Способ преобразования ядерной энергии в тепловую энергию

 

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к технологии преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, предназначенной для разработки энергетических установок нового поколения. Согласно изобретению способ выработки энергии из ядерного топлива заключается в возбуждении ядерных каскадных процессов релятивистским пучком протонов, направляемых в активную зону реактора на мишень. При этом в качестве мишени для производства нейтронов используют непосредственно топливо активной зоны реактора. В качестве топлива используют вещества, имеющие тяжелые ядра, дающие положительный энергетический выход при реакции деления. При этом энергия протонов должна удовлетворять условию достаточности для производства вторичных частиц реакции "протон-тяжелое ядро", средняя энергия которых превышает 14 мегаэлектронвольт. В качестве топлива используют торий, уран-238, висмут, свинец или композиции этих веществ. Технический результат – исключение наработки в активной зоне реактора радиактивных долгоживущих материалов. 1 з.п. ф-лы.

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

Известны способы преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, использующие в качестве ядерного топлива элементы тяжелея радия. Действующие реакторные установки осуществляют выработку энергии с использованием этого способа преобразования ядерной энергии в тепловую. Деление ядер в этих реакторах осуществляется нейтронами либо тепловыми, либо быстрыми (энергия нейтронов в этих диапазонах не превышает 14 мегаэлектрон-вольт). Краткая энциклопедия “Атомная энергия”, ответственный редактор B.C.Емельянов, Государственное научное издательство “БСЭ”, 1958 г., с.541-545.

Основные недостатки существующей технологии преобразования ядерной энергии обусловлены:

- производством большого количества радиоактивных 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.

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, МПК7 G 21 С 1/00). Согласно этому способу пучок частиц высокой энергии направляют в камеру для производства нейтронов высокой энергии. Полученные нейтроны размножают в докритических условиях с помощью процесса воспроизводства и деления, который осуществляют внутри камеры. Энергия нейтронов в этом способе также не превышает в среднем энергии в 14 мегаэлектронвольт. 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. Принципиально в этом процессе то, что мишень для производства нейтронов в данном случае отделена от зоны ядерного топлива, которую называют бланке-том. 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 не нужен запас положительной реактивности активной зоны реактора. Однако эти реакторы будут источниками всех групп радиоактивных отходов, производимых современными установками. Именно этот недостаток является основным.

Известен способ облучения непосредственно топлива активной зоны реактора пучком протонов (“Технологические аспекты ядерных энергетических систем с воспроизводством топлива”, Москва, Энергоатомиздат, 1988, стр.190). Но в этом способе облучалось топливо, расположенное в тепловыделяющем элементе. При этом топливо не представляло собой единого массива, а было разграничено замедлителем. Это обстоятельство принципиальным образом влияло на энергетический спектр вторичных частиц, образующихся в результате взаимодействия протона и тяжелого ядра.

Наличие положительной реактивности и разграничение активной зоны реактора и теплоносителя в современных реакторах привело к использованию сложных систем управления и защиты, что существенно усложняет конструкцию реактора и требует дорогостоящих мероприятий по обеспечению надежности работы реактора. Кроме этого, очень остро стоит проблема вывода этих реакторов из эксплуатации. На сегодняшний день она не решена.

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 реактора радиоактивных долгоживущих материалов за счет использования в качестве ядерного горючего в реакторах веществ, имеющих тяжелые ядра, деление которых сопровождается выделением положительной энергии и производящих деление этих ядер элементарных частиц, в среднем имеющих энергию, находящуюся в диапазоне больших энергий (больше 14 мегаэлектрон-вольт). Активная зона реактора при этом принципиально является подкритической.

Для достижения технического результата в способе преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, 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, имеющие тяжелые ядра, дающие положительный энергетический выход при реакции деления, при этом энергия протонов должна удовлетворять условию достаточности для производства вторичных частиц реакции протон - тяжелое ядро, средняя энергия которых превышает 14 мегаэлектронвольт.

Кроме этого, в качестве топлива целесообразно использовать торий, уран-238, висмут, свинец или композиции этих веществ.

Можно уточнить энергетический диапазон, в котором должны находится вторичные частицы. Максимум сечения деления для протонов и нейтронов находится в диапазоне энергий 18-40 Мэв (Прокофьев Nucl. Instr. A 463 (2001, 557-575).

В предложенной технологии производства энергии деление ядер вызывается вторичными частицами, в среднем имеющими энергию, существенно превышающую энергию нейтронов, используемых в обычных реакторах. По принятой классификации (справочник “Физические величины” //Под редакцией И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова) нейтроны относятся к группе частиц больших энергий, т.е. энергии, большей 14 Мэв. Элементарные частицы этой энергии в современных реакторах образуются при реакциях деления, только в очень малых количествах. В качестве топлива в принципе могут использоваться все тяжелые ядра, дающие при делении положительный энергетический выход. Но наиболее целесообразно в качестве топлива использовать торий, уран-238, висмут или свинец или композиции 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 преобразования ядерной энергии в тепловую энергию заключается в возбуждении ядерных каскадных процессов релятивистским пучком протонов, направляемых в активную зону реактора.

В качестве мишени для производства вторичных частиц используют непосредственно топливо активной зоны реактора, представляющей собой сплошной массив, а в качестве топлива используют вещества, имеющие тяжелые ядра, дающих положительный энергетический выход при реакции деления. При этом энергия протонов должна быть достаточной для производства вторичных частиц с энергией, в среднем большей 14 Мэв.

Целесообразно равномерно распределять топливо в активной зоне реактора по всему пространству активной зоны.

При этом целесообразно совмещать функции топлива и теплоносителя в активной зоне реактора, в качестве которых, в ряде случаев, возможно использование одного и того же вещества.

Предложенный способ выработки энергии из ядерного топлива основан на использовании в качестве ядерного горючего в реакторах веществ, имеющих тяжелые ядра, дающих положительный энергетический выход при реакции деления. Такая возможность основана на том обстоятельстве, что при делении всех веществ с атомной массой более 60 выделяется дополнительная энергия. Так, например, при делении тория выделяется около 190 Мэв дополнительной энергии. 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 обычного ядерного топлива. Так для тория оно составляет 6 Мэв, а для свинца - 25 Мэв. В связи с этим для инициирования подобных реакций требуются вторичные частицы с энергией, как минимум, превышающей соответствующие пороговые значения. Такие частицы 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, протонов и осколков бомбардируемых ядер. Энергия вторичных частиц в значительной степени зависит от энергии налетающего протона. При превышении энергии налетающей частицы пороговой энергии деления вещества активной зоны, ядра последнего (вещества) могут делиться с выделением дополнительной энергии. При этом вероятность деления растет с ростом энергии частицы. Фрагментация тяжелых ядер при этом более глубокая. Гораздо более часты расщепления с образованием 3 и более осколков.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами выполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.

Пример 1.

Мишень, одновременно являвшаяся моделью активной зоны реактора, представляла собой сборку размером 800×500×500 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. В результате эксперимента было зафиксировано энерговыделение в свинцовой сборке, превышающее энергию, подведенную к сборке с пучком протонов.

Пример 2.

В ноябре 2002 года на ускорителе в Протвино был выполнен эксперимент по взаимодействию пучка протонов с энергией в диапазоне от 6 до 20 Гэв с большой свинцовой мишенью, включавшей в себя фрагменты из висмута. В процессе выполнения эксперимента активность свинцовой сборки была доведена до 8 рентген в час. По истечении 2 дней активность снизилась до 2 млрентген в час, а через 10 дней до уровня фона.

Применение изобретения позволяет получить преимущества перед известными, которые заключаются в том, что:

- в активной зоне реактора не нарабатываются долгоживущие продукты деления, 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. Использование в качестве теплоносителя и рабочего тела металлических веществ резко повышает срок службы реакторного оборудования и эффективность всей ректорской установки в целом. Кроме этого, упрощается технология вывода из эксплуатации реакторной установки;

- поскольку вещества, предлагаемые для использования в качестве топлива, не образуют критической массы, отпадает необходимость в системах управления и защиты;

- функции источника тепловой энергии и теплоносителя могут быть совмещены.

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

Формула изобретения

1. Способ преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, 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, имеющие тяжелые ядра, дающие положительный энергетический выход при реакции деления, при этом энергия протонов должна удовлетворять условию достаточности для производства вторичных частиц реакции протон - тяжелое ядро, средняя энергия которых превышает 14 МэВ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива используют торий, уран-238, висмут, свинец или композиции этих веществ.