kommentar
I de seneste vurderinger af de strategiske udsigter til udvikling af atomkraft kan man bemærke tendensen til en nedladende arrogant holdning til termonuklear energi, som desværre i vid udstrækning svarer til den virkelige situation. Samtidig viser en analyse af problemerne og potentialet i to nukleare teknologier baseret på nukleare reaktioner af fusion af lette kerner og fission af tunge følgende. Uafhængig storstilet udvikling af hvert af disse områder vil uundgåeligt føre til behovet for at overvinde de stadig uløste problemer med teknologisk, materialevidenskabelig, miljømæssig og økonomisk karakter, hvilket vil rejse spørgsmålet om hensigtsmæssigheden af yderligere udvikling af disse energisektorer. Samtidig indikerer de fysiske træk ved fissions- og fusionsprocesserne objektivt, at det er hensigtsmæssigt at kombinere dem inden for et enkelt nukleart energisystem, hvilket forårsager en stor synergistisk effekt, der undertrykker deres negative aspekter ved at udvikle nukleare teknologier uafhængigt.
Artiklen præsenterer beregningerne af multiplikationen af termonukleære neutroner i tæppet til en hybrid termonuklear reaktor, som bekræfter den fysiske validitet og pålidelighed af valget af den strategiske udviklingsretning i form af et integreret atomkraftsystem.
Introduktion
Nu, i vurderingerne af den strategiske vej til udvikling af kernekraft, finder der alvorlige revurderinger af de tilsyneladende etablerede bestemmelser sted. To-komponent-konceptet til udvikling af kernekraft, hvor hurtige og termiske fissionsreaktorer fungerer sammen, har for nylig gennemgået en seriøs revision. Tidligere blev det antaget, at den strukturelle udvikling af kernekraft ville være baseret i den indledende fase på kapacitetsopbygning på bekostning af termiske reaktorer. Derefter vises hurtige reaktorer med et højt avlsforhold på 1,5 og højere. Dette vil gøre det muligt med den voksende mangel på naturligt uran at organisere en lukket brændselscyklus med effektiv oparbejdning af bestrålet brugt nukleart brændsel og tilfredsstille behovet for fissile isotoper ved at producere dem i hurtige reaktorer. Det blev antagetat i kernekraftsystemet vil andelen af termiske reaktorer være omkring 60%, og andelen af hurtige reaktorer vil være omkring 40%. Termiske reaktorer påtager sig ulemperne ved at arbejde i elsystemet (effektområde tilpasset forbrugernes krav, drift i en variabel belastningskurve, tilvejebringer ikke-elektriske behov i systemet osv.). Hurtige reaktorer fungerer overvejende på basis og producerer brændstof fra rå isotoper til sig selv og til termiske reaktorer.og at producere brændstof fra rå isotoper til sig selv og til termiske reaktorer.og at producere brændstof fra rå isotoper til sig selv og til termiske reaktorer.
Moderne tendenser
Salgsfremmende video:
De alvorlige ulykker, der opstod ved kernekraftværker, førte imidlertid til behovet for at skærpe sikkerhedskravene til atomkraftværker betydeligt. Af denne grund blev der foretaget betydelige justeringer af hurtige reaktordesign med fokus på intensiv brændstofproduktion, og nye konceptuelle design af hurtige reaktorer overvejes allerede med et avlsforhold tæt på enhed med en lav energiintensitet af kernen. I denne situation har tilhængere af nye projekter med hurtige reaktorer fundet en anden måde at bevare deres betydning på. De begyndte at udbrede et scenarie, der antager, at afvisning af termiske reaktorer på lang sigt er uundgåelig, at hurtige reaktorer under enhver udvikling af begivenheder vil erstatte termiske.
Folk har forskellige vurderinger af fremtiden, og mange mener, at den foreslåede retning for udvikling af atomkraft muligvis ikke kan realiseres, og det nye koncept om hurtige reaktors dominans vil vise sig at være forkert. Og denne holdning er stort set berettiget. De tilgængelige alternativer giver os mulighed for at tale om mulighederne for udvikling af atomkraftsystemet i en langt mere attraktiv konfiguration.
De mest bemærkelsesværdige systemiske ulemper ved opførelsen af atomkraft, overvejende baseret på hurtige reaktorer, er indlysende. Selv hvis vi antager, at selve hurtigreaktoren er lavet perfekt og ikke har nogen mangler, der kan rejse tvivl om dens absolutte overlegenhed i forhold til andre projekter, er der uundgåelige systemiske vanskeligheder.
Først. Hoveddelen af den nyproducerede fissile isotop (plutonium) i hurtige reaktorer vil blive produceret i kernen, hvor energien vil blive produceret, og hovedparten af de radioaktive fissionsprodukter dannes. Dette meget aktive brændstof skal behandles hurtigt kemisk. Genbearbejdning frigiver alle radioaktive isotoper fra det bestrålede brændstof. En stor mængde radioaktivitet vil forlade det forseglede brændstofelement og distribueres i hele arbejdsrummet. På trods af at de vil forsøge at holde al denne radioaktivitet under kontrol, vil det bestemme den største risiko for potentielle radioaktive hændelser af forskellige årsager fra den berygtede menneskelige faktor til planlagt sabotage.
Sekund. Hurtige reaktorer bliver nødt til at erstatte termiske reaktorer næsten fuldstændigt. I betragtning af at den krævede prototype af hurtige reaktorer endnu ikke er tilgængelig, at en sådan udskiftning vil finde sted gradvist, at den begynder tidligst i midten af århundredet, og selvom alle i verden er enige om at støtte den, vil proceduren vare i mindst to århundreder. I løbet af denne tid vil der sandsynligvis være mennesker blandt dem, der lever efter os, der er i stand til at komme med og implementere en mere attraktiv profil for atomindustrien. Og bestræbelserne på at skabe den ideelle hurtige reaktor vil være forgæves.
Tredje. Multipel genanvendelse af plutonium vil føre til dannelse af en betydelig mængde mindre actinider, isotoper fraværende i naturen, som menneskeheden af forskellige årsager ikke har til hensigt at udholde og kræver deres destruktion. Det vil også være nødvendigt at organisere transmutationen af disse isotoper, en proces med stor risiko for en ulykke, der også kan føre til betydelig radioaktiv forurening af miljøet.
Man kunne acceptere disse mangler som en uundgåelig ondskab, men en sådan position kan kun retfærdiggøres i fravær af et alternativ, men den findes.
Fusionsenergi
Et alternativ til dominansen af hurtige reaktorer kan være udviklingen af et atomkraftsystem baseret på fusions- og fissionsreaktorer. Forslag til anvendelse af termonukleare reaktorer i kernekraftens struktur, der giver en betydelig stigning i systemets neutronpotentiale, blev fremsat af I. V. Kuchatov Senere optrådte konceptet med en hybrid termonuklear reaktor, hvori en ny fissil isotop blev produceret og energi blev produceret. I de senere år er udviklingen af dette koncept fortsat. Den nye version af det nukleare system antager, at fusionsreaktorer (termonukleare reaktorer) fungerer til at producere nukleart brændsel fra rå isotoper til fissionsreaktorer, og fissionsreaktorer, som nu, producerer energi.
I en for nylig offentliggjort artikel "Nuclear Problems of Thermonuclear Power Engineering" konkluderede forfatterne, at termonuklear fusion af en række årsager ikke skulle betragtes som en stor energiteknologi. Men denne konklusion er helt uretfærdig, når man overvejer et samlet system, hvor kernekraftteknologier (fusion og fission) supplerer hinanden og giver mere effektiv udførelse af funktioner, der er vanskelige for den anden.
Oprettelse af et pålideligt kernekraftsystem med fissions- og fusionsreaktorer foretrækkes mest inden for rammerne af thoriumbrændselscyklussen. I dette tilfælde vil andelen af termonukleære reaktorer i systemet være minimal (mindre end 10%), den kunstige fissile isotop uran-233, opnået fra foderet isotopen thorium-232 er den bedste mulighed for termiske neutronreaktorer, i det forenede nukleare system vil problemet med mindre transuraner simpelthen ikke eksistere. Mængden af Am, Cm osv., Der produceres i systemet. vil være ubetydelig. Et sådant system vil have en brændstofcyklus, hvor risikoen for radioaktiv forurening af miljøet vil være den laveste.
Det naturlige kriterium for implementeringen af dette koncept er neutronbalancen. Den nukleare reaktion, hvorpå produktionen af neutroner i en fusionsreaktor vil være baseret, er reaktionen af fusion af tritium og deuterium
D + T = He + n +17,6 MeV
Som et resultat af reaktionen opnås en neutron med en energi på 14,1 MeV og en alfapartikel med en energi på 3,5 MeV, som er tilbage til opvarmning af plasmaet. En neutron med høj energi, der flyver gennem vakuumkammerets væg, kommer ind i tæppet til en termonuklear reaktor, hvori den formere sig; når den fanges af en rå isotop, opnås en ny fissil isotop. Multiplikationen af en termonuklear neutron opstår som et resultat af reaktionerne (n, 2n), (n, 3n) og (n, fission) - fissionsreaktionen af tunge kerner, i dette tilfælde en rå isotop. Alle disse reaktioner er af tærskel karakter. Figur 1 viser graferne for de angivne tværsnit. For at sikre den maksimale neutronmultiplikation er det vigtigt, at tæppebrændstofsammensætningen indeholder et minimum antal lette kerner og selvfølgelig neutronabsorbenter.
Fig. 1 Mikrosektioner af neutronmultiplikation i Th-232.
For at vurdere potentialet for produktion af nye fissile isotoper i en termonuklear reaktor blev der udført en række beregninger for forskellige varianter af tæppebrændstofsammensætninger med thorium som foderaisotop. Beregninger blev udført ved hjælp af forskellige programmer og nukleare databiblioteker. De anvendte programmer var MCU-bibliotek ENDF / B-6, MCNP, bibliotek ENDF / B-6, LUKY-gruppebibliotek. Tabellen viser resultaterne af beregninger af neutronindfangning på thorium-232 pr. En fusionsneutronkilde for en brændstofsammensætning med det specificerede forhold mellem nukleare isotopkoncentrationer. I nogle udførelsesformer blev det antaget, at det angivne forhold mellem isotoper ikke blev opnået som en kemisk forbindelse, men konstruktivt, når en bestemt mængde thorium blev omrørt med den passende mængde af den ønskede isotop.
Tabel 1 Multiplikation af termonukleære neutroner (E = 14,1 MeV) i tæppet i en hybridreaktor med en thoriumbrændstofsammensætning.
Den sidste kolonne viser de værdier, der karakteriserer multiplikationen af neutroner på grund af fissionsreaktionen af den rå isotop. Værdierne for neutronproduktion på grund af fission er angivet, dvs. ν∑f. I LUKY-gruppeprogrammet er tværsnitsmatricerne til reaktionen (n, 2n) og (n, 3n) integreret med tværsnittene til uelastisk spredning. Dette tillader ikke opnåelse af værdierne af hastighederne for disse reaktioner separat.
Generelt er de præsenterede beregnede data i god overensstemmelse med hinanden, hvilket giver grund til at regne med den effektive multiplikation af termonukleære neutroner i tæppet til en hybridreaktor. Beregningsresultaterne præsenteret i tabellen viser det teoretiske multiplikationspotentiale for termonukleare neutroner (14,1 MeV). I et uendeligt medium af thorium er det ca. 2,6, dvs. en neutron multipliceres på grund af reaktioner (n, 2n) og reaktioner (n, 3n) ca. 2 gange og på grund af fission af thorium-232 1,5 gange. Beregninger for forskellige programmer og forskellige biblioteker adskiller sig med ca. 10%. Disse forskelle skyldes brugen af flere nukleare databiblioteker. Under hensyntagen til den angivne fejl kan de præsenterede resultater tjene som en konservativ retningslinje til vurdering af parametrene for avlsfissile isotoper i tæppet til en termonuklear reaktor. De viser, at den afgørende faktor, der fører til et fald i tæppets multiplikationsevne, er tilstedeværelsen i det af lysspredende isotoper, inklusive O-16, F-19, som også har en reaktion af uelastisk neutronspredning ved høje energier. Beregninger viser, at brugen af S-12 til fremstilling af beklædninger til brændselsceller, der fylder tæppet, er ret lovende. Brug af grafit kan betragtes som en af designmulighederne. Selv i tilfælde, hvor der er to og en halv gange flere kulstofkerner end thorium, er multiplikationsfaktoren for termonukleære neutroner tæt på 2. Dette betyder, at med den korrekte organisering af neutronbalancen kan en kerne af en ny fissil isotop uran-233 opnås i et tæppe og en kerne tritium.hvilket fører til et fald i tæppets multipliceringsevne er tilstedeværelsen af lysspredende isotoper i det, inklusive O-16, F-19, som også har en reaktion af uelastisk spredning af neutroner ved høje energier. Beregninger viser, at brugen af C-12 til fremstilling af beklædninger til brændselsceller, der fylder tæppet, er ret lovende. Brug af grafit kan betragtes som en af designmulighederne. Selv i tilfælde, hvor der er to og en halv gange flere kulstofkerner end thorium, er multiplikationsfaktoren for termonukleære neutroner tæt på 2. Dette betyder, at med den korrekte organisering af neutronbalancen kan en kerne af en ny fissil isotop uran-233 opnås i et tæppe og en kerne tritium.hvilket fører til et fald i tæppets multipliceringsevne er tilstedeværelsen af lysspredende isotoper i det, inklusive O-16, F-19, som også har en reaktion af uelastisk spredning af neutroner ved høje energier. Beregninger viser, at brugen af C-12 til fremstilling af beklædninger til brændselsceller, der fylder tæppet, er ret lovende. Brug af grafit kan betragtes som en af designmulighederne. Selv i tilfælde, hvor der er to og en halv gang flere kulstofkerner end thorium, er multiplikationsfaktoren for termonukleære neutroner tæt på 2. Dette betyder, at med den korrekte organisering af neutronbalancen kan en kerne af en ny fissil isotop uran-233 opnås i et tæppe og en kerne tritium. F-19 har også en reaktion af uelastisk spredning af neutroner ved høje energier. Beregninger viser, at brugen af S-12 til fremstilling af beklædninger til brændselsceller, der fylder tæppet, er ret lovende. Brug af grafit kan betragtes som en af designmulighederne. Selv i tilfælde, hvor der er to og en halv gang flere kulstofkerner end thorium, er multiplikationsfaktoren for termonukleære neutroner tæt på 2. Dette betyder, at med den korrekte organisering af neutronbalancen kan en kerne af en ny fissil isotop uran-233 opnås i et tæppe og en kerne tritium. F-19, som også har en reaktion af uelastisk spredning af neutroner ved høje energier. Beregninger viser, at brugen af S-12 til fremstilling af beklædninger til brændselsceller, der fylder tæppet, er ret lovende. Brug af grafit kan betragtes som en af designmulighederne. Selv i tilfælde, hvor der er to og en halv gang flere kulstofkerner end thorium, er multiplikationsfaktoren for termonukleære neutroner tæt på 2. Dette betyder, at med den korrekte organisering af neutronbalancen kan en kerne af en ny fissil isotop uran-233 opnås i et tæppe og en kerne tritium. Brug af grafit kan betragtes som en af designmulighederne. Selv i tilfælde, hvor der er to og en halv gang flere kulstofkerner end thorium, er multiplikationsfaktoren for termonukleære neutroner tæt på 2. Dette betyder, at med den korrekte organisering af neutronbalancen kan en kerne af en ny fissil isotop uran-233 opnås i et tæppe og en kerne tritium. Brug af grafit kan betragtes som en af designmulighederne. Selv i tilfælde, hvor der er to og en halv gange flere kulstofkerner end thorium, er multiplikationsfaktoren for termonukleare neutroner tæt på 2. Dette betyder, at med den korrekte organisering af neutronbalancen kan en kerne af en ny fissil isotop uran-233 opnås i et tæppe og en kerne tritium.
I praksis vil der naturligvis være tab af neutroner, og der kræves yderligere neutroner for at kompensere for dem. Sådanne neutroner kan produceres på en række måder. For eksempel kan noget af tritium, som er nødvendigt til fusionsreaktionen, produceres i kernen i en fissionsreaktor. Potentialet ved denne neutronpåfyldningsmetode er meget højt. I termiske fissionsreaktorer til uran-233-brændselscyklussen er avlsforholdet ca. 0,8, dvs. for en brændt uran-233-kerne kan 0,8 tritiumkerner opnås. Denne værdi vil mere end dække alle neutrontab. Det er muligt at reducere kulstofindholdet i tæppet i en fusionsreaktor, dvs. for at gøre beklædningen af brændselscellen tyndere er potentialet i dette forslag 0,2.-0,3 yderligere neutroner. En anden måde at tillade en lille fission af uran-233 akkumuleret i tæppet. Rimeligt potentiale ved denne mulighed,hvilket ikke vil føre til en signifikant stigning i fissionsprodukterne af tunge kerner i tæppet er mere end 0,5 neutroner.
Konklusion
Betydningen af effektiv multiplikation af neutroner i tomrummet for en hybridreaktor er så meget vigtigere, fordi det gør det muligt at nægte genbehandling af brugt nukleart brændsel fra fissionsreaktorer. Der vil være nok neutroner i systemet til fuldt ud at kompensere for tabet af fissile isotoper under produktionen af energi i fissionsreaktorer ved deres produktion fra foderisotopen i tæppet til en termonuklear reaktor.
Det betyder slet ikke noget, hvilken type fissionsreaktorer der vil være i systemet, hurtig eller termisk, stor eller lille.
Ekstraktionen af det nyproducerede uran-233 fra tæppebrændstofsammensætningen ledsages af frigivelsen af radioaktivitet med ca. to til tre størrelsesordener mindre sammenlignet med muligheden, når de fissile isotoper skal adskilles fra SNF af fissionsreaktorer. Denne omstændighed vil sikre den mindste risiko for radioaktiv forurening af miljøet.
Baseret på de udførte beregninger er det let at estimere andelen af hybride termonukleare reaktorer. Det vil være mindre end 10% af hele systemets termiske effekt, og derfor vil den økonomiske byrde for hele systemet ikke være stor, selvom hybrid-termonukleære reaktorer er dyrere end fissionsreaktorer.
Termonukleære teknologier indlejret i atomkraftsystemet og deres fremtidige udvikling bør betragtes som den generelle retning for den strategiske udvikling af den nukleare industri, der er i stand til at løse centrale problemer med energiforsyning i lang tid, praktisk talt af enhver skala, med en minimal risiko for negativ radioaktiv indvirkning på miljøet.