая от генератора, слой замедлителя быстрых нейтронов и слой, имеющий в своем составе делящееся под действием тепловых нейтронов вещество, причем число каскадов определяется заданным полным энерговыделением устройства.

Изобретение поясняется схематическим чертежом ядерного устройства. При этом на чертеже опущены важные, но не относящиеся к принципиальному строению устройства узлы, такие как ионно-оптическая и ускоряющая ионы системы, ионопроводящий узел от источника ионов до мишени, устройство собственно мишени, защитные устройства и система отбора мощности.

На выходе из источника дейтонов 1 формируется и ускоряется поток дейтонов 2, который затем облучает мишень 3 большой площади, насыщенную одним из тяжелых изотопов водорода. К мишени примыкает первый каскад усилителя тока быстрых нейтронов 4 слоем поглотителя медленных нейтронов 5, к которому в свою очередь примыкают n₁ (на чертеже n₁=2) секций, состоящих каждая из слоя замедлителя быстрых нейтронов 6 и слой 7, имеющего в своем составе делящееся под действием тепловых нейтронов вещество. К последнему N-му каскаду усилителя 8 примыкает первый каскад 9 энерговыделяющего блока слоем поглотителя 10, к которому в свою очередь примыкают n₂ (на чертеже n₂=2) секций, состоящих каждая из слоя замедлителя 11 и слоя 12, имеющего в своем составе делящееся вещество. Число каскадов M энерговыделяющего блока определяется заданной полной мощностью устройства.

Ядерное энергетическое устройство работает следующим образом. Интенсивный ускоренный поток дейтонов, полученный от источника дейтонов облучает мишень большой площади, насыщенную одним из тяжелых изотопов водорода. К мишени примыкает первый каскад усилителя тока быстрых нейтронов. Первый и последующие каскады усилителя исполнены таким образом, что на выходе каждого каскада величина тока быстрых нейтронов превышает соответствующую величину на входе каскада. После достижения заданной общей величины усиления ток быстрых нейтронов поступает в первый каскад энерговыделяющего блока. Каскады этого блока выполнены таким образом, что величина тока быстрых нейтронов примерно одинакова на входе и выходе каждого каскада. Полное число каскадов этого блока определяется заданной выходной мощностью энергетического устройства.

Например при токе дейтонов 3A и энергии дейтонов 200 кЭв [3, 4] и вероятности выхода нейтронов в реакции DT при бомбардировке дейтонами тритийсодержащей мишени 10^-5 [5, 6] полный ток быстрых нейтронов составит примерно 210¹⁴ н/с. Полагая усилитель исполненным таким образом, что усиление тока быстрых нейтронов на каждом каскаде равно 3 и используя 10 каскадов, получим на выходе усилителя ток быстрых нейтронов примерно 10¹⁸н/с или, при площади слоев 2 м², плотность тока нейтронов 510¹³ н/(ссм²). Пропуская такой ток через каскады энерговыделяющего блока получим, что в каждом каскаде будет выделяться мощность примерно 30 тыс.кВт. Соответственно при использовании 20 каскадов полная мощность энерговыделяющего блока составит 600 тыс.кВт.

Поддержание постоянной мощности устройства, учитывая постепенное выгорание активного вещества, может быть обеспечено, в частности, постепенным увеличением тока дейтонов. Очевидно, что включение источника ионов мгновенно уменьшает ток нейтронов на многие порядки величин, что исключает риск разгона устройства и катастрофических разрушений устройства.

Источники информации

1. Адо Ю.М. и др. Энергетический подкритический ядерный реактор с подсветкой пучком протонов. Препринт И.Ф.В.Э. N 94-29. Протвино

2. Колесов В.Ф. Повышение эффективности электроядерного трансмутационного устройства за счет многосекционности структуры бланкета Атомная энергия, т.76, вып.1, январь 1994.

3. Ковальский Г.А. и др. Стационарный инжектор пучка протонов с током 1A и энергией 100 кэВ. Атомная энергия, т.49, вып.5, 1980.

4. Ковальский Г.А. Устройство для формирования интенсивных ионных пучков Авт. свид. СССР N 663254, H 05 H 5/02, 1979.

5. Герасимов Е.Н. Генератор НГ-150. ПТЭ N 5, 1972, с.262.

6. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. М.: Физматгиз, 1968, с.12.