УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ

Полезная модель относится к области ядерной энергетики, а именно к устройствам преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, предназначенную для использования в энергетических установках.
Известно устройство преобразования ядерной энергии в тепловую, содержащее реактор и ускоритель. Пучок частиц высокой энергии направляют в камеру для производства нейтронов высокой энергии. Полученные нейтроны размножают в докритических условиях с помощью процесса деления и воспроизводства, который осуществляют внутри реактора. Патент Российской Федерации №2178209, МПК: G21С 1/00, 2000.
Технология, реализуемая в виде комплекса реактор + ускоритель известна под аббревиатурой ADS - Accelerator Driven System - управляемые с помощью пучка реакторы.
Программа создания реакторов по технологии ADS называется "Generation IV" - реакторы 4 поколения. В этой программе предполагают использовать сильноточные (100 и более мА) линейные (прямолинейные - расположенные на одной линии километровой длины) ускорители протонов. Generation IV Nuclear Energy Systems Ten-Year Program Plan, Fiscal Year 2005, US DOE ONEST, March 2003; A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems, Executive Summary, US DOE NERAC, GIF-001-00, March 2003.
Для ускорения ионов тяжелых элементов до высоких энергий (более 50 МэВ/нуклон) используют лишь циклические слаботочные ускорители - синхротроны (кольцевой ускоритель НУКЛОТРОН, ОИЯИ или проектируемые NIKA ОИЯИ - комплексы, связанных между собой кольцевых ускорителей). Интенсивность ускоренного пучка при этом не превышает 0.01 мкА.
Прототипом полезной модели является устройство преобразования ядерной энергии в тепловую, содержащее реактор с мишенью в виде топлива активной зоны реактора и ускоритель заряженных частиц. В качестве топлива используют торий, уран-238, висмут, свинец или композиции этих веществ. Патент Российской Федерации №2238597, МПК: G21С 1/00, 2000. Устройство требует применения сильноточного протонного ускорителя на энергию 10-50 ГэВ. Использование протонов с энергией 10-50 ГэВ вызывает образование (рождение) пионов (пи-мезонов), каонов (К-мезонов), гамма частиц и электронно-позитронных пар. На этот - сопутствующий делению ядер процесс - расходуется до 40% энергии первичного протона. «Энергетическая стоимость» нейтрона возрастает. Ток ускорителя - единицы и десятки миллиампер и энергия протонов 10-50 ГэВ - усложняют и удорожают реализацию прототипа.
Протон в первом акте (1 стадии) внутриядерного каскадного процесса - в столкновениях с нуклонами ядра облучаемого топлива трансформирует свою энергию в «рождение»-выбивание из ядра топлива 40-60 высокоэнергетических нуклонов (с энергией по 200-800 МэВ/нуклон), а на следующей стадии - в «рождение» 200-400 нуклонов (с энергией 30-200 МэВ/нуклон) и растрачивает значительную часть своей энергии на рождение сопутствующих частиц.
Минимальная «энергетическая стоимость рождения нейтрона» при взаимодействии протона со свинцовой мишенью соответствует 1-3 ГэВ энергии протона. A.M.Козодаев, Н.В.Лазарев, О.В.Шведов «Ускорители-драйверы электроядерных установок», Письма в ЭЧАЯ, 2004, №3 [120].
Недостатками известных устройств преобразования ядерной энергии в тепловую являются: использование обогащенного изотопами уран-235 и/или уран-233 или изотопом 239-плутония топлива для деления ядер урана и тория нейтронов тепловой энергии или нейтронами делительного спектра; наличие запаса положительной реактивности активной зоны реактора; производство «бомбовых» ядерных материалов урана-233, урана-235, плутония-239;
наработка долгоживущих радиоактивных изотопов-отходов; частая перезагрузка реактора - освобождение от отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и загрузка свежим топливом; производство веществ, привлекательных для «ядерных террористов»; превращение более 95% ядерного топлива, загружаемого в реактор, в радиоактивное отработавшее ядерное топливо (в ОЯТ).
Задачей полезной модели, является разработка устройства преобразования ядерной энергии в тепловую, при котором в качестве топлива можно использовать ОЯТ - отработавшее ядерное топливо, как самостоятельно, так и дополнительно.
Полезная модель устраняет недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является, увеличение времени работы реактора без перегрузки топлива, снижение радиационной нагрузки на окружающую среду, использование в качестве топлива ОЯТ, утилизация отходов ядерного топлива, улучшение экологии и удешевление как собственно устройства, так и уменьшение текущих затрат на его эксплуатацию и на вывод из эксплуатации.
0
0
Технический результат достигается тем, что в устройстве преобразования ядерной энергии в тепловую, содержащем подкритический реактор и ускоритель для облучения активной зоны реактора, в активную зону подкритического реактора дополнительно или самостоятельно введено отработавшее ядерное топливо, установлен многосекционный ускоритель высокозарядных ионов тяжелых элементов, линейные ускоряющие секции которого размещены по двумерным или трехмерным пространственным линиям, линейные структуры ускорителя соединены магнитными узлами поворота пучка, выполненными в соответствии с требованиями равенства текущего значения импульса иона р=mγv жесткости магнитной системы ZBR, где: р - импульс ускоряемого иона в данном магнитном узле поворота пучка, m - масса покоя иона, γ - релятивистский фактор, v - скорость иона,
Z - заряд иона, В - значение индукции магнитного поля, R - радиус поворота в данном узле поворота пучка.
i
1
k
i
1
k
i
1
n
i
1
n
i
1
m
i
1
m
i
i
i
Сущность полезной модели схематично представлена на чертеже, где: 1 - источник высокозарядных ионов; 2 - инжектор; 3 - группирователь; 4 - низкочастотные ускоряющие секции (4-4), где i-1, 2, ...k - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 5 - фокусирующие системы низкочастотного блока секций (5-5), где i-1, 2, ...k - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 6 - узел поворота пучка низкой энергии; 7 - ускоряющие секции промежуточной энергии (7-7), где i-1, 2, ...n - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 8 - фокусирующие системы блока промежуточной частоты (8-8), где i-1, 2, ...n - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 9 - узел поворота пучка промежуточной энергии; 10 - ускоряющие секции высокой частоты (10-10), где i-1, 2, ...m - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 11 - фокусирующие системы блока секций высокой частоты (11-11), где i-1, 2, ...m - числа натурального ряда, номера ячеек ускоряющих секций; 12 - узел поворота пучка и ввода пучка в реактор; 13-14 выводы из ячеек ускоряющих секций ВЧ-мощности половинного уровня по сравнению с уровнем вводимой ВЧ-мощности, принимаемой за единицу; 15 - сумматор ВЧ-мощности; 16 - ввод ВЧ-мощности в ускоряющие секции; 17 - ядерный подкритический реактор; 18 - реакторный контур теплосъема; 19 - пучок высокозарядных ионов; 20 - топливо в реакторе и/или ОЯТ (мишень). Количество ячеек в ускоряющих секциях 4, 7, 10 выбирают исходя из требования достижения конечной энергии пучка высокозарядных ионов 19.
Рассмотрим работу комплекса: ядерный подкритический реактор 17 - ускоритель при реализации способа преобразования ядерной энергии в тепловую энергию.
В источнике высокозарядных ионов 1 газообразные пары тяжелого металла, ионизируют электронным пучком, приложенной к инжектору 2
1
i
i
i
1
k
1
n
1
m
электростатической разностью потенциалов. Пучок высокозарядных ионов 19 с зарядностью от 20+ до 40+ получают в источнике высокозарядных ионов 1 путем обдирки с атомов электронов электронным пучком или с использованием явления ECR - электронного циклотронного резонанса. Через высокочастотный группирователь 3 пучок высокозарядных ионов 19 направляют в первую ячейку 4. В ускоряющих секциях 4, 7, 10 для предотвращения попадания ускоряемых ионов на стенки секций предусмотрены фокусирующие системы, выполненные, например, в виде магнитных соленоидов (5-5), (8-8), (11-11). В источнике высокозарядных ионов 1, например ионов урана, производят ионизацию паров тяжелого металла, например, до зарядности 30+ и более, прикладывают к электростатической ускоряющей трубке (на чертеже не показа) и источнику высокозарядных ионов 1 отрицательную разность потенциалов порядка 600 кВ. Полученные высокозарядные ионы тяжелого элемента, например урана-238, содержащего сразу 238 нуклонов последовательно ускоряют до 60-2000 МэВ/нуклон.
i
i
i
i
Пучок высокозарядных ионов 19 из источника высокозарядных ионов 1 направляют в низкочастотные ускоряющие структуры 4, воздействуют на них продольным компонентом ВЧ-поля с частотой 150-200 МГц. При этом в магнитных полях рассеяния фокусирующей системы 5 ускоряющей структуры 4 инжектируемый пучок высокозарядных ионов 19 сжимают в поперечном направлении до диаметра меньшего по сравнению с проходным отверстием в группирователе 3 и в ускоряющих секциях 4.
1
i
Пучок высокозарядных ионов 19 ускоряют до энергии инжекции. Через высокочастотный группирователь 3 пучок высокозарядных ионов 19 направляют в первую ячейку 4 ускоряющей секции 4.
k
i
В конечную секцию 4, расположенную напротив инжектора 2 направляют поток ВЧ-мощности навстречу пучку ускоряемых высокозарядных ионов 19. Продольные размеры каждой из ячеек ускоряющей секции 4 увеличены вдоль секции в соответствии с
синхронизмом скорости ускоряемых ионов со скоростью обратной пространственной гармоники ВЧ-поля.
i
i
В группирователе 3 продольным компонентом ВЧ-поля модулируют по скорости инжектируемый пучок высокозарядных ионов. После достижения пучком высокозарядных ионов 19 энергии 3-10 МэВ/нуклон пучок высокозарядных ионов 19 направляют с помощью узла поворота пучка низкой энергии 6 в секции промежуточных энергий 7, а затем с помощью узла поворота пучка промежуточной энергии 9 направляют в высокоэнергетические секции 10.
1
i
i
Частоту питания в первой ячейке 4 и в последующих ячейках секции 4 выбирают в пределах 150 МГц и ускоряют пучок высокозарядных ионов 19 до энергии достаточной для перевода в секции 7 повышенной (удвоенной или утроенной) частоты 300-450 МГц.
Регулированием величины ускоряемого тока пучка высокозарядных ионов 19 (изменяя длительность и/или частоту следования импульсов или тока источника ионов), управляют величиной числа делений в топливе реактора 20 (мишени), что ведет к изменению величины тепловой мощности реактора и связанную с ней мощность вырабатываемой электроэнергии.
1
i
Ускоряют пучок высокозарядных ионов 19 до энергии порядка 20 кэВ/нуклон в электростатическом инжекторе и направляют в высокочастотный группирователь 3, запитываемый ВЧ-мощностью на той же частоте, что и первая секция 4 (150 МГц). На этой частоте запитывают еще ряд последовательно соединенных с ней секций 4, ускоряя пучок высокозарядных ионов 19 до энергии до 3-10 МэВ/нуклон.
i
Затем пучок высокозарядных ионов 19 направляют в секции промежуточного значения энергий 7. В низкоэнергетической части ускорителя расположены ускоряющие структуры и источники низкочастотных колебаний - порядка 150 МГц. В них ускоряют высокозарядные ионы до 3-10 МэВ/нуклон, в промежуточной части ускорителя ионы ускоряют на удвоенной или утроенной частоте - 300-450
i
i
1
n
1
m
МГц (до 50-200 МэВ/нуклон), а в высокоэнергетической части на 4 или 9 гармонике до 600-1350 МГц и до 60-1000 МэВ/нуклон. ВЧ-питание секции промежуточного значения энергий 7 осуществляют на удвоенной или утроенной частоте относительно значения частоты ВЧ-питания инжекционной и начальных ячейках секции 4 (300 или 450 МГц). В секциях промежуточных энергий 7-7 ионы ускоряют до значения энергии 50-200 МэВ/нуклон и вводят их в ускоряющие секции 10-10, с частотой 600-1350 МГц, в которых высокозарядные ионы ускоряют до энергии 60-2000 МэВ/нуклон. На промежуточной энергии может быть использован стриппер (на чертеже не показан) для дообдирки ускоряемого иона (повышение зарядности иона ведет к увеличению темпа ускорения и к уменьшению величины индукции магнитного поля, фокусирующего ускоряемый пучок высокозарядных ионов).
При достижении пучком высокозарядных ионов 19 значений энергии свыше 300-1000 МэВ/нуклон удваивают или утраивают значение ускоряющего ВЧ-поля (используют 8-ую или 27-ую гармонику от 150 МГц).
i
i
i
Для увеличения коэффициента полезного действия - доли ВЧ-мощности, идущей на увеличение кинетической энергии пучка ускоряемого высокозарядных ионов 19, на ВЧ-вводы 16 ускоряющих секций 10 подают ВЧ-мощность единичного уровня мощности, а с двух ВЧ-выводов 13, 14 ячеек ускоряющих секций 10 извлекают ВЧ-мощности половинного уровня мощности, которые направляют в ВЧ-сумматор 15, с выхода которого сложившиеся две ВЧ-мощности половинного (от величины единичной входной мощности) уровня падают на ВЧ-вход следующей ускоряющей секции. Таким образом, уменьшается вдвое число ВЧ-источников питания ускорителя (т.е. одну секцию подсоединяют к ВЧ-клистрону, с другую - к сумматору 15, осуществляя тем самым питание половины секций ускорителя от активных источников ВЧ-мощности СВЧ-усилителей-клистронов, в то время как другую часть ускоряющих секций 10 питают от пассивных источников - от сумматоров 15).
Пучок ускоренных высокозарядных ионов 19 направляют в активную зону реактора 17 через узел ввода пучка в реактор 12, выполненный, например, в виде секторного магнита. Пучок ускоренных высокозарядных ионов 19 взаимодействует с топливом в реакторе 20 и разваливается на 238 (уран) нуклонов со значением средней энергией порядка половины от энергии вводимого ускоренного иона (т.е. сотен МэВ на каждый нуклон).
Полученные каскадные нуклоны трансформируют свою энергию в рождение нового поколения нуклонов с меньшей энергией, которые в свою очередь рождают следующее поколение нуклонов и так до того момента, когда энергия нуклонов «разменяется» до значения чуть больше или порядка 1 МэВ. Процесс размножения нуклонов сопровождается вынужденным от воздействия высокоэнергетических нуклонов делением ядер топлива реактора 20 и соответствующим (200 МэВ/деление) выделением тепловой энергии в топливе реактора 20, которую «снимают» в реакторном контуре теплосъема 18.