способ выработки энергии из ядерного топлива

Формула изобретения

1. Способ выработки энергии из ядерного топлива, заключающийся в возбуждении ядерных каскадных процессов релятивистским пучком протонов, направляемых в активную зону реактора на мишень, отличающийся тем, что в качестве мишени для производства нейтронов используют непосредственно топливо активной зоны реактора, в качестве топлива используют вещества, не относящиеся к группе актиноидов, дающие положительный энергетический выход при реакции деления, при этом энергия протонов должна быть достаточной для производства нейтронов с энергией, большей пороговой энергии деления указанных веществ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве топлива используют висмут или свинец или композиции этих веществ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к технологии преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, предназначенной для создания энергетических установок.

Известны способы преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, использующие в качестве ядерного топлива элементы тяжелее радия. Действующие в настоящее время реакторные установки осуществляют выработку энергии с использованием этого способа преобразования ядерной энергии в тепловую (Краткая энциклопедия "Атомная энергия", ответственный редактор В.С.Емельянов, Государственное научное издательство "БСЭ", 1958г., с.541-545).

Основные недостатки существующей технологии преобразования ядерной энергии в тепловую обусловлены:

- производством большого количества радиоактивных, в том числе и долгоживущих отходов;

- производством наведенной активности в элементах реактора и окружающих конструкциях;

- наличие запаса положительной реактивности;

- производством веществ, которые потенциально могут быть использованы в целях атомного терроризма;

- сравнительно малым временем работы.

Запас положительной реактивности делает необходимым использование в реакторных установках этого класса сложных систем управления и защиты, что существенно влияет на их безопасность.

Характерное время работы современных реакторных установок, как правило, не превышает 40 лет. В связи с нерешенностью вопроса о выводе этих установок из эксплуатации, ограниченный срок службы создает угрозу катастрофического увеличения числа законсервированных атомных электростанций в случае широкого развития атомной энергетики на базе современных реакторов. Ряд стран сегодня напрямую столкнулись с этой проблемой. Это обстоятельство ставит под угрозу саму возможность развития атомной энергетики как одной из основ базовой энергетики в мире.

Ближайшим аналогом предложенному изобретению является способ выработки энергии из ядерного топлива, заключающийся в возбуждении ядерных каскадных процессов релятивистским пучком протонов, направляемых в активную зону реактора на мишень (RU 2178209, G 21 С 1/00, 10.01.2002, Бюл. 1). Согласно этому способу пучок частиц высокой энергии направляют в камеру для производства нейтронов. Полученные нейтроны размножают в докритических условиях с помощью процесса воспроизводства и деления, который осуществляют внутри камеры. В данном патенте описана установка электроядерного типа, в которой в качестве источника нейтронов используется специальная мишень, облучаемая высокоэнергетическим протонным пучком. В дальнейшем нейтроны направляются в активную зону, состоящую из веществ группы актиноидов. Принципиально в этом процессе то, что мишень для производства нейтронов в данном случае отделена от зоны ядерного топлива, которую называют бланкетом. Применение этой технологии выработки энергии из ядерного топлива в реакторных установках устраняет целый ряд существенных недостатков существующих установок, в частности для работы установок электроядерного типа в принципе не нужен запас положительной реактивности активной зоны реактора (хотя практически полностью избавиться от положительной реактивности не удается). Однако эти реакторы являются источниками всех групп радиоактивных отходов, производимых современными установками и, в первую очередь, материалов актиноидной группы. Кроме того, сохраняется проблема утилизации установок этого класса. Эти недостатки являются основными.

Наличие избыточной реактивности реактора во всех рассматриваемых реакторах привело к использованию сложных систем управления и защиты реактора, что существенно усложняет конструкцию реактора и требует дорогостоящих мероприятий по обеспечению надежности работы реактора.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа, обеспечивающего устранение указанных выше недостатков, в частности:

- производства большого количества радиоактивных долгоживущих отходов;

- производства наведенной активности в элементах реактора и окружающих конструкциях;

- производства веществ, которые потенциально могут быть использованы в целях атомного терроризма;

- устранение сложных систем управления и защиты реактора;

- увеличение срока службы реакторной установки.

Технический результат заключается в исключении наработки в активной зоне ректора радиоактивных материалов из группы актиноидов за счет использования в качестве ядерного горючего в реакторах веществ, имеющих меньшую атомную массу по сравнению с актиноидами, или их композиции.

Для достижения технического результата в способе выработки энергии из ядерного топлива, заключающемся в возбуждении ядерных каскадных процессов релятивистским пучком протонов, направляемых в активную зону реактора на мишень, в качестве мишени для производства нейтронов используют непосредственно топливо активной зоны реактора, в качестве топлива используют вещества, не относящиеся к группе актиноидов, дающие положительный энергетический выход при реакции деления. При этом энергия протонов должна быть достаточной для производства нейтронов с энергией, большей пороговой энергии деления (фрагментации) указанных веществ.

Суть физических процессов, которые стоят за техническими идеями изобретения, сводится к тому, что при взаимодействии релятивистского пучка протонов с конденсированной средой мишени рождаются ливни вторичных элементарных частиц и мелких ядер, которые распространяются в тело всей мишени. Эти потоки частиц инициируют огромное количество всевозможных процессов в теле мишени. Среди этих процессов для наших целей принципиальными являются процессы, приводящие к фрагментации тяжелых ядер мишени, в частности деление на два и более осколков. При такой фрагментации суммарная масса получившихся частиц может оказаться меньше массы исходного ядра. Это и есть положительный эффект реакции (дефект масс), приводящий к разогреву мишени. Фрагментироваться с нужным дефектом масс могут ядра, начиная с массового числа в районе 60.

В качестве топлива могут быть использованы висмут или свинец или композиция этих веществ.

Указанные признаки, характеризующие способ выработки энергии из ядерного топлива, являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Согласно изобретению способ выработки энергии из ядерного топлива заключается в возбуждении ядерных каскадных процессов релятивистским пучком протонов, направляемых в активную зону реактора.

В качестве мишени для производства нейтронов используют непосредственно топливо активной зоны реактора, а в качестве топлива используют вещества, не относящиеся к группе актиноидов, дающие положительный энергетический выход при реакции деления. При этом энергия протонов должна быть достаточной для производства нейтронов с энергией, большей пороговой энергии деления (фрагментации) указанных веществ.

Целесообразно равномерно распределять топливо в активной зоне реактора по всему пространству активной зоны, при этом в качестве топлива использовать висмут или свинец или композиции этих веществ.

Предложенный способ выработки энергии из ядерного топлива основан на использовании в качестве ядерного горючего в реакторах веществ, имеющих меньшую атомную массу по сравнению с актиноидами, или их композиций. Такая возможность основана на том обстоятельстве, что при делении всех веществ с атомной массой более 60 выделяется дополнительная энергия. Так, например, при делении свинца или висмута в среднем выделяется около 140-150 МэВ дополнительной энергии. Однако пороговое значение реакции деления этих веществ существенно превышает аналогичные значения для веществ группы актиноидов. Так для свинца оно составляет 25 МэВ. В связи с этим для инициирования подобных реакций требуются нейтроны с энергией, превышающей соответствующие пороговые значения. Такие нейтроны могут быть получены, например, при взаимодействии пучка протонов достаточно большой энергии, полученных на ускорителе, непосредственно с веществом, используемым в активной зоне реактора. Взаимодействие пучка протонов с атомами конденсированного вещества приводит к образованию ливня элементарных частиц, в частности нейтронов, и осколков бомбардируемых ядер. Энергия нейтронов в значительной степени зависит от энергии налетающего протона. При превышении энергии налетающего протона пороговой энергии деления вещества активной зоны ядра последнего (вещества) могут делиться с выделением дополнительной энергии.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.

Пример.

Мишень, одновременно являвшаяся моделью активной зоны реактора, представляла собой сборку размером 800 х 500 х 500 см³, равномерно заполненную свинцом. Мишень бомбардировалась потоком протонов с энергией 5 ГэВ. При этом средняя энергия вторичных частиц, в том числе и нейтронов, была около 25 МэВ, что соответствовало порогу деления ядер свинца. В результате эксперимента было зафиксировано энерговыделение свинцовой сборкой за счет реакции деления ядер свинца, превышающее энергию, подведенную к сборке с пучком протонов. Тепловыделение происходило непосредственно в мишени с различной эффективностью, зависящей от плотности потока вторичных частиц в каждой точке мишени, и передавалось от более нагретых точек к менее нагретым. По прошествии некоторого времени после проведения эксперимента по всему объему мишени установилась одинаковая температура.

Применение изобретения позволяет получить преимущества перед известными способами. Эти преимущества заключаются в том, что:

- в активной зоне реактора не нарабатываются актиноиды, что существенно облегчает задачу переработки радиоактивных отходов и исключает возможность использования продуктов реакций в террористических целях;

- активная зона реактора совмещена с мишенью для пучка протонов, что существенно упрощает конструктивное выполнение реактора, кроме этого, упрощается технология вывода из эксплуатации реакторной установки;

- поскольку вещества неактиноидной группы не образуют критической массы, отпадает необходимость в системах управления и защиты.

Изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку ее реализация возможна при использовании существующих средств производства с применением известных технологических операций.