kommentar
I nylige vurderinger av de strategiske utsiktene for utvikling av kjernekraft, kan man merke tendensen til en nedlatende arrogant holdning til termonukleær energi, som dessverre i stor grad tilsvarer den virkelige tilstanden. Samtidig viser en analyse av problemene og potensialet til to atomteknologier basert på kjernefysiske reaksjoner av fusjon av lette kjerner og fisjon av tunge følgende. Uavhengig storskala utvikling av hvert av disse områdene vil uunngåelig føre til behovet for å overvinne de fortsatt uløste problemene med teknologisk, materialvitenskapelig, miljømessig og økonomisk natur, noe som vil reise spørsmålet om hensiktsmessigheten av videreutvikling av disse energisektorene. På samme tid indikerer de fysiske egenskapene til fisjonerings- og fusjonsprosessene objektivt at det er tilrådelig å kombinere dem i et enkelt kjernekraftsystem, noe som forårsaker en stor synergistisk effekt som undertrykker deres negative aspekter og utvikler atomteknologi uavhengig av hverandre.
Artikkelen presenterer beregningene av multiplikasjonen av termonukleære nøytroner i teppet til en hybrid termonukleær reaktor, som bekrefter den fysiske gyldigheten og påliteligheten av valget av den strategiske utviklingsretningen i form av et integrert atomkraftsystem.
Introduksjon
Nå, i vurderingene av den strategiske veien for utvikling av kjernekraft, skjer alvorlige revurderinger av de tilsynelatende etablerte bestemmelsene. To-komponentkonseptet for utvikling av kjernekraft, der hurtige og termiske fisjoneringsreaktorer opererer sammen, har nylig gjennomgått en seriøs revisjon. Tidligere ble det antatt at den strukturelle utviklingen av kjernekraft ville være basert på den innledende fasen, på kapasitetsbygging på bekostning av termiske reaktorer. Deretter vises raske reaktorer med et høyt avlsforhold på 1,5 og høyere. Dette vil gjøre det mulig, med den økende mangelen på naturlig uran, å organisere en lukket drivstoffsyklus med effektiv opparbeidelse av bestrålt brukt atombrensel og å tilfredsstille behovet for spaltbare isotoper ved å produsere dem i raske reaktorer. Det ble antattat i kjernekraftsystemet vil andelen termiske reaktorer være ca 60%, og andelen raske reaktorer vil være ca 40%. Termiske reaktorer vil påta seg ulempene ved å arbeide i kraftsystemet (kraftområde tilpasset forbrukerens krav, arbeide i en variabel belastningskurve, gi ikke-elektriske behov til systemet, etc.). Raske reaktorer vil primært operere på baseline og produsere drivstoff fra rå isotoper for seg selv og for termiske reaktorer.og å produsere drivstoff fra rå isotoper for seg selv og for termiske reaktorer.og å produsere drivstoff fra rå isotoper for seg selv og for termiske reaktorer.
Moderne tendenser
Kampanjevideo:
De alvorlige ulykkene som har skjedd ved kjernekraftverk har imidlertid ført til behovet for å skjerpe sikkerhetskravene til kjernekraftverk betydelig. Av denne grunn ble det gjort betydelige justeringer av raske reaktordesigner med fokus på intensiv drivstoffproduksjon, og nye konseptuelle design av raske reaktorer vurderes allerede med et avlsforhold nær enhet, med lav energiintensitet i kjernen. I denne situasjonen har tilhengere av nye prosjekter med raske reaktorer funnet en annen måte å opprettholde sin betydning på. De begynte å formidle et scenario som antar at på lang sikt er opphevelse av termiske reaktorer uunngåelig, at raske reaktorer vil erstatte termiske i enhver utvikling.
Folk har forskjellige vurderinger av fremtiden, og mange mener at den foreslåtte retningen for utvikling av kjernekraft kanskje ikke blir realisert, og det nye konseptet om dominansen av raske reaktorer vil vise seg å være feil. Og denne posisjonen er i stor grad berettiget. De tilgjengelige alternativene lar oss snakke om alternativene for utvikling av kjernekraftsystemet i en mye mer attraktiv konfigurasjon.
De mest merkbare systemiske manglene ved bygging av kjernekraft, hovedsakelig basert på raske reaktorer, er åpenbare. Selv om vi antar at selve hurtigreaktoren er laget perfekt og ikke har noen feil som kan gi tvil om dens absolutte overlegenhet over andre prosjekter, er det uunngåelige systemiske vanskeligheter.
Først. Hoveddelen av den nyproduserte fissile isotopen (plutonium) i raske reaktorer vil bli produsert i kjernen, hvor energien vil bli produsert og hovedparten av de radioaktive fisjonsproduktene vil bli dannet. Dette høyt aktive drivstoffet må behandles raskt kjemisk. Etterbehandling vil frigjøre alle radioaktive isotoper fra det bestrålte drivstoffet. En stor mengde radioaktivitet vil forlate det forseglede drivstoffelementet og distribueres i hele arbeidsrommet. Til tross for at de vil prøve å holde all denne radioaktiviteten under kontroll, vil den avgjøre hovedrisikoen for potensielle radioaktive hendelser, av forskjellige grunner, fra den beryktede menneskelige faktoren til planlagt sabotasje.
Sekund. Raske reaktorer må erstatte termiske, nesten helt. Tatt i betraktning at den nødvendige prototypen for raske reaktorer ennå ikke er tilgjengelig, at en slik erstatning vil finne sted gradvis, at den vil begynne tidligst i midten av århundret, og selv om alle i verden er enige om å støtte den, vil prosedyren vare i minst to århundrer. I løpet av denne tiden, blant de som lever etter oss, vil det sannsynligvis være mennesker som er i stand til å komme opp med og implementere en mer attraktiv profil for atomindustrien. Og arbeidet med å skape den ideelle raske reaktoren vil være forgjeves.
Tredje. Flere resirkuleringer av plutonium vil føre til dannelse av en betydelig mengde mindre aktinider, isotoper fraværende i naturen, som menneskeheten av forskjellige grunner ikke har til hensikt å utholde, og krever ødeleggelse. Det vil også være nødvendig å organisere transmutasjonen av disse isotoper, en prosess med høy risiko for en ulykke som også kan føre til betydelig radioaktiv forurensning av miljøet.
Man kunne akseptere disse manglene som en uunngåelig ondskap, men en slik posisjon kan bare rettferdiggjøres i fravær av et alternativ, men den eksisterer.
Fusjonsenergi
Et alternativ til dominansen av raske reaktorer kan være utviklingen av et atomkraftsystem basert på fusjons- og fisjoneringsreaktorer. Forslag om bruk av termonukleære reaktorer i strukturen til kjernekraft, som gir en betydelig økning i systemets nøytronpotensial, ble fremsatt av I. V. Kuchatov Senere dukket konseptet opp om en hybrid termonukleær reaktor, i det blanke ble en ny fissil isotop produsert og energi produsert. De siste årene har utviklingen av dette konseptet fortsatt. Den nye versjonen av kjernefysiske systemet forutsetter at fusjonsreaktorer (termonukleære reaktorer) arbeider for å produsere kjernebrensel fra rå isotoper for fisjonsreaktorer, og fisjonsreaktorer, som nå, produserer energi.
I en nylig publisert artikkel "Nuclear Problems of Fusion Energy" konkluderte forfatterne med at fusjon av flere grunner ikke skulle betraktes som en storskala energiteknologi. Men denne konklusjonen er helt urettferdig når man vurderer et integrert system der kjernekraftteknologier (fusjon og fisjon) utfyller hverandre og gir mer effektiv ytelse av funksjoner som er vanskelige for den andre.
Opprettelse av et pålitelig kjernekraftsystem med fisjon og fusjonsreaktorer er mest å foretrekke innenfor rammen av thoriumdrivstoffsyklusen. I dette tilfellet vil andelen termonukleære reaktorer i systemet være minimal (mindre enn 10%), den kunstige fissile isotopen uran-233, oppnådd fra fôringsisotopen thorium-232, er det beste alternativet for termiske nøytronreaktorer, i det forente kjernefysiske systemet vil problemet med mindre transuraner ganske enkelt ikke eksistere. Mengden Am, Cm, etc. produsert i systemet. vil være ubetydelig. Et slikt system vil ha en drivstoffsyklus der risikoen for radioaktiv forurensning av miljøet vil være lavest.
Det naturlige kriteriet for implementering av dette konseptet er nøytronbalansen. Atomerreaksjonen som produksjonen av nøytroner i en fusjonsreaktor vil være basert på, er reaksjonen av fusjon av tritium og deuterium
D + T = He + n +17,6 MeV
Som et resultat av reaksjonen oppnås et nøytron med en energi på 14,1 MeV og en alfapartikkel med en energi på 3,5 MeV, som gjenstår for å varme opp plasmaet. En nøytron med høy energi som flyr gjennom veggen til vakuumkammeret, kommer inn i teppet til en termonuklear reaktor, der den multipliserer. Når den fanges opp av en rå isotop, oppnås en ny fissil isotop. Multiplikasjonen av et termonukleært nøytron skjer som et resultat av reaksjonene (n, 2n), (n, 3n) og (n, fisjon) - fisjoneringsreaksjonen til tunge kjerner, i dette tilfellet en rå isotop. Alle disse reaksjonene er av terskelkarakter. Figur 1 viser grafene over de angitte tverrsnittene. For å sikre maksimal nøytronmultiplikasjon er det viktig at teppedrivstoffsammensetningen inneholder et minimum antall lette kjerner og selvfølgelig nøytronabsorbatorer.
Fig. 1 Mikrosnitt av nøytronmultiplikasjon i Th-232.
For å vurdere potensialet for produksjon av nye spaltbare isotoper i en termonukleær reaktor ble det utført en serie beregninger for forskjellige varianter av teppedrivstoffsammensetninger med thorium som fôrisotop. Beregninger ble utført ved hjelp av forskjellige programmer og kjernedatabiblioteker. Programmene som ble brukt var MCU-bibliotek ENDF / B-6, MCNP, bibliotek ENDF / B-6, LUKY gruppebibliotek. Tabellen viser resultatene av beregninger av nøytronfangst på thorium-232 per fusjonsnøytronkilde for en drivstoffsammensetning med det spesifiserte forholdet mellom nukleære isotopkonsentrasjoner. I noen utførelsesformer ble det antatt at det spesifiserte forholdet mellom isotoper ikke ble oppnådd som en kjemisk forbindelse, men konstruktivt, når en viss mengde thorium ble omrørt med en passende mengde av ønsket isotop.
Tabell 1 Multiplikasjon av termonukleære nøytroner (E = 14,1 MeV) i teppet til en hybridreaktor med en thoriumbrenselsammensetning.
Den siste kolonnen viser verdiene som karakteriserer multiplikasjonen av nøytroner på grunn av splittningsreaksjonen til den rå isotopen. Verdiene for nøytronproduksjon på grunn av fisjon er gitt, dvs. ν∑f. I LUKY-gruppeprogrammet er tverrsnittsmatriser for reaksjonen (n, 2n) og (n, 3n) integrert med tverrsnittene for uelastisk spredning. Dette tillater ikke å oppnå verdiene av hastighetene for disse reaksjonene separat.
Generelt er de presenterte beregnede dataene i samsvar med hverandre, noe som gir grunn til å stole på effektiv multiplikasjon av termonukleære nøytroner i teppet til en hybridreaktor. Beregningsresultatene presentert i tabellen viser det teoretiske multiplikasjonspotensialet for termonukleære nøytroner (14,1 MeV). I et uendelig medium av thorium er det omtrent 2,6, dvs. ett nøytron multipliserer på grunn av reaksjoner (n, 2n) og reaksjoner (n, 3n) omtrent 2 ganger, og på grunn av fisjon av thorium-232 på 1,5 ganger. Beregninger for forskjellige programmer og forskjellige biblioteker varierer med omtrent 10%. Disse forskjellene skyldes bruken av flere kjernedatabiblioteker. Tatt i betraktning den angitte feilen, kan de presenterte resultatene tjene som en konservativ retningslinje for å vurdere parametrene for avl av spaltbare isotoper i teppet til en termonukleær reaktor. De viser at den avgjørende faktoren som fører til en reduksjon i teppens multiplikasjonsevne, er tilstedeværelsen i det av lysspredende isotoper, inkludert O-16, F-19, som også har en reaksjon av uelastisk nøytronspredning ved høye energier. Beregninger viser at bruken av S-12 til fremstilling av kledninger for brenselceller som fyller teppet er ganske lovende. Bruk av grafitt kan betraktes som et av designalternativene. Selv i tilfeller når det er to og en halv ganger flere karbonkjerner enn thorium, er multiplikasjonsfaktoren for termonukleære nøytroner nær 2. Dette betyr at med en korrekt organisering av nøytronbalansen, kan en kjerne av en ny fissil isotop uran-233 oppnås i et teppe, og en kjerne tritium.som fører til en reduksjon i teppens multipliseringsevne er tilstedeværelsen av lysspredende isotoper i den, inkludert O-16, F-19, som også har en reaksjon av uelastisk spredning av nøytroner ved høye energier. Beregninger viser at bruken av S-12 til fremstilling av kledninger for brenselceller som fyller teppet er ganske lovende. Bruk av grafitt kan betraktes som et av designalternativene. Selv i tilfeller når det er to og en halv ganger flere karbonkjerner enn thorium, er multiplikasjonsfaktoren for termonukleære nøytroner nær 2. Dette betyr at med riktig organisering av nøytronbalansen, kan en kjerne av en ny fissil isotop uran-233 oppnås i et teppe, og en kjerne tritium.som fører til en reduksjon i teppens multipliseringsevne er tilstedeværelsen av lysspredende isotoper i den, inkludert O-16, F-19, som også har en reaksjon av uelastisk spredning av nøytroner ved høye energier. Beregninger viser at bruken av C-12 til fremstilling av kledninger for brenselceller som fyller teppet er ganske lovende. Bruk av grafitt kan betraktes som et av designalternativene. Selv i tilfeller når det er to og en halv ganger flere karbonkjerner enn thorium, er multiplikasjonsfaktoren for termonukleære nøytroner nær 2. Dette betyr at med en korrekt organisering av nøytronbalansen kan en kjerne av en ny fissil isotop uran-233 oppnås i et teppe, og en kjerne tritium. F-19 har også en reaksjon av uelastisk spredning av nøytroner ved høye energier. Beregninger viser at bruken av S-12 til fremstilling av kledninger for brenselceller som fyller teppet er ganske lovende. Bruk av grafitt kan betraktes som et av designalternativene. Selv i tilfeller når det er to og en halv ganger flere karbonkjerner enn thorium, er multiplikasjonsfaktoren for termonukleære nøytroner nær 2. Dette betyr at med riktig organisering av nøytronbalansen, kan en kjerne av en ny fissil isotop uran-233 oppnås i et teppe, og en kjerne tritium. F-19, som også har en reaksjon av uelastisk spredning av nøytroner ved høye energier. Beregninger viser at bruken av C-12 til fremstilling av kledninger for brenselceller som fyller teppet er ganske lovende. Bruk av grafitt kan betraktes som et av designalternativene. Selv i tilfeller når det er to og en halv ganger flere karbonkjerner enn thorium, er multiplikasjonsfaktoren for termonukleære nøytroner nær 2. Dette betyr at med en korrekt organisering av nøytronbalansen, kan en kjerne av en ny fissil isotop uran-233 oppnås i et teppe, og en kjerne tritium. Bruk av grafitt kan betraktes som et av designalternativene. Selv i tilfeller når det er to og en halv ganger flere karbonkjerner enn thorium, er multiplikasjonsfaktoren for termonukleære nøytroner nær 2. Dette betyr at med riktig organisering av nøytronbalansen, kan en kjerne av en ny fissil isotop uran-233 oppnås i et teppe, og en kjerne tritium. Bruk av grafitt kan betraktes som et av designalternativene. Selv i tilfeller når det er to og en halv ganger flere karbonkjerner enn thorium, er multiplikasjonsfaktoren for termonukleære nøytroner nær 2. Dette betyr at med en korrekt organisering av nøytronbalansen kan en kjerne av en ny fissil isotop uran-233 oppnås i et teppe, og en kjerne tritium.
I praksis vil det selvfølgelig være tap av nøytroner, og ytterligere nøytroner vil være nødvendig for å kompensere for dem. Slike nøytroner kan produseres på en rekke måter. For eksempel kan noe av tritium, som er nødvendig for fusjonsreaksjonen, produseres i kjernen av en fisjonreaktor. Potensialet med denne nøytronpåfyllingsmetoden er veldig høyt. I termiske fisjonsreaktorer for uran-233-drivstoffsyklusen er avlsforholdet ca. 0,8, dvs. for en brent uran-233-kjerne kan du få 0,8 tritiumkjerner. Denne verdien vil mer enn dekke alle nøytrontap. Det er mulig å redusere karboninnholdet i teppet til en fusjonsreaktor, dvs. for å gjøre kledningen av brenselcellen tynnere, er potensialet i dette forslaget 0,2.-0,3 ekstra nøytroner. En annen måte å tillate en liten spaltning av uran-233 akkumulert i teppet. Rimelig potensial med dette alternativet,som ikke vil føre til en betydelig økning i fisjonsproduktene til tunge kjerner i teppet, er mer enn 0,5 nøytroner.
Konklusjon
Betydningen av effektiv nøytronmultiplikasjon i blankt av en hybridreaktor er desto viktigere fordi det gjør det mulig å forlate opparbeidingen av SNF fra fisjoneringsreaktorer. Det vil være nok nøytroner i systemet til å fullstendig kompensere for tapet av fissile isotoper under produksjon av energi i fisjoneringsreaktorer ved produksjon fra matingsisotopen i teppet til en termonukleær reaktor.
Det spiller ingen rolle hvilken type fisjonreaktorer som vil være i systemet, raskt eller termisk, stort eller lite.
Ekstraksjonen av det nyproduserte uran-233 fra drivstoffsammensetningen vil være ledsaget av frigjøring av radioaktivitet med omtrent to til tre størrelsesordener mindre, sammenlignet med muligheten når de fissile isotoper må skilles fra SNF for fisjoneringsreaktorer. Denne omstendigheten vil sikre den minste risikoen for radioaktiv forurensning av miljøet.
Basert på utførte beregninger er det enkelt å estimere andelen hybrid-termonukleære reaktorer. Det vil være mindre enn 10% av den termiske effekten til hele systemet, og derfor vil den økonomiske belastningen for hele systemet ikke være stor, selv om hybrid termonukleære reaktorer er dyrere enn fisjonreaktorer.
Termonukleære teknologier innebygd i kjernekraftsystemet og deres fremtidige utvikling bør betraktes som den generelle retningen for den strategiske utviklingen av kjernefysisk industri, som er i stand til å løse viktige problemer med energiforsyning i lang tid, praktisk talt i alle størrelser, med en minimal risiko for negativ radioaktiv innvirkning på miljøet.
