anteckning
I de senaste bedömningarna av de strategiska utsikterna för utveckling av kärnkraft kan man notera tendensen till en nedlåtande arrogant inställning till termonukleär kraft, som tyvärr till stor del motsvarar det verkliga läget. Samtidigt visar en analys av problemen och potentialen hos två kärnteknologier baserade på kärnreaktioner av fusion av lätta kärnor och klyvning av tunga följande. Oberoende storskalig utveckling av vart och ett av dessa områden kommer oundvikligen att leda till behovet av att lösa de fortfarande olösta problemen med teknik, materialvetenskap, miljö och ekonomisk natur, vilket kommer att väcka frågan om det är lämpligt att vidareutveckla dessa energisektorer. Samtidigt indikerar de fysiska funktionerna i klyvnings- och fusionsprocesserna objektivt att det är lämpligt att kombinera dem i ett enda kärnkraftssystem, vilket orsakar en stor synergistisk effekt som undertrycker deras negativa aspekter och utvecklar kärnteknik oberoende.
Artikeln presenterar beräkningarna av multiplikationen av termonukleära neutroner i filten av en hybrid termonukleär reaktor, som bekräftar den fysiska giltigheten och tillförlitligheten för valet av den strategiska utvecklingsriktningen i form av ett enhetligt kärnkraftssystem.
Introduktion
Nu, i bedömningarna av den strategiska utvecklingen av kärnenergi, pågår allvarliga omvärderingar av de till synes etablerade bestämmelserna. Tvåkomponentkonceptet för utveckling av kärnkraft, där snabba och termiska klyvningsreaktorer fungerar tillsammans, har nyligen genomgått en seriös översyn. Tidigare antogs att den strukturella utvecklingen av kärnkraft skulle baseras i början på kapacitetsuppbyggnad på bekostnad av termiska reaktorer. I framtiden kommer det att finnas snabba reaktorer med ett högt avelsförhållande i storleksordningen 1,5 och högre. Detta kommer att göra det möjligt, med en ökande brist på naturligt uran, att organisera en sluten bränslecykel med effektiv upparbetning av bestrålat använt kärnbränsle och att tillgodose behovet av klyvbara isotoper genom att producera dem i snabba reaktorer. Det antogsatt i kärnkraftssystemet kommer andelen termiska reaktorer att vara cirka 60%, och andelen snabba reaktorer kommer att vara cirka 40%. Termiska reaktorer kommer att ta besväret med att arbeta i kraftsystemet (effektområde anpassat till konsumentens krav, arbeta i en variabel belastningskurva, tillhandahålla systemets icke-elektriska behov etc.). Snabba reaktorer kommer primärt att fungera på baslinjen och producera bränsle från råa isotoper för sig själva och för termiska reaktorer.och att producera bränsle från råa isotoper för sig själv och för termiska reaktorer.och att producera bränsle från råa isotoper för sig själv och för termiska reaktorer.
Moderna tendenser
Kampanjvideo:
De allvarliga olyckor som har inträffat vid kärnkraftverk har dock lett till behovet av att skärpa säkerhetskraven för kärnkraftverk avsevärt. Av denna anledning gjordes betydande justeringar av snabba reaktordesigner med fokus på intensiv bränsleproduktion, och nya konceptdesigner för snabba reaktorer övervägs redan med ett avelsförhållande nära enhet med låg energiintensitet i kärnan. I denna situation har anhängare av nya projekt med snabba reaktorer hittat ett annat sätt att behålla sin betydelse. De började sprida ett scenario som antar att övergivandet av termiska reaktorer på lång sikt är oundvikligt, att snabba reaktorer kommer att ersätta termiska i alla händelser.
Människor har olika bedömningar av framtiden och många tror att den föreslagna inriktningen för utveckling av kärnkraft kanske inte kan realiseras, och det nya konceptet om snabba reaktors dominans kommer att visa sig vara fel. Och denna ståndpunkt är till stor del motiverad. De tillgängliga alternativen gör det möjligt för oss att prata om alternativen för utvecklingen av kärnkraftssystemet i en mycket mer attraktiv konfiguration.
De mest märkbara systembristerna i kärnkraftsbyggandet, huvudsakligen baserade på snabba reaktorer, är uppenbara. Även om vi antar att den snabba reaktorn i sig är perfekt och inte har några brister som skulle ge upphov till tvivel om dess absoluta överlägsenhet över andra projekt, finns det oundvikliga systemproblem.
Först. Huvuddelen av den nyproducerade klyvbara isotopen (plutonium) i snabba reaktorer kommer att produceras i kärnan, där energi kommer att produceras och huvuddelen av radioaktiva klyvningsprodukter kommer att bildas. Detta mycket aktiva bränsle måste bearbetas snabbt kemiskt. Ombearbetning frigör alla radioaktiva isotoper från det bestrålade bränslet. En stor mängd radioaktivitet lämnar det förseglade bränsleelementet och distribueras i hela arbetsrummet. Trots att de kommer att försöka hålla all denna radioaktivitet under kontroll kommer det att avgöra den största risken för potentiella radioaktiva incidenter, av olika skäl, från den ökända mänskliga faktorn till planerad sabotage.
Andra. Snabba reaktorer måste ersätta termiska sådana, nästan helt. Med tanke på att den erforderliga prototypen för snabba reaktorer ännu inte är tillgänglig, att en sådan ersättning kommer att ske gradvis, att den kommer att börja tidigt än i mitten av seklet, och även om alla i världen är överens om att stödja den, kommer proceduren att pågå i minst två århundraden. Under den här tiden, bland dem som lever efter oss, kommer det troligen att finnas människor som kan komma med och genomföra en mer attraktiv profil för kärnkraftsindustrin. Och ansträngningar att skapa den ideala snabbreaktorn kommer att vara förgäves.
Tredje. Multipelåtervinning av plutonium kommer att leda till bildandet av en betydande mängd mindre aktinider, isotoper frånvarande i naturen, som mänskligheten av olika skäl inte tänker uthärda med och kräver att de förstörs. Det kommer också att vara nödvändigt att organisera transmutationen av dessa isotoper, en process med hög risk för en olycka som också kan leda till betydande radioaktiv förorening av miljön.
Man kan acceptera dessa brister som ett oundvikligt ont, men en sådan ställning kan endast motiveras i avsaknad av ett alternativ, men det finns.
Fusionsenergi
Ett alternativ till dominansen av snabba reaktorer kan vara utvecklingen av ett kärnkraftssystem baserat på fusions- och fissionsreaktorer. Förslag för användning av termonukleära reaktorer i kärnkraftsstrukturen, vilket ger en betydande ökning av systemets neutronpotential, gjordes av I. V. Kuchatov Senare uppstod konceptet med en hybrid termonukleär reaktor, i vilken tomt en ny klyvbar isotop producerades och energi producerades. Under de senaste åren har utvecklingen av detta koncept fortsatt. Den nya versionen av kärnkraftssystemet antar att fusionsreaktorer (termonukleära reaktorer) arbetar för att producera kärnbränsle från råa isotoper för klyvningsreaktorer, och klyvningsreaktorer, som nu, producerar energi.
I en nyligen publicerad artikel "Nuclear Problems of Fusion Energy" drog författarna slutsatsen att fusion av ett antal skäl inte borde betraktas som en storskalig energiteknik. Men denna slutsats är helt orättvis när man överväger ett enhetligt system där kärnkraftsteknik (fusion och fission) kompletterar varandra och ger effektivare funktioner för funktioner som är svåra för den andra.
Skapandet av ett tillförlitligt kärnkraftssystem med klyvnings- och fusionsreaktorer är mest föredraget inom ramen för toriumbränslecykeln. I det här fallet kommer andelen termonukleära reaktorer i systemet att vara minimal (mindre än 10%), den artificiella klyvbara isotopen uran-233, erhållen från matningsisotopen thorium-232 är det bästa alternativet för termiska neutronreaktorer, i det enade kärnkraftssystemet existerar problemet med mindre transuraner helt enkelt inte. Mängden Am, Cm, etc. som produceras i systemet. kommer att vara försumbar. Ett sådant system kommer att ha en bränslecykel där risken för radioaktiv förorening av miljön kommer att vara lägst.
Det naturliga kriteriet för implementeringen av detta koncept är neutronbalansen. Kärnreaktionen som produktionen av neutroner i en fusionsreaktor kommer att baseras på är reaktionen av fusion av tritium och deuterium
D + T = He + n +17,6 MeV
Som ett resultat av reaktionen erhålls en neutron med en energi av 14,1 MeV och en alfapartikel med en energi av 3,5 MeV, som återstår för att värma plasma. En neutron med hög energi som flyger genom vakuumkammarens vägg kommer in i filten till en termonukleär reaktor, i vilken den multipliceras; när den fångas upp av en rå isotop erhålls en ny klyvbar isotop. Multiplikationen av en termonukleär neutron sker som ett resultat av reaktionerna (n, 2n), (n, 3n) och (n, fission) - fissionsreaktionen av tunga kärnor, i detta fall en rå isotop. Alla dessa reaktioner är av tröskelvärde. Figur 1 visar graferna för de angivna tvärsnitten. För att säkerställa maximal neutronmultiplikation är det viktigt att filtens bränslekomposition innehåller en minimal mängd lätta kärnor och naturligtvis neutronabsorbenter.
Fig. 1 Mikrosektioner av neutronmultiplikation i Th-232.
För att bedöma potentialen för produktion av nya klyvbara isotoper i en termonukleär reaktor utfördes en serie beräkningar för olika varianter av filtbränslekompositioner med torium som matningsisotop. Beräkningar utfördes med hjälp av olika program och kärnkraftsdatabibliotek. De använda programmen var MCU-biblioteket ENDF / B-6, MCNP, biblioteket ENDF / B-6, LUKY-gruppbiblioteket. Tabellen presenterar resultaten av beräkningar av neutronupptagning med thorium-232 per en fusionneutronkälla för en bränslekomposition med det specificerade förhållandet mellan kärnkraftsisotopkoncentrationer. I vissa utföringsformer antogs det att det angivna isotopförhållandet erhölls inte som en kemisk förening utan konstruktivt när en viss mängd torium omrördes med lämplig mängd av den önskade isotopen.
Tabell 1 Multiplikation av termonukleära neutroner (E = 14,1 MeV) i filten i en hybridreaktor med en toriumbränslekomposition.
Den sista kolumnen listar värdena som kännetecknar multiplikationen av neutroner på grund av klyvningsreaktionen hos den råa isotopen. Värdena för neutronproduktion på grund av klyvning ges, dvs. ν∑f. I LUKY-gruppprogrammet är tvärsnittsmatriserna för reaktionen (n, 2n) och (n, 3n) integrerade med tvärsnitten för oelastisk spridning. Detta gör det inte möjligt att erhålla värdena för hastigheterna för dessa reaktioner separat.
Sammantaget överensstämmer de presenterade beräknade uppgifterna med varandra, vilket ger anledning att räkna med effektiv multiplicering av termonukleära neutroner i en hybridreaktors filt. Beräkningsresultaten som presenteras i tabellen visar den teoretiska multiplikationspotentialen för termonukleära neutroner (14,1 MeV). I ett oändligt toriummedium är det ungefär 2,6, dvs. en neutron multipliceras på grund av reaktioner (n, 2n) och reaktioner (n, 3n) ungefär 2 gånger, och på grund av fission av thorium-232 på 1,5 gånger. Beräkningar för olika program och olika bibliotek skiljer sig med cirka 10%. Dessa skillnader beror på användningen av flera kärnkraftsdatabibliotek. Med hänsyn till det angivna felet kan de presenterade resultaten fungera som en konservativ riktlinje för att bedöma parametrarna för avel av klyvbara isotoper i filten i en termonukleär reaktor. De visar att den avgörande faktorn som leder till en minskning av filtens multipliceringsförmåga är närvaron i den av ljusspridande isotoper, inklusive O-16, F-19, som också har en reaktion av oelastisk neutronspridning vid höga energier. Beräkningar visar att användningen av C-12 för tillverkning av beklädnader för bränsleceller som fyller filten är ganska lovande. Användningen av grafit kan betraktas som ett av designalternativen. Även i fallet när det finns två och en halv gånger fler kolkärnor än thorium är multiplikationsfaktorn för termonukleära neutroner nära 2. Detta innebär att med en korrekt organisering av neutronbalansen kan en kärna av en ny klyvbar isotop uran-233 erhållas i en filt och en kärna tritium.vilket leder till en minskning av filtens multipliceringsförmåga är närvaron av ljusspridande isotoper i den, inklusive O-16, F-19, som också har en reaktion av oelastisk spridning av neutroner vid höga energier. Beräkningar visar att användningen av C-12 för tillverkning av beklädnader för bränsleceller som fyller filten är ganska lovande. Användningen av grafit kan betraktas som ett av designalternativen. Även i fallet när det finns två och en halv gånger fler kolkärnor än torium är multiplikationsfaktorn för termonukleära neutroner nära 2. Detta innebär att med en korrekt organisation av neutronbalansen kan en kärna av en ny klyvbar isotop uran-233 erhållas i en filt och en kärna tritium.vilket leder till en minskning av filtens multipliceringsförmåga är närvaron av ljusspridande isotoper i den, inklusive O-16, F-19, som också har en reaktion av oelastisk spridning av neutroner vid höga energier. Beräkningar visar att användningen av C-12 för tillverkning av beklädnader för bränsleceller som fyller filten är ganska lovande. Användningen av grafit kan betraktas som ett av designalternativen. Även i fallet när det finns två och en halv gånger fler kolkärnor än thorium är multiplikationsfaktorn för termonukleära neutroner nära 2. Detta innebär att med en korrekt organisering av neutronbalansen kan en kärna av en ny klyvbar isotop uran-233 erhållas i en filt och en kärna tritium. F-19, som också har en reaktion av oelastisk spridning av neutroner vid höga energier. Beräkningar visar att användningen av C-12 för tillverkning av beklädnader för bränsleceller som fyller filten är ganska lovande. Användningen av grafit kan betraktas som ett av designalternativen. Även i fallet när det finns två och en halv gånger fler kolkärnor än torium är multiplikationsfaktorn för termonukleära neutroner nära 2. Detta innebär att med en korrekt organisation av neutronbalansen kan en kärna av en ny klyvbar isotop uran-233 erhållas i en filt och en kärna tritium. F-19 har också en reaktion av oelastisk spridning av neutroner vid höga energier. Beräkningar visar att användningen av S-12 för tillverkning av beklädnader för bränsleceller som fyller filten är ganska lovande. Användningen av grafit kan betraktas som ett av designalternativen. Även i fallet när det finns två och en halv gånger fler kolkärnor än torium är multiplikationsfaktorn för termonukleära neutroner nära 2. Detta innebär att med en korrekt organisation av neutronbalansen kan en kärna av en ny klyvbar isotop uran-233 erhållas i en filt och en kärna tritium. Användningen av grafit kan betraktas som ett av designalternativen. Även i fallet när det finns två och en halv gånger fler kolkärnor än torium är multiplikationsfaktorn för termonukleära neutroner nära 2. Detta innebär att med en korrekt organisation av neutronbalansen kan en kärna av en ny klyvbar isotop uran-233 erhållas i en filt och en kärna tritium. Användningen av grafit kan betraktas som ett av designalternativen. Även i fallet när det finns två och en halv gånger fler kolkärnor än thorium är multiplikationsfaktorn för termonukleära neutroner nära 2. Detta innebär att med en korrekt organisering av neutronbalansen kan en kärna av en ny klyvbar isotop uran-233 erhållas i en filt och en kärna tritium.
Naturligtvis kommer det i praktiken att finnas förluster av neutroner och ytterligare neutroner kommer att krävas för att kompensera för dem. Sådana neutroner kan produceras på olika sätt. Till exempel kan en del av tritium, som krävs för fusionsreaktionen, produceras i kärnan i en fissionsreaktor. Potentialen för denna neutronpåfyllningsmetod är mycket hög. I termiska fissionsreaktorer för uran-233-bränslecykeln är avelsförhållandet cirka 0,8, dvs. för en bränd uran-233-kärna kan 0,8 tritiumkärnor erhållas. Detta värde täcker mer än alla neutronförluster. Det är möjligt att minska kolhalten i filten i en fusionsreaktor, d.v.s. För att göra beklädnaden av bränslecellen tunnare är potentialen i detta förslag 0,2.-0,3 ytterligare neutroner. Ett annat sätt att tillåta en liten klyvning av uran-233 ackumuleras i filten. Rimlig potential med detta alternativ,vilket inte leder till en signifikant ökning av klyvningsprodukterna av tunga kärnor i filten är mer än 0,5 neutroner.
Slutsats
Betydelsen av effektiv neutronmultiplikation i tomrummet för en hybridreaktor är desto viktigare eftersom det gör det möjligt att överge upparbetningen av SNF från klyvningsreaktorer. Det kommer att finnas tillräckligt med neutroner i systemet för att helt kompensera för förlusten av klyvbara isotoper under produktionen av energi i klyvningsreaktorer genom deras produktion från matningsisotopen i filten av en termonukleär reaktor.
Det spelar ingen roll vilken typ av klyvningsreaktorer som finns i systemet, snabba eller termiska, stora eller små.
Extraktionen av det nyproducerade uran-233 från filten bränslekomposition kommer att åtföljas av frisättningen av radioaktivitet med cirka två till tre storleksordningar mindre, jämfört med alternativet när de klyvbara isotoperna måste separeras från SNF för klyvningsreaktorer. Denna omständighet säkerställer den minsta risken för radioaktiv förorening av miljön.
Baserat på de utförda beräkningarna är det lätt att uppskatta andelen hybrida termonukleära reaktorer. Det kommer att vara mindre än 10% av hela systemets termiska effekt, och därför kommer den ekonomiska bördan för hela systemet inte att vara stor, även om hybrid-termonukleära reaktorer är dyrare än fissionsreaktorer.
Termonukleär teknik inbäddad i kärnkraftssystemet och deras framtida utveckling bör betraktas som den allmänna inriktningen för den kärnkraftsindustrins strategiska utveckling, som kan lösa viktiga problem med energiförsörjning under lång tid, praktiskt taget i vilken skala som helst, med en minimal risk för negativ radioaktiv påverkan på miljön.
