annotáció
A nukleáris energia fejlesztésének stratégiai kilátásairól szóló legutóbbi értékelések során megfigyelhető a termonukleáris energiával szembeni leereszkedő arrogáns hozzáállás tendenciája, amely sajnos nagyrészt megfelel a tényleges helyzetnek. Ugyanakkor két nukleáris technológia problémáinak és potenciáljának elemzése a könnyű magok fúziójának és a nehéz magok hasadásának magreakcióin alapulva a következőket mutatja. Ezen területek mindegyikének önálló nagyszabású fejlesztése elkerülhetetlenül szükségessé teszi a technológiai, anyagtudományi, környezeti és gazdasági jellegű, még megoldatlan problémák leküzdését, ami felveti ezen energiaágazatok további fejlesztésének célszerűségének kérdését. Ugyanakkor a hasadási és a fúziós folyamatok fizikai jellemzői objektíven jelzik, hogy célszerű őket egyesíteni egyetlen atomenergia-rendszeren belül, ami nagy szinergikus hatást vált ki, amely elnyomja negatív vonatkozásaikat, önállóan fejlesztve a nukleáris technológiákat.
A cikk bemutatja a hibrid termonukleáris reaktor takarójában lévő termonukleáris neutronok szaporodásának számításait, amelyek megerősítik a stratégiai fejlesztési irány megválasztásának fizikai érvényességét és megbízhatóságát integrált atomenergia-rendszer formájában.
Bevezetés
Most, az atomenergia fejlesztésének stratégiai útjának értékelése során, a látszólag kialakult rendelkezések komoly átértékelése zajlik. A nukleáris energia fejlesztésének kétkomponensű koncepciója, amelyben a gyors és a hőhasadásos reaktorok együttesen működnek, a közelmúltban komoly felülvizsgálaton esett át. Korábban azt feltételezték, hogy az atomenergia strukturális fejlesztése a kezdeti szakaszban a kapacitásépítésen fog alapulni a hőreaktorok rovására. Ezt követően gyors reaktorok jelennek meg, magas 1,5-ös és magasabb tenyészaránnyal. Ez lehetővé teszi a növekvő természetes uránhiánnyal a zárt üzemanyagciklus megszervezését a besugárzott kiégett nukleáris fűtőelemek hatékony újrafeldolgozásával, és gyors reaktorokban történő előállításukkal kielégíteni a hasadó izotópok iránti igényt. Feltételeztékhogy az atomenergia-rendszerben a hőreaktorok aránya körülbelül 60%, a gyors reaktoroké pedig körülbelül 40% lesz. A hőreaktorok felveszik a kellemetlenségeket az energiaellátó rendszerben való munkavégzés során (a fogyasztó igényeihez igazított teljesítménytartomány, változó terhelési görbében történő működés, a rendszer nem elektromos igényeinek kielégítése stb.). A gyorsreaktorok túlnyomórészt bázison működnek, és nyers izotópokból állítanak elő üzemanyagot maguknak és a hőreaktoroknak.és nyers izotópokból üzemanyagot előállítani saját és hőreaktorok számára.valamint nyers izotópokból üzemanyagot előállítani saját és hőreaktorok számára.
Modern tendenciák
Promóciós videó:
Az atomerőműveknél bekövetkezett súlyos balesetek azonban az atomerőművek biztonsági követelményeinek jelentős szigorításának szükségességéhez vezettek. Emiatt jelentős kiigazításokat hajtottak végre az intenzív tüzelőanyag-előállításra összpontosító gyorsreaktor-tervekben, és a gyorsreaktorok új koncepciós terveit már fontolóra veszik az egységhez közeli tenyészaránnyal, alacsony magsűrűséggel. Ebben a helyzetben a gyorsreaktorok új projektjeinek hívei más módot találtak jelentőségük fenntartására. Olyan forgatókönyvet kezdtek el terjeszteni, amely azt feltételezi, hogy hosszú távon elkerülhetetlen a termikus reaktorok elhagyása, hogy az események bármelyik kialakulása esetén a gyors reaktorok helyettesítik a termikus reaktorokat.
Az emberek különbözőképpen értékelik a jövőt, és sokan úgy vélik, hogy az atomenergia fejlesztésének javasolt iránya nem valósulhat meg, és a gyors reaktorok dominanciájának új koncepciója tévesnek bizonyul. És ez az álláspont nagyrészt igazolható. A rendelkezésre álló alternatívák lehetővé teszik, hogy sokkal vonzóbb konfigurációban beszéljünk az atomenergia-rendszer fejlesztésének lehetőségeiről.
A főként a gyors reaktorokon alapuló atomenergia építésének legszembetűnőbb rendszerszintű hátrányai nyilvánvalóak. Még ha feltételezzük is, hogy maga a gyorsreaktor tökéletesen elkészült, és nincsenek olyan hibái, amelyek kétségeket ébresztenének a többi projekttel szembeni abszolút fölényében, elkerülhetetlen rendszerszintű nehézségek merülnek fel.
Első. A gyors reaktorokban az újonnan előállított hasadó izotóp (plutónium) fő része a magban fog előállni, ahol az energia előáll és a radioaktív hasadási termékek nagy része képződik. Ezt a rendkívül aktív üzemanyagot kémiailag gyorsan fel kell dolgozni. Az újrafeldolgozás során az összes radioaktív izotóp felszabadul a besugárzott üzemanyagból. Nagy mennyiségű radioaktivitás elhagyja a lezárt tüzelőanyag-elemet, és eloszlik a dolgozószobában. Annak ellenére, hogy megpróbálják kordában tartani ezt a radioaktivitást, ez meghatározza a lehetséges radioaktív események fő kockázatát, különféle okokból, a közismert emberi tényezőtől a tervezett szabotázsig.
Második. A gyors reaktoroknak szinte teljesen ki kell cserélniük a termikus reaktorokat. Figyelembe véve, hogy a gyors reaktorok szükséges prototípusa még nem áll rendelkezésre, hogy egy ilyen cserére fokozatosan kerül sor, hogy az legkorábban a század közepén kezdődik, és még akkor is, ha a világon mindenki beleegyezik a támogatásába, az eljárás legalább két évszázadig tart. Ez idő alatt az utánunk élők között valószínűleg lesznek olyan emberek, akik képesek lesznek előállni és megvalósítani az atomipar vonzóbb profilját. És az ideális gyorsreaktor létrehozására irányuló erőfeszítések hiábavalók lesznek.
Harmadik. A plutónium többszöri újrafeldolgozása jelentős mennyiségű kisebb aktinidek, a természetben hiányzó izotópok képződéséhez vezet, amelyeket az emberiség különféle okokból nem szándékozik elviselni, és megsemmisítésre szorul. Szükség lesz ezen izotópok transzmutációjának megszervezésére is, amely folyamat nagy baleseti kockázattal jár, és amely a környezet jelentős radioaktív szennyeződéséhez is vezethet.
Elfogadhatnánk ezeket a hiányosságokat elkerülhetetlen rosszként, de egy ilyen álláspont csak alternatíva hiányában igazolható, de létezik.
Fúziós energia
A gyors reaktorok dominanciájának alternatívája lehet a fúziós és a hasadó reaktorokon alapuló atomenergia-rendszer kifejlesztése. Javaslatot tett a termonukleáris reaktorok atomenergia-struktúrában történő felhasználására, amelyek a rendszer neutronpotenciáljának jelentős növekedését biztosítják I. Kucsatov Később megjelent a hibrid termonukleáris reaktor koncepciója, amelynek blankjában új hasadó izotópot állítottak elő és energiát állítottak elő. Az elmúlt években ennek a koncepciónak a továbbfejlesztése folytatódott. A nukleáris rendszer új verziója feltételezi, hogy a fúziós reaktorok (termonukleáris reaktorok) a hasadó reaktorok nyers izotópjaiból nukleáris üzemanyagot állítanak elő, a hasadási reaktorok pedig, mint most, energiát termelnek.
A közelmúltban megjelent cikkben "A fúziós energia nukleáris problémái" a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy a fúzió számos okból nem tekinthető nagyszabású energiatechnológiának. De ez a következtetés teljesen igazságtalan, ha olyan egységes rendszert gondolunk, amelyben az atomenergia-technológiák (fúzió és hasadás) kiegészítik egymást, és hatékonyabban teljesítik a másik számára nehéz feladatokat.
A tórium üzemanyagciklusán belül legelőnyösebb egy megbízható atomerőmű-rendszer létrehozása hasadó- és fúziós reaktorokkal. Ebben az esetben a termonukleáris reaktorok részesedése a rendszerben minimális lesz (kevesebb, mint 10%), a torium-232 betápláló izotópból nyert mesterséges hasadó urán-233 izotóp a legjobb megoldás a termikus neutron reaktorok számára, az egyesített nukleáris rendszerben a kisebb transzuránok problémája egyszerűen nem fog létezni. A rendszerben termelt Am, Cm stb. Mennyisége. elhanyagolható lesz. Egy ilyen rendszernek olyan üzemanyagciklusa lesz, amelyben a legkisebb a környezet radioaktív szennyeződésének kockázata.
A koncepció megvalósításának természetes kritériuma a neutronegyensúly. Az a magreakció, amelyen a fúziós reaktorban neutronok termelődnek majd, a trícium és a deutérium fúziójának reakciója
D + T = He + n + 17,6 MeV
A reakció eredményeként 14,1 MeV energiájú neutront és 3,5 MeV energiájú alfa részecskét kapunk, amely a plazma felmelegítésére marad. A vákuumkamra falán átrepülő nagy energiájú neutron belép egy termonukleáris reaktor takarójába, amelyben megsokszorozódik, és amikor egy nyers izotóp befogja, új hasadó izotópot kapunk. A termonukleáris neutron megsokszorozódása az (n, 2n), (n, 3n) és (n, hasadás) reakciók eredményeként következik be - a nehéz magok, jelen esetben egy nyers izotóp hasadási reakciója. Mindezek a reakciók küszöb jellegűek. Az 1. ábra a feltüntetett keresztmetszetek grafikonjait mutatja. A maximális neutronszaporodás biztosítása érdekében fontos, hogy a takaró üzemanyag-összetétele minimális mennyiségű fénymagot és természetesen neutronabszorbereket tartalmazzon.
1. ábra A neutronszaporodás mikroszekciói a Th-232-ben.
Az új hasadó izotópok termonukleáris reaktorban történő termelésének lehetőségének felmérése érdekében egy sor számítást hajtottunk végre a takóriát betápláló izotópként használó takaró tüzelőanyag-összetételek különböző variánsaira. A számításokat különféle programok és nukleáris adattárak segítségével hajtották végre. Az alkalmazott programok az MCU könyvtár ENDF / B-6, MCNP, az ENDF / B-6 könyvtár, a LUKY csoportos könyvtár voltak. A táblázat a tórium-232 neutronfelvételének egy fúziós neutronforrásonkénti számításának eredményeit mutatja be a nukleáris izotópkoncentrációk meghatározott arányú üzemanyag-összetételére. Bizonyos kiviteli alakoknál azt feltételeztük, hogy az izotópok meghatározott arányát nem kémiai vegyületként, hanem konstruktívan kaptuk meg, amikor bizonyos mennyiségű tóriumot a kívánt izotóp megfelelő mennyiségével kevertünk.
1. táblázat A termonukleáris neutronok (E = 14,1 MeV) szaporodása a tórium üzemanyag-összetételű hibrid reaktor takarásában.
Az utolsó oszlop felsorolja a neutronok szaporodását a nyers izotóp hasadási reakciója miatt jellemző értékeket. Megadódnak a hasadás miatti neutrontermelés értékei, azaz ν∑f. A LUKY csoport programban a reakció (n, 2n) és (n, 3n) keresztmetszeti mátrixait integrálják a keresztmetszetekkel a rugalmatlan szórás érdekében. Ez nem teszi lehetővé e reakciók sebességének külön-külön történő megszerzését.
Összességében a bemutatott számított adatok jó összhangban vannak egymással, ami okot ad arra, hogy a hibrid reaktor takarójában a termonukleáris neutronok hatékony szaporodására számítsunk. A táblázatban bemutatott számítási eredmények a termonukleáris neutronok elméleti multiplikációs potenciálját mutatják (14,1 MeV). A tórium végtelen közegében körülbelül 2,6, azaz egy neutron körülbelül 2-szeresére szorozódik a reakciók (n, 2n) és a reakciók (n, 3n), valamint a tórium-232 1,5-szeres hasadása miatt. A különböző programok és könyvtárak számításai körülbelül 10% -kal térnek el. Ezek a különbségek több nukleáris adatkönyvtár használatának tudhatók be. Figyelembe véve a jelzett hibát, a bemutatott eredmények konzervatív iránymutatásként szolgálhatnak a hasadó izotópok termonukleáris reaktor takarójában történő szaporodásának paramétereinek értékeléséhez. Megmutatták, hogy az a meghatározó tényező, amely a takaró szaporodóképességének csökkenéséhez vezet, az a fényszóró izotópok jelenléte, beleértve az O-16, F-19 izotópokat is, amelyek szintén nagy rugalmassággal reagálnak a rugalmatlan neutronszóródásra. A számítások azt mutatják, hogy az S-12 használata a takarót kitöltő üzemanyagcellák burkolatának gyártásához meglehetősen ígéretes. A grafit használata az egyik tervezési lehetőségnek tekinthető. Még abban az esetben is, amikor a tóriumnál két és félszer több szénatom van, a termonukleáris neutronok szorzótényezője közel a 2-hez. Ez azt jelenti, hogy a neutronmérleg helyes megszervezésével az urán-233 új hasadó izotóp egy magja takaróban és egy mag trícium.ami a takaró szaporodóképességének csökkenéséhez vezet a fényszóró izotópok jelenléte benne, beleértve az O-16-ot, az F-19-et is, amelyek szintén reagálnak a neutronok rugalmatlan szórására nagy energiákon. A számítások azt mutatják, hogy az S-12 használata a takarót kitöltő üzemanyagcellák burkolatának gyártásához meglehetősen ígéretes. A grafit használata az egyik tervezési lehetőségnek tekinthető. Még abban az esetben is, ha a tóriumnál két és félszer több szénatom van, a termonukleáris neutronok szorzótényezője közel 2-hez. Ez azt jelenti, hogy a neutronmérleg helyes megszervezésével az urán-233 új hasadó izotóp egy magja takaróban és egy mag trícium.ami a takaró szorzóképességének csökkenéséhez vezet a fényszóró izotópok jelenléte benne, beleértve az O-16-ot, az F-19-et is, amelyek szintén reagálnak a neutronok rugalmatlan szórására nagy energiákon. A számítások azt mutatják, hogy a C-12 használata a takarót kitöltő üzemanyagcellák burkolatának gyártásához meglehetősen ígéretes. A grafit használata az egyik tervezési lehetőségnek tekinthető. Még abban az esetben is, ha a tóriumnál két és félszer több szénatom van, a termonukleáris neutronok szorzótényezője közel 2-hez. Ez azt jelenti, hogy a neutronmérleg helyes szervezésével az urán-233 új hasadó izotóp egy magja takaróban és egy mag trícium. Az F-19 reakciója a neutronok rugalmatlan szétszóródása is nagy energiák esetén. A számítások azt mutatják, hogy a C-12 használata a takarót kitöltő üzemanyagcellák burkolatának gyártásához meglehetősen ígéretes. A grafit használata az egyik tervezési lehetőségnek tekinthető. Még abban az esetben is, ha a tóriumnál két és félszer több szénatom van, a termonukleáris neutronok szorzótényezője közel 2-hez. Ez azt jelenti, hogy a neutronmérleg helyes megszervezésével az urán-233 új hasadó izotóp egy magja takaróban és egy mag trícium. Az F-19 reakciója a neutronok rugalmatlan szétszóródása is nagy energiák esetén. A számítások azt mutatják, hogy a C-12 használata a takarót kitöltő üzemanyagcellák burkolatának gyártásához meglehetősen ígéretes. A grafit használata az egyik tervezési lehetőségnek tekinthető. Még abban az esetben is, ha a tóriumnál két és félszer több szénatom van, a termonukleáris neutronok szorzótényezője közel 2-hez. Ez azt jelenti, hogy a neutronmérleg helyes szervezésével az urán-233 új hasadó izotóp egy magja takaróban és egy mag trícium. A grafit használata az egyik tervezési lehetőségnek tekinthető. Még abban az esetben is, amikor a tóriumnál két és félszer több szénatom van, a termonukleáris neutronok szorzótényezője közel a 2-hez. Ez azt jelenti, hogy a neutronmérleg helyes szervezésével az új hasadó izotóp urán-233 egy magja takaróban és egy mag trícium. A grafit használata az egyik tervezési lehetőségnek tekinthető. Még abban az esetben is, amikor a tóriumnál két és félszer több szénatom van, a termonukleáris neutronok szorzótényezője közel a 2-hez. Ez azt jelenti, hogy a neutronmérleg helyes szervezésével az új hasadó izotóp urán-233 egy magja takaróban és egy mag trícium.
Természetesen a gyakorlatban előfordulnak neutronveszteségek, és ezek pótlásához további neutronokra lesz szükség. Ilyen neutronok különféle módon állíthatók elő. Például a fúziós reakcióhoz szükséges trícium egy része előállítható a hasadási reaktor magjában. Ennek a neutronpótlási módszernek a lehetősége nagyon magas. Az urán-233 üzemanyagciklus hőhasadó reaktoraiban a tenyészarány körülbelül 0,8, azaz egy megégett urán-233 magért 0,8 tríciummagot kaphat. Ez az érték több mint az összes neutronveszteséget fedezi. Csökkenteni lehet a fúziós reaktor takarójának széntartalmát, azaz Az üzemanyagcella burkolatának vékonyabbá tétele érdekében ennek a javaslatnak a potenciálja 0,2 - 0,3 további neutron. Egy másik módszer a takaróban felhalmozódott urán-233 kismértékű hasadásának lehetővé tételére. Ennek az opciónak ésszerű lehetőségei,amely nem vezet a takaró nehéz magjainak hasadási termékeinek jelentős növekedéséhez, több mint 0,5 neutron.
Következtetés
A hibrid reaktor üres részében a hatékony neutronszaporodás fontossága annál is fontosabb, mert lehetővé teszi az SNF hasadásos reaktorokból történő újrafeldolgozásának elhagyását. A rendszerben annyi neutron lesz, hogy teljes mértékben kompenzálni lehessen a hasadó izotópok veszteségét a hasadási reaktorokban történő energiatermelés során a termonukleáris reaktor takarójában található betápláló izotópból történő előállításuk során.
Egyáltalán nem mindegy, hogy milyen típusú hasadási reaktorok vannak a rendszerben, gyorsak vagy termikusak, nagyok vagy kisebbek.
Az újonnan előállított urán-233 kivonása a takarékos üzemanyag-összetételből körülbelül két-három nagyságrenddel kevesebb radioaktivitás felszabadulásával jár, összehasonlítva azzal a lehetőséggel, amikor a hasadó izotópokat el kell választani a hasadó reaktorok SNF-jétől. Ez a körülmény biztosítja a környezet radioaktív szennyezésének minimális kockázatát.
Az elvégzett számítások alapján könnyen megbecsülhető a hibrid termonukleáris reaktorok aránya. A teljes rendszer hőkapacitásának kevesebb mint 10% -a lesz, következésképpen az egész rendszer gazdasági terhe nem lesz nagy, még akkor sem, ha a hibrid fúziós reaktorok drágábbak, mint a hasadási reaktorok.
Az atomenergia-rendszerbe beágyazott termonukleáris technológiákat és azok jövőbeli fejlődését az atomipar stratégiai fejlődésének általános irányának kell tekinteni, amely képes az energiaellátás legfontosabb problémáinak hosszú távú, gyakorlatilag bármilyen méretű megoldására, a környezetre gyakorolt negatív radioaktív hatás minimális kockázatával.