(57)【要約】      （修正有）【課題】重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変換させる方法とその実行のための設備を提供する。【解決手段】相対論的イオン加速器、ビーム輸送・ターゲット照射ブロック、予備ブロック、熱変換器からなり、ターゲットのセクション数によって三つのバリエーションがあり、第１型はターゲットセクションは一つで、円錐形または球状で、核エネルギーを熱エネルギーに変換させるためのもの、第２型はターゲットセクションが二つで、円柱形または円錐形を有し、相対性論的イオンのビームでエネルギーを生み出す他にも、寿命の長い放射性核種を含む核廃棄物を、寿命の短い放射性核種の放射性廃棄物に変えることができる。第３型はターゲットセクションが三つで、円柱形または円錐形をしており、上記に加えて第2セクションで分裂する放射性核種の割合が増えるところから最大限のエネルギーを生産できる。【選択図】図１
2016114604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対論的イオンのビームを受け取り加速する工程と、
前記ビームにより定期的に更新される深い未臨界ターゲットの物質の原子核を照射し破壊して、中性子など二次的に生まれる粒子流を発生させる工程と、
前記粒子流の働きで重い化学元素の同位体の核分裂を引き起こし、同時に核内部のエネルギーを解放する工程とを備え、
前記ターゲットのサイズを前記ビームの運動エネルギーと二次的に生まれる前記粒子流を受け取れるよう調整し、原子核破壊でできた物質の貯蔵と交換の時間を設定する、重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変える方法において、
前記相対論的イオンのビームを、前記ターゲットとなる物質の破壊で2またはそれ以上の世代の、原子核のマルチフラグメントな破壊による新たな物質を得ることができるエネルギーまで加速し、核内部のエネルギーを原子核破壊の産物が貯蔵され放射される物質と交換する以上の時間をかけて解放し、二次的な前記粒子流を処理し、放射性物質は冷却し、本方法で利用できるような物質を取り出す原料として再処理することを特徴とする重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変える方法。
【請求項２】
順に相対論的イオンビーム加速器と、
ビーム輸送・ターゲット照射ブロックと、
耐熱・対放射能・対錆仕様で上部に出口のある容器入りの重い化学元素からなる深い未臨界ターゲットと、
熱変換器とを備える、重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変える設備において、
前記ターゲットの容器は、前記設備のエネルギー軸に対して円錐形または球状となっており、配管を通じて前記熱変換器に接続され、また配管と遮断装置を通じて、補充可能で前記ターゲット上部にある予備ブロックに接続されていることを特徴とする重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変える設備。
【請求項３】
順に相対論的イオンビーム加速器と、
ビーム輸送・ターゲット照射ブロックと、
耐熱・対放射能・対錆仕様で上部に出口のある容器入りの重い化学元素からなる深い未臨界ターゲットと、
熱変換器とを備える重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変える設備において、
前記ターゲットの容器が第1および第2セクションの2セクションに分かれており、前記第1および第2セクションは前記ビーム輸送・ターゲット照射ブロックから順に並んでおり、それらの側面は前記設備のエネルギー軸に対して一面的な円柱形または円錐形を有し、前記第1セクションの底は交換・固定できるようになっていて平型または球状で、前記第2セクションは、配管を通じて熱変換器に接続され、配管と遮断装置を通じて、補充可能でその上にある予備ブロックと接続されることを特徴とする重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変える設備。
【請求項４】
順に相対論的イオンビーム加速器と、
ビーム輸送・ターゲット照射ブロックと、
耐熱・対放射能・対錆仕様で上部に出口のある容器入りの重い化学元素からなる深い未臨界ターゲットと、
熱変換器とを備える重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変える設備において、
前記ターゲット容器が第1〜第3セクションの3セクションに分かれており、前記第1〜第3セクションは前記ビーム輸送・ターゲット照射ブロックから順に並んでおり、それらの側面は前記設備のエネルギー軸に対して一面的な円柱または円錐形を有し、前記第1セクションの底面は交換・固定可能で平型または球状で、前記第2および第3セクションの底は球状で相対的に配置されており、前記第2および第3セクション間の距離は底面径の差に一致し、前記ターゲットの容器の前記第3セクションは配管と遮断装置で第2セクションおよび予備ブロックに接続され、前記第2セクションは配管で前記熱変換器に接続され、前記予備ブロックは補填可能で前記第3セクションの上に位置することを特徴とする重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変える設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は重い化学元素の核物理化学及び原子力発電の領域に属し、より具体的には重い化学元素の同位体放射により核エネルギーを熱エネルギーに変換する方法と、加速された重い荷電粒子のビームで、該ビームを吸収できるだけのサイズの深い未臨界域のターゲットを照射することで、これを実行する設備に関する。
【０００２】
本発明はまた、様々な物体や物質の照射または不活性化、同位体の獲得または分離、核ドーピングなどその他の目的にも利用できるものである。
【背景技術】
【０００３】
あらゆる元素やエネルギーの粒子から同位体を分離させるというテーマは積極的に研究されている。例えば当技術分野で周知のように、アルカリ金属の同位体を分離させる方法(特許文献１)、イッテルビウム同位体を分離させる方法(特許文献２)、水銀の同位体を分離させる方法(特許文献３)などが知られている。
【０００４】
当技術分野で周知のように、核燃料材料加工目的でのイオン化による同位体分離手法（特許文献４）が知られているが、その手法は第一のエネルギー範囲及び/またはエネルギー準位の1に相当するエネルギーを持つエレメントを、第二のエネルギー範囲及び/またはエネルギー準位の2に相当するエネルギーを持つエレメントから部分的に分離させ一連のエレメントに働きかける化学物質のプラズマに注入するというものである。
【０００５】
核技術の観点から非常に実用的なものとしては、エネルギー荷電粒子を分離させる方法及び設備(特許文献５)がある。この手法は荷電粒子を分離させるためのもので、同位体を分離させる方法、制御可能な核または熱核融合の実施手段、荷電粒子ビームをイオンビーム及び電子ビーム装置で形成する手法、加速装置において荷電粒子ビームを制御する方法等を模索する中で開発された手法と並んで、たとえばエネルギーによる同位体分離の段階において利用されるものである。
【０００６】
特許文献６および特許文献７においては、原子力発電所の原子炉の活性域で発生する破砕中性子を使ってシリコンの単結晶を不活性化・エッチング・ドーピングする方法が提案されている。
【０００７】
2001年の特許文献８において、重い元素の長寿命放射性核種を入れた原子炉の弱未臨界活性域(k〜1)を用いた方法とその設備について記述してある。活性域の臨界達成に不足(k=1)する中性子の注入は外部より行い、そのためには１GeVのエネルギーを持つ陽子加速器と鉛または鉛ビスマスターゲットを用いる。しかし、ここに紹介される技術方法では、核エネルギーを熱エネルギーに変換する際の効率を少しも有意に高めることはできないが、それは陽子ビームを用いる方法に元来特徴的かつ本来的に乗り越えられない制限によるものである。さらにこの方法では、長寿命放射性核種が許容範囲を超えて大量に形成される原因、すなわち核テロリズムに応用されうる物質が得られるリスク発生を排除することができない。    
【０００８】
2003年の特許文献９においては相対論的陽子ビームを利用して核カスケード過程を誘発する方法が紹介されているが、ここでは、すでに重い化学元素(鉛、ビスマス、トリウム、劣化ウラン及びこれらの組み合わせ)からなる深い未臨界のターゲットに照射し、ターゲット内容物は燃料ならびに熱伝導体として利用されている。発明者はターゲットの核分裂がより深化され、加速を受ける粒子のエネルギーが増大する可能性が高まると指摘している。だがこの技術的手法も前掲と同じ欠点を抱えており、その原因は相対論的陽子ビームの使用にあるもので、また提案されているターゲットの中やそこから発生する二次的な中性子流の処理の問題にも触れられていない。
【０００９】
技術の本質として本発明に最も近い先行技術は、2008年の特許文献１０である。この技法は、重い荷電粒子ビーム‐ウラン、トリウム、ビスマス、鉛の、多重に荷電された同位体イオンを加速して、ビーム照射ターゲットとなる深い未臨界活性域でカスケード核子流を発生させられるまでのエネルギーに高めるというもので、ターゲットの状態は調整可能で必要があれば内容物を変えられる。このような核子の流れをより集中させるため、活性域は部分的または全体的に使用済み核燃料から成立させるよう提案されている。この手法を実現するための設備は、相対論的荷電種イオン加速器、ビーム輸送・ターゲット照射ブロック、基本的に頑強で主に円柱型の容器に収めたターゲットの入る付随の加速器から構成される。炉(ターゲット)で発生する余剰エネルギーは、一次及び二次冷却系の熱伝導体と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するユニットを含み、また熱交換器の機能を有する下部システムによって送られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ロシア連邦特許第2129909号, B01D59/34
【特許文献２】ロシア連邦特許第2119816号, B01D59/00, B01D59/34, C01G57/00, 1998年
【特許文献３】ロシア連邦特許第2074018号, B01D59/34, C01G13/00
【特許文献４】ロシア連邦特許第2189273号, B01D59/00, 2000年
【特許文献５】ロシア連邦特許第2187171号, B01D59/00, 2000年
【特許文献６】ロシア連邦特許第2119688号, G21F9/00「シリコンの不活性化手段」, 1997年
【特許文献７】ロシア連邦特許出願申請書第2000124650号「シリコン中性子ドーピングの手法」, 2000年
【特許文献８】ロシア連邦特許第2267826号, G21G1/02「超ウラン化学元素を燃焼する方法及びその方法を実現するための原子炉」
【特許文献９】ロシア連邦特許第2238597号, G21C1/30「核エネルギーを熱エネルギーに変換する方法」
【特許文献１０】ロシア連邦特許第2413314号「核エネルギーを熱エネルギーに変換する方法および施設」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記に挙げたプロトタイプで紹介される仕組みには長所もあるが、加速イオンビームのもつ可能性を存分に活用し、核エネルギーを熱エネルギーに変換する際の効率を高め、プルトニウムやマイナーアクチノイド(ネプツニウム、アメリシウム、キュリウム)といった長寿命放射性核種の処理などができていないという短所もある。
【００１２】
本発明では同種の発明やプロトタイプにおける、上掲の欠点を排除した。
【００１３】
本発明における課題は、核エネルギーを熱エネルギーに変換する効率の上昇、多種にわたる長寿命放射性核種の処理効率の上昇である。
【００１４】
また、ここでいう長寿命放射性核種とは、半減期が15年を超えるものを指す。
【００１５】
本発明の技術的な効果は、核エネルギーを熱エネルギーに変換する効率の上昇、多種にわたる長寿命放射性核種の処理ができること、再利用可能な物質が得られることである。
【００１６】
重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変換する方法における技術的な効果は、相対論的イオンのビームを生成して加速し、これによって深い未臨界状態のターゲットの定期的に再生可能な物質の原子核を放射して破壊し、中性子など二次産物となる粒子流を得て、これらの粒子を利用して重い化学元素のアイソトープ核を分離し、同時に核内部のエネルギーが放出され、ターゲットの状態はビームの運動エネルギーと二次産物の粒子流を受け取れるよう大きさを調整し、原子核破壊でできる産物の堆積と交換にかかる時間を測定し、相対論的イオンビームを加速して、ターゲットとなる物質の破壊を通じて2またはそれ以上の世代の原子核のマルチフラグメントな破壊による産物を得られるようなエネルギーにまで高め、核内部のエネルギーを、原子核破壊による産物の蓄積及び、放射にむけ準備された物質への交換時間を越えるまで解放し、二次産物の粒子束を処理し、放射された物質は表明された手法によって冷却され、再利用可能な素材を得るための再処理にまわされるという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
重い化学元素の同位体照射により核エネルギーを熱エネルギーに変換する設備における技術的結果は、設備の第1型では、設備は順に、相対論的イオンビーム加速器、ビーム輸送・ターゲット照射ブロック、上面の開いた耐熱・耐放射能・防錆容器に入った重い化学元素からなる深い未臨界のターゲット、および熱変換ブロックで構成され、ターゲットの容器は、設備のエネルギー軸に対し円錐型か球状で、配管によって熱交換器と接続されており、また配管及び遮断装置によって、補充可能でターゲットの上に設置される予備ブロックと接続されている。これによって核エネルギーを熱エネルギーに変換するためのより簡潔で、すなわちより安全な設備構成が可能になる。
【００１８】
設備の第2型では、設備は順に、相対論的イオンビーム加速器、ビーム輸送・ターゲット照射ブロック、上面の開いた耐熱・耐放射能・防錆容器に入った重い化学元素からなる深い未臨界のターゲット、および熱変換ブロックで構成され、ターゲットの容器は、二つのセクションに分かれ、ビーム輸送・ターゲット照射ブロックに面して位置し、側面は設備のエネルギー軸に対して同型の円柱または円錐の形状で、第１セクションの底は、交換および固定可能になっており、平らか球状であり、第２セクションは、配管で熱変換器に接続されており、同じく配管と遮断装置で、補充可能でターゲットの上に設置される予備ブロックと接続されている。この型では、エネルギー生成のほか、相対論的イオンビーム照射で長寿命放射性核種を多く含む放射性廃棄物を、主として短寿命放射性核種を含む放射性廃棄物に変えられる点が特徴だが、その方法はターゲットの第１セクションを放射性廃棄物および/またはアクチノイド、および/または使用済み核燃料で構成できることによる。
【００１９】
第3の型では、設備は順に相対論的イオンビーム加速器、ビーム輸送・ターゲット照射ブロック、上面の開いた耐熱・耐放射能・防錆容器に入った重い化学元素からなる深い未臨界のターゲット、および熱変換ブロックで構成され、ターゲットの容器は、三つのセクションからなり、ビーム輸送・ターゲット照射ブロックに面して位置し、側面は設備のエネルギー軸に対して同型の円柱または円錐の形状で、交換および固定可能な第1セクションの底は平らか球状であり、第2・第3セクションの底は球状で、セクション間の距離は径の差に一致し、またターゲットの容器の第3セクションは配管および遮断装置で第2セクションおよび予備ブロックに接続し、すなわち同時に第2セクションは配管によって熱変換器に接続し、補充可能な予備ブロックはターゲット容器の第3セクションの上部に位置する。この型の特徴は、第2型の長所に加え、ターゲットの第2セクションで分裂する放射性核種の割合が多いため、最大限にエネルギー生成できることである。
【００２０】
本発明の方法及び設備については、図1-13および表1により解説する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】1GeV/中性子のエネルギーを持つ多価イオンU-238 が誘発するウランターゲット核のマルチフラグメントな崩壊の雪崩プロセスの最初の6段階を示したものである。
【図２】本発明の方法を実現する重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置のうち、ターゲット容器が1セクションであるものを示したものである。
【図３】本発明の重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置の断面図である。
【図４】本発明の方法を実現する重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置のうち、ターゲット容器が1セクションで球状のものを示したものである。
【図５】上記の重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置の断面図である。
【図６】重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置でターゲット容器が2セクションになっており、1セクション目が円柱形のものである。
【図７】上記の重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置の断面図である。
【図８】重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置の断面図で、円柱形のターゲット容器が2セクションあり、1セクション目の底が球状になっているものである。
【図９】重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置の断面図で、円錐形のターゲット容器が2セクションあり、1セクション目が切頭円錐形になっているものである。
【図１０】重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置の断面図で、円錐形のターゲット容器が2セクションになっており、2セクションともに底が球状になっているものである。
【図１１】重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置で円柱形のターゲット容器が3セクションになっており、1セクション目が円柱形で、2および3セクション目の底が球状になっているものである。
【図１２】上記の重い化学元素の同位体照射による核エネルギーの熱エネルギー変換装置の断面図である。
【図１３】長寿命放射性核種で完結する核燃料サイクルを図式化して示したものである。
【００２２】
表1は、長寿命放射性核種の一覧である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の方法は、放射性核種の原子核(3Hから251Cfまで)が、相対論的に重い粒子(中性子、陽子、重陽子からウランの多価イオンまで)のビームを照射されて起きるマルチフラグメントな破壊で発生するエネルギーの系統的な研究成果に基づいている。原子核のマルチフラグメントな破壊という現象そのものは、大分以前から知られていた(実験的核物理学全2巻  K.N.ムヒン, モスクワ「エネルゴアトムイズダト」出版所  1993年  11章73節)。だがこの現象の研究において、破壊で発生する破片によって引き起こされるものも含めた、原子核のマルチフラグメントな破壊の系統的なエネルギー生成の計算は行われてこなかった。ターゲット原子核が第二世代またはそれ以降の世代の破片で破壊される際のエネルギー解放の効果についても、発見また研究されることはなかった。
【００２４】
この作業については発明者が、相対論的イオンのビームによる種々の化学元素のターゲットにおける核反応エネルギー計算の方法(物理上の数値便覧。I.S.グリゴリエフ、E.Z.メイリホフ,モスクワ「エネルゴアトムイズダト」出版所1991年)および、中性子の重さの障害に関する評価核データならびにブルックヘイブン国立研究所のサイト（http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/）に掲載されている3288種の核種に基づき独自に開発したプログラムにより実施した。計算結果は実験結果により証明されることを前提としている。
【００２５】
本作業の結果、根本的な特徴が発見されたが、それは長寿命放射性核種のマルチフラグメントな核破壊エネルギーの、なかでも相対論的に重い粒子でターゲットを放射した際（核内部エネルギーが解放され相対論的粒子の運動エネルギーが吸収される）のアクチノイド元素の破壊による電力特性の利点であり、これは電子を帯びた核の破片がエネルギー生成の効率上昇に貢献することを証明するものであった。その結果、発明者は、上記の効果を、エネルギー生産・環境・保健上の課題と問題を解決するため実用的に利用する新しい方法を提案するものである。
【００２６】
それは例えば、相対論的な多価イオンウラン238がC14と非弾性衝突する際、それらのマルチフラグメント分裂が発生し、計算によれば中性子を含めおよそ30の破片に分かれるが、同時にこれらが飛散し、飛び回る粒子の運動エネルギーが伝達される。相対論中性子がU238に当たれば、確実に後者は崩壊し、計算によれば30以内の破片となって、エネルギーは解放され、あらゆるルートをたどって飛散する。電荷や重量で塩素の核種に並ぶかそれ以上(パラジウム以下まで)の高いエネルギー値を持つ破片は、U238の核を分裂・飛散させ、計算によれば33以内の破片となり同時にエネルギーが解放される。Cs137核のマルチフラグメント分裂は同様に、相対論的粒子の運動エネルギーが多くの飛散する破片に伝達され、その数は計算によれば35にもなりうる。
【００２７】
類似の結果は、ターゲットの核がマルチフラグメント分裂した時の高いエネルギー値を持つ産物でも得られているが、これらは、今度は次のターゲット核を攻撃し破壊していく。核の荷電フラグメントと中性子が形成されると、飛来する粒子の運動エネルギーを奪うだけでなく、マルチフラグメント分裂の結果頻繁に解放されるエネルギーも捉え、その後のターゲット核との衝突で次の世代の副産物の粒子を生み出し、その物質の雪崩崩壊を引き起こす。
【００２８】
図1において、1GeV/核子のエネルギーを持つ32価イオンのウラン238 により、ウラン238の核のマルチフラグメント分裂が引き起こされるプロセスの最初の6段階について、第1世代に6種の同等の重量をもつ電荷を帯びたフラグメント（破片）と39の中性子が発生することを例に示した。
1．加速されたウラン238のイオンがターゲット核に衝突する。
2．高エネルギーの第1世代の破片発生、194MeV(実現パターンは〜3*1012)が解放される。
3．第1世代破片が飛び散る。
4．第1世代破片がターゲット核に衝突する。
5．高エネルギーの第2世代破片発生、計算値ではおよそ190MeV(エネルギー実現パターンは2*108以上)が解放される。
6．第2世代破片が飛び散る。
【００２９】
図1は本発明の手段の特徴を表しており、それぞれの中性子と電荷を帯びた第1世代の破片が生じ、高いエネルギーを帯びた破片が計算では10以上でき、およそ190MeVのエネルギーを解放する様子が示されている。同時にビームの粒子は少なくとも2世代の破片を作り出し、それによって計算上は約450以上にもなるターゲット核を破壊し、およそ194+45x193MeV＝8,7GeVの核内部エネルギーを解放する。このような破片の第3世代の発電において破壊される核の数は、計算によれば、最大4500にもなり、解放されるエネルギーはおよそ194+450x190MeV＝86GeVになる。
【００３０】
このように、原子核の雪崩崩壊プロセスが開始・展開され、なかでも最後の電子を帯びた破片によるものでは、そのエネルギーが、ターゲット核の破片の運動軌線上にあった核のクーロン障壁を超え、その後、破片を破壊していく。
【００３１】
このようにウラン238の核が6つの破片に分裂するなど、他の第1世代の核の破片がどのような運命を明白に辿っていくかということを順序だって追っていくと、同様のいわゆるループチェーン、即ち重量と電荷において同等で、ターゲット核が同じく段階的に破壊される最初の破片で完結するようなチェーン現象へと行きつく。提示した様々な規模の段階は、無論、ターゲット核が崩壊するとき、エネルギー・運動量・電荷・バリオン数保存の法則が及ぶ範囲で、かつ類似のプロセスにおいて、どのような数の破片に分裂する場合でも見られるものである。
【００３２】
このように、提示された分裂のプロセスの過程で、容量としては同等のターゲット核崩壊のループ状の順序だった段階が多く実現される。言い換えれば、ビームの相対論粒子でターゲットを破壊することから始まる、似たような段階の多くの実現可能な容量を出すことができれば、その他の平等な条件が守られる前提で、それに必要なエネルギーを獲得することが可能ということである。その場合、ビームのどの粒子もがターゲット核の多くを破壊することが可能となり、加速器の加速力に対する要求は非常に低下することになる。
【００３３】
上記の、ターゲットに含まれる物質の核破壊が激化される効果の意味するところは以下のとおりである。
【００３４】
まず、相対論的エネルギーにまで加速された重い荷電粒子のビームを、このビームの照射対象となるターゲットのあるセクションで、表1の長寿命放射性核種をはじめとする様々な物質を入れて適宜照射させると、放射化学的再生と再加工により、放射を受けたターゲットの内容物が何回もの再サイクルを経て、事実上処理を完了することができる。
【００３５】
第二に、放射性廃棄物の処理副産物は、分離される、すなわち長寿命放射性核種を多く含む廃棄物、および分離されない（および/または化学的）廃棄物、実験炉・産業炉・エネルギー炉の使用済み核燃料も含め、それぞれ冷却されて放射化学的またはその他の再処理の後、生産の様々な分野で利用できる。これは上掲の産物がどちらかというと安定し、中性子の不足する核種であるという事情に由来する。現在使用されているタイプの炉の燃料で発生する中性子過剰の核種からの産物(その大部分)は、半減期が目立って少ないという特徴があることが分かっている。  
【００３６】
第三に、しかるべきターゲットのセクションでの二次中性子流が完全に吸収される際、分裂する放射性核種が発生し、ターゲットでのエネルギー生成をしかるべく増大させて電気エネルギーへと変換し、ビーム粒子の加速に使った電気エネルギーを補填することもできる。余剰の電気エネルギーは、同じく電気エネルギーを必要とする他の需要者に必要となるであろう。
【００３７】
ここで提案される設備は、加速器、深い未臨界段階のターゲット、ビーム輸送・ターゲット照射ブロック、熱変換器、および予備ブロックからなる。
【００３８】
図の符号は以下を示すものである。
1  相対論的イオンビーム加速器
2  ビーム輸送・ターゲット照射ブロック
3  ターゲット
4  予備ブロック
5  熱変換器
6  ターゲット注入配管
7  予備ブロック遮断器
8，9，10，11  熱変換器配管
12  ターゲット第1セクション
13  ターゲット第2セクション
14  ターゲット第3セクション
15  ターゲット第2セクションに第3セクションからの物質を注入する配管
16  ターゲット第3セクション遮断機
【００３９】
相対論的重イオンビームの発電は、1ラインの後進波加速器(ULOV。A.S.ボゴモロフ、T.S.バキロフ「産業用イオン加速器」モスクワ、クナ出版所  2012年87頁)で、加速される多価イオンのエネルギーが100MeV/核子以上になるまで行われる。多価イオンエネルギー値が上昇することで、このエネルギーを先に記述した多重の核反応プロセスを発生させるために利用することができる。
【００４０】
ビーム輸送・ターゲット照射ブロックからは、直接ブロックに接触するターゲットのあるセクションへとビームが発射されるが、これとセクションの距離は、セクションからブロック周辺の照射対象となる物質へのイオン放射の否定的な影響を最小化できるように設定する。
【００４１】
1セクション型ターゲット3と、2または3セクション型の1セクション目12は、放射性廃棄物または小アクチノイド(プルトニウムやマイナーアクチノイド)および/または使用済み核燃料のうちU-Feのような可融共晶になっているものなど、直接破壊するための長寿命放射核種を含む物質を材料とする。これらの物質は固形または液体の状態で元来存在する。ビームが通過するこれらの物質の層の厚さは、1セクション型ターゲット3では、最初のビームと中性子などの二次的な粒子流も吸収するよう設定する。層の厚さと加速器からのビームの力で、このようなターゲットの内容物が完全に消滅するかが決定される。2または3セクション型の第1セクション12の厚みは、ビーム粒子の第一世代の大部分が第2世代の粒子流に変換し、このセクションに核分裂で中性子不足の物質が多く発生させられることを条件として決定する。核内部エネルギーの解放が、たとえ比較的深いマルチフラグメントな原子核で発生したとしても、第1セクション12の物質の温度は、この物質が最低でも部分的に溶解するまで上昇する。2または3セクション型ターゲットの第1セクション12でのビーム照射時間(原子核破壊でできる物質を蓄積する)は、通常、入っている容器の強度を十分に保つよう考慮しつつ、目的となる破壊の程度を達成できるよう計算して導き出す。所定の線量の照射を受けたこのセクションの物質は、準備されたものと交換したのち、照射された物質は冷却されて、設備の加速器のビームで燃焼させ、放射性核種を含む一連の材質を生産するための材料として、放射線化学施設に送られる。そのため、本発明の設備の使用期間は長く、第1セクションのみならずすべてのターゲットからの原子核破壊の産物が生成蓄積される時間よりもよりはるかに長いということを強調してよいだろう。
【００４２】
第2セクション (図6-10および12参照) のターゲット13は、劣化ウランおよび/または再利用ウラン、および/または未臨界度の深いことを大前提とする使用済み核燃料などのアクチノイドを材料とする。ターゲットのこのセクションでは、あらゆる種類の核分裂により、同時に核内部のエネルギーが解放されて、発生しうる電力の大部分が生成される。従って、第2セクションの材質は、U-Feのような可融共晶になっているものなどでできており、これが集中した粒子流で溶解温度まで加熱され、溶解物はターゲットの熱を配管8-11 (図6-12参照)を通じて流す際の最初の熱伝導体としても機能する。配管は、ターゲットから余剰の熱を流すほかにも、これを事実上かきまわすことでターゲットの均質化も行っている。このような共晶は3セクション型ターゲットの第3セクション14(図11および12参照)の材料を液化するのにも利用されるが、この第3セクション14は、第2セクション13内でトリウム232核および/またはウラン238核を分裂させる能力を失って出てきた中性子流を処理し、分裂性核種を再生産する。この共晶は3つの型のどのセクションにおいても、相応の化学元素の溶解塩またはその組み合わせに変えることができる。
【００４３】
3セクションからなるターゲットの第3セクション14の材料の量は、十分な余剰を考慮しておき、第2セクション13では加熱で材料が液化してしまうほか長時間ビームにさらされるため不可避となる材料レベルの低下を適宜補填できるようにしておかなくてはならず、その方法はターゲット第3セクション14の溶解した材料から適量を、第3セクションの上に位置する加熱可能な予備ブロック4(図11および12参照)から自然な圧力レベルで、注入配管6と遮断装置7を経由して流し込む。ターゲット1および2セクション型の予備ブロック4(図2-10参照)も、同様の機能を果たす。ここから注入配管6および遮断装置7を通じて、大部分の熱の発生がおこなわれるセクションでの材料レベルの低下を補填する。ここで、図1-12において、遮断装置7は常態である「閉」の状態で示されていることを指摘しておく。
【００４４】
3セクション型ターゲットの第2セクション13での減少を補填するためには、第3セクション14から遮断装置16の一部をなすポンプから注入配管15(図11および12参照)経由で、第3セクション14の、分裂性核種で濃縮された被照射物質を適量供給する。
【００４５】
設備の働きを以下に記述する。
【００４６】
通常の状態では、平均して1ｍAの電流と1GeV/核子のエネルギーを帯びたウラン238の多価イオン加速器1からのビームが、ビーム輸送・ターゲット照射ブロック2経由、1セクション型(図2-5)ではターゲット3に向けて、2-3セクション型(図6-12)ではターゲット第1セクション12に向けて発射される。
【００４７】
1セクション型でターゲット3(図2-5参照)の容器が円錐型または球状である場合、ターゲット3の材料は放射性廃棄物および/またはアクチノイドおよび/または使用済み核燃料を使用し、元となる粒子のビームは二次産物の粒子を生み、この第一世代目もターゲットの核を破壊する。ターゲット3の下部では二次産物の流れが処理される。同時に核内部エネルギーが解放され、ターゲット3の中で熱エネルギーに変換される。ターゲット材料が減少すれば、予備ブロック4から、遮断装置7を備えた注入配管6経由で補充される。ターゲット3での余剰の熱は、配管8,9,10,11経由で熱変換器5に運ばれ、ここで電気エネルギーに変換される。
【００４８】
ターゲットが2セクションになる第2型では(図6-10参照)、容器の側面の形が円柱または円錐形で、第1セクション12の底は平型または球状になっており、第1セクション12の内容は1セクションターゲット型の設備のターゲットと同様であり、第2セクション13はアクチノイドおよび/または深い未臨界状態にあることが前提となる使用済み核燃料を使用し、最初のビームが第1セクション12で二次産物粒子流を生み出し、その中の物質の核を中性子の不足する核へと変えていく。第2セクション13の二次産物粒子流は、エネルギー発生の大部分を担い、1セクションターゲット型の場合と同様に処理される。ターゲットの材料が減少すれば、予備ブロック4から遮断装置7を備えた注入配管6経由で補充される。第2セクション13で発生する余剰の熱は、配管8,9,10,11経由で熱変換器5に運ばれ、ここで電気エネルギーに変換される。
【００４９】
ターゲットが3セクションになる第3型では(図12参照)、セクションごとの側面が円柱または円錐形で、第1セクション12の底は平型または球状になっており、第2および第3セクション13，14の底は球状で、セクション間の距離はその径の差に一致する。第2および第3セクション13，14間の容器の距離は、第2セクション13で発生する二次産物の中性子流が第3セクション14で完全に吸収することを前提として決定される。第3セクション14では中性子流が完全に処理される。ターゲット第3セクション14と第2セクション13及び予備ブロック4とは、それぞれ配管6および遮断装置7によって接続される。第1セクション12と第2セクション13は、2セクション型ターゲットと同様の材料で満たされており、第3セクション14は、劣化ウランおよび/または再利用ウラン238および/またはトリウム232を使用し、第2セクション13が熱の発生を担当し、第3セクション14では、ウラン238および/またはトリウム232の核の、これ以上分裂できなくなった副産物の中性子流を、これらの核が分裂可能な放射性核種に変換することで処理する。
【００５０】
上記にある設備の機能(熱および電気エネルギーの発生、長寿命放射性核種の処理)は、核エネルギーの解放による熱・電気エネルギーの生成を含む長寿命放射性核種の処理や化学廃棄物の処理など、あらゆる種類の閉鎖サイクルを創造するための基盤となる。
【００５１】
図13にその例として、長寿命放射性核種の核燃料閉鎖サイクルの図式を示す。ここからすべての使用済み核燃料およびプルトニウムやマイナーなアクチノイドなど、この燃料サイクルでできる放射性廃棄物は、付随の処理サイクルに送られるが、このサイクルは、本発明の設備、ここで放射された物質の冷却庫、放射化学再加工、長寿命核種(および/または化学廃棄物)を含む物質を放射に向けて準備する設備から成り立つ。ここでいう物質は、設備の一部で分裂する核種の再生産などにも使うトリウム232および/またはウラン238を含むものである。長寿命核種処理サイクルでは熱および電気エネルギーを発生し、これは核燃料サイクルのみならずそれ以外にも需要がある。
【００５２】
表記された処理サイクルでは、採鉱・湿式冶金などの産業の放射性廃棄物、ウラン235同位体の濃縮に使う劣化ウラン、使用済み核燃料、再生ウラン、プルトニウム、マイナーアクチノイド、放射線化学産業の放射性廃棄物を採用する。
【００５３】
図13の図式は、あらゆるタイプの長寿命核種核燃料サイクル(ウラン、ウラン・プルトニウム、トリウム・ウランなど)に適用可能であり、どのような組み合わせでも、高速炉を使用する場合・しない場合、放射性廃棄物が出ることが避けられない他の設備や産業部門が参入する場合、現時点で行われているこれら廃棄物の埋め立てが不可能になった場合も包括する。
【００５４】
ここでの処理サイクルは独立した意味も持つものであり、つまり入口では使用済み核燃料やその加工でできた放射性廃棄物、トリウム、ウラン、プルトニウム、マイナーアクチノイドのみならず、他者由来の放射性廃棄物、たとえば寿命を迎えたか、寿命前に何らかの理由で稼働停止した原子炉および/または類似の設備を分解する過程でできるおよび/またはできた核廃棄物も受け入れる。
【００５５】
他の分野の産業でも、本発明の設備を使った処理方法において、その産業に特有の化学物質を燃焼できるよう最適化すれば、図13に示すような処理サイクルの受け入れ口に投入される化学廃棄物の閉じられた処理サイクルを同様の手法で形成することができる。この場合、その産業では自家使用分の熱および電気エネルギーを得ることができ、また近似の核燃料サイクルからは処理サイクルのための上記に挙げた消耗物資や材料を得ることができる。
【００５６】
このように、核エネルギーを熱エネルギーに変換する本発明の方法及び設備を実用すれば、現存しまた今後も設計されて行くであろう、IAEA規準(燃料原料のストックが無限であること、地球上の環境放射能が変化しないこと、不拡散体制の徹底、核エネルギー施設が自然に安全であること)を遵守したあらゆる種類の核燃料サイクルを論理的に完結し環境上も成立するものにすることができるほか、核のセグメントも含めて産業界においての人間の活動とのバランスを実現するなど、深い未臨界での環境に配慮したエネルギー創造への直線的かつ段階的進路をみることができる。
【００５７】
（表１）
長寿命核種一覧
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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