Подкритический реактор - Subcritical reactor

А подкритический реактор это ядерное деление реактор концепция, которая производит деление без достижения критичность. Вместо того, чтобы поддерживать цепная реакция, подкритический реактор использует дополнительные нейтроны из внешнего источника. Есть два основных класса таких устройств. Один использует нейтроны, поставляемые термоядерная реакция машина, концепция, известная как гибрид синтеза-деления. Другой использует нейтроны, созданные через раскол тяжелых ядер заряженными частицами, такими как протоны, ускоренные ускоритель частиц, концепция, известная как система, управляемая ускорителем (ADS) или подкритический реактор с приводом от ускорителя.

Мотивация

Подкритический реактор можно использовать для уничтожения тяжелых изотопов, содержащихся в отработанном топливе обычного ядерного реактора, при одновременном производстве электроэнергии. Долгоживущий трансурановые элементы в ядерные отходы в принципе может быть расщепленный, выпуская энергия в процессе и оставив позади продукты деления которые более короткоживущие. Это значительно сократит время утилизации радиоактивные отходы. Однако некоторые изотопы имеют пороговое деление. поперечные сечения и поэтому требуют быстрый реактор для расщепления. Кроме того, они выделяют в среднем слишком мало новых нейтронов за одно деление, так что с топливом, содержащим большую их долю, критичность не может быть достигнута. Реактор, управляемый ускорителем, не зависит от этого параметра и, следовательно, может утилизировать эти нуклиды. Три наиболее важных долгосрочных радиоактивных изотопа, с которыми можно было бы выгодно обращаться таким образом: нептуний-237, америций-241 и америций-243. В ядерное оружие материал плутоний-239 также подходит, хотя его можно израсходовать более дешевым способом, так как МОКС-топливо или внутри существующих быстрые реакторы.

Помимо сжигания ядерных отходов, есть интерес к этому типу реактора, потому что он считается безопасным по своей сути, в отличие от обычного реактора.[1] В большинстве типов критических реакторов существуют обстоятельства, при которых скорость деления может быстро увеличиваться, вызывая повреждение или разрушение реактора и позволяя улетучиваться радиоактивному материалу (см. SL-1 или же Чернобыльская катастрофа ). В подкритическом реакторе реакция прекратится, если не будет непрерывно подавать нейтроны из внешнего источника. Однако проблема выделения тепла даже после завершения цепной реакции остается, так что непрерывное охлаждение такого реактора в течение значительного периода времени после остановки остается жизненно важным для предотвращения перегрева.

Смотрите также: Торий и Усилитель энергии

Принцип

Большинство современных проектов ADS предлагают высокоинтенсивный протон ускоритель с энергией около 1 ГэВ, направленный к раскол мишень или источник нейтронов откола. Источник, расположенный в центре активной зоны реактора, содержит жидкий металл, на который воздействует пучок, высвобождая нейтроны, и который охлаждается за счет циркуляции жидкого металла, такого как вести -висмут к теплообменнику. В активная зона ядерного реактора окружающий скол источник нейтронов содержит топливные стержни, причем топливо предпочтительно Торий. Таким образом, на каждый протон, пересекающий мишень откола, в среднем 20 нейтроны выпущен, который деление окружающая делящаяся часть топлива и обогащающая фертильная часть. Нейтронный баланс можно регулировать или даже отключать, регулируя мощность ускорителя так, чтобы реактор находился ниже критичность. Дополнительные нейтроны, вызванные отколом источник нейтронов обеспечивают такую ​​же степень контроля, как и запаздывающие нейтроны в обычном ядерный реактор с той разницей, что нейтроны, возбуждаемые источником нейтронов расщепления, легко контролируются ускорителем. Главное преимущество неотъемлемая безопасность. Обычный ядерный реактор с ядерное топливо обладает саморегулирующимися свойствами, такими как эффект Доплера или эффект пустоты, которые делают эти ядерные реакторы безопасный. В дополнение к этим физическим свойствам обычных реакторов, в подкритическом реакторе всякий раз, когда выключается источник нейтронов, реакция деления прекращается, и остается только тепло распада.

Принцип работы реактора с ускорителем

Технические проблемы

Необходимо преодолеть технические трудности, прежде чем ADS станет экономичным и в конечном итоге будет интегрировано в будущее управление ядерными отходами. Ускоритель должен обеспечивать высокую интенсивность, а также быть очень надежным. Есть опасения по поводу окна, отделяющего протоны от мишени откола, которая, как ожидается, будет подвергаться нагрузкам в экстремальных условиях. Однако недавний опыт с жидкометаллическим источником нейтронов MEGAPIE, испытанным на Институт Пауля Шеррера продемонстрировал рабочее окно пучка под интенсивным пучком протонов 0,78 МВт. Химическое разделение трансурановых элементов и производство топлива, а также материалов конструкции являются важными вопросами. Наконец, отсутствие ядерные данные при высоких энергиях нейтронов ограничивает эффективность конструкции.

Некоторые лабораторные эксперименты и множество теоретических исследований продемонстрировали теоретическую возможность такой установки. Карло Руббиа, ядерный физик, Лауреат Нобелевской премии и бывший директор ЦЕРН, был одним из первых, кто задумал проект подкритического реактора, так называемого "усилитель энергии ". В 2005 году в Европе и Японии реализуется несколько крупномасштабных проектов по дальнейшему развитию технологии подкритических реакторов. В 2012 году ученые и инженеры ЦЕРН запустили проект Международный комитет по ториевой энергии (iThEC),[1] организация, стремящаяся к достижению этой цели и организовавшая конференцию ThEC13[2] конференция по теме.

Экономика и общественное признание

Подкритические реакторы были предложены как средства генерации электроэнергия и как средство трансмутация из ядерные отходы, так что выигрыш будет двукратным. Однако ожидается, что затраты на строительство, безопасность и техническое обслуживание таких сложных установок будут очень высокими, не говоря уже о количестве исследований, необходимых для разработки практического проекта (см. Выше). Существуют более дешевые и достаточно безопасные концепции обращения с отходами, такие как преобразование в реакторы на быстрых нейтронах. Однако решение субкритического реактора может быть предпочтительным для лучшего общественное признание - считается более приемлемым сжигать отходы, чем закапывать сотни тысяч лет. Для будущего обращения с отходами несколько устройств трансмутации могут быть интегрированы в крупномасштабную ядерную программу, что, как мы надеемся, лишь незначительно увеличит общие затраты.

Основная проблема, с которой сталкиваются операции разделения и трансмутации, - это необходимость вступить в ядерные циклы очень большой продолжительности: около 200 лет.[3] . Другой недостаток - образование большого количества долгоживущих промежуточных звеньев. радиоактивные отходы (ILW), которые также потребуют глубокого геологического захоронения для безопасного управления. Более позитивным аспектом является ожидаемое уменьшение размера хранилища, которое, по оценкам, составляет от 4 до 6. Как положительные, так и отрицательные аспекты были изучены в международном сравнительном исследовании.[4] координируется Forschungszentrum Jülich и финансируется Евросоюз.

Подкритические гибридные системы

Хотя изначально ADS задумывалась как часть легководный реактор дизайна, были внесены другие предложения, которые включают ADS в другие реактор поколения IV концепции.[нужна цитата ]

Одно из таких предложений требует газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах это питается в первую очередь плутоний и америций. Нейтронно-физические свойства америция затрудняют его использование в любом критическом реакторе, поскольку он имеет тенденцию вызывать температурный коэффициент замедлителя более положительный, снижая стабильность. Тем не менее, неотъемлемая безопасность ADS позволяет безопасно сжигать америций. Эти материалы также обладают хорошей нейтронной экономией, что позволяет иметь большое отношение шага к диаметру, что позволяет улучшить естественную циркуляцию и экономичность.

Системы утилизации ядерных отходов с мюонным приводом

Подкритические методы для использования в ядерные отходы также разрабатываются способы утилизации, не использующие нейтронные источники. К ним относятся системы, которые полагаются на механизм мюонный захват, в котором мюоны (μ−) от компактного источника, управляемого ускорителем трансмутировать долгоживущие радиоактивные изотопы в стабильные изотопы.[5]

Смотрите также

Рекомендации

Примечания
  1. ^ "IThec | Утилита сайта WordPress".
  2. ^ «* Конференция Thorium Energy 2013 (ThEC13) * Глобус науки и инноваций ЦЕРН, Женева, Швейцария».
  3. ^ Baetslé, L.H .; De Raedt, Ch. (1997). «Ограничения рециркуляции актинидов и последствия топливного цикла: глобальный анализ. Часть 1: Глобальный анализ топливного цикла». Ядерная инженерия и дизайн. 168 (1–3): 191–201. Дои:10.1016 / S0029-5493 (96) 01374-X. ISSN  0029-5493.
  4. ^ http://juser.fz-juelich.de/record/1315/files/Energie%26Umwelt_15.pdf
  5. ^ Нагамин, Канетада (2016). «Способ удаления ядерных отходов и его устройство с использованием мюонно-ядерной абсорбции (WO2016143144A1)». Espacenet (патентная база данных).
Источники