pripis
V zadnjih ocenah strateških perspektiv za razvoj jedrske energije je mogoče opaziti težnjo do popustljivega arogantnega odnosa do termonuklearne energije, ki pa v veliki meri ustreza dejanskemu stanju. Analiza problemov in potenciala dveh jedrskih tehnologij, ki temelji na jedrskih reakcijah fuzije lahkih jeder in cepitve težkih, hkrati kaže naslednje. Neodvisen obsežen razvoj vsakega od teh področij bo neizogibno privedel do potrebe po premagovanju še vedno nerešenih problemov tehnološke, materialne, okoljske in gospodarske narave, kar bo sprožilo vprašanje smiselnosti nadaljnjega razvoja teh energetskih sektorjev. Hkrati fizikalne značilnosti cepitvenega in fuzijskega procesa objektivno kažejo na smiselnost njihovega kombiniranja v enem samem jedrsko-energetskem sistemu, kar povzroči velik sinergijski učinek, ki zatira njihove negativne vidike, pri čemer samostojno razvija jedrske tehnologije.
V članku so predstavljeni izračuni množenja termonuklearnih nevtronov v odeji hibridnega termonuklearnega reaktorja, ki potrjujejo fizično veljavnost in zanesljivost izbire strateške smeri razvoja v obliki enotnega jedrskega elektroenergetskega sistema.
Uvod
Zdaj pri ocenah strateške poti razvoja jedrske energije potekajo resne presoje na videz ustaljenih določb. Dvokomponentni koncept za razvoj jedrske energije, v katerem reagirajo reaktorji za hitro in toplotno cepitev, je bil pred kratkim resno spremenjen. Pred tem se je domnevalo, da bo strukturni razvoj jedrske energije v začetni fazi temeljil na krepitvi zmogljivosti na račun toplotnih reaktorjev. V prihodnosti bodo hitri reaktorji z visokim vzrejnim razmerjem reda 1,5 in več. To bo ob naraščajočem pomanjkanju naravnega urana omogočilo organiziranje zaprtega gorivnega cikla z učinkovito predelavo obsevanega izrabljenega jedrskega goriva in zadovoljevanje potrebe po cepljivih izotopih s proizvodnjo v hitrih reaktorjih. Domnevalo se jeda bo v jedrskem energetskem sistemu delež toplotnih reaktorjev približno 60%, delež hitrih reaktorjev pa približno 40%. Toplotni reaktorji bodo prevzeli nevšečnosti pri delu v elektroenergetskem sistemu (obseg moči, prilagojen zahtevam potrošnika, delovanje v spremenljivi krivulji obremenitve, zagotavljanje neelektričnih potreb sistema itd.). Hitri reaktorji bodo delovali pretežno na osnovi in bodo iz surovih izotopov proizvajali gorivo zase in za termične reaktorje.ter za pridobivanje goriva iz surovih izotopov zase in za termične reaktorje.ter za pridobivanje goriva iz surovih izotopov zase in za termične reaktorje.
Sodobne težnje
Promocijski video:
Zaradi hudih nesreč v jedrskih elektrarnah pa je bilo treba nujno poostriti varnostne zahteve za jedrske elektrarne. Iz tega razloga so bile bistveno prilagojene zasnove hitrih reaktorjev, osredotočene na intenzivno proizvodnjo goriva, in že se preučujejo nove idejne zasnove hitrih reaktorjev z vzrejnim razmerjem, ki je blizu enotnosti, z nizko energijsko intenzivnostjo jedra. V tej situaciji so pristaši novih projektov hitrih reaktorjev našli drug način, da ohranijo svoj pomen. Začeli so širiti scenarij, ki predpostavlja, da je dolgoročno opustitev toplotnih reaktorjev neizogibna, da bodo v vsakem dogodku hitri reaktorji nadomestili toplotne.
Ljudje imajo različne ocene prihodnosti in mnogi verjamejo, da se predlagana usmeritev za razvoj jedrske energije morda ne bo uresničila in se bo novi koncept prevlade hitrih reaktorjev izkazal za napačnega. In to stališče je v veliki meri upravičeno. Razpoložljive alternative nam omogočajo, da o možnostih za razvoj jedrskega sistema govorimo v veliko bolj privlačni konfiguraciji.
Očitne so najbolj opazne sistemske pomanjkljivosti pri gradnji jedrske energije, ki temelji predvsem na hitrih reaktorjih. Tudi če predpostavimo, da je sam hitri reaktor popolnoma izdelan in nima napak, ki bi vzbujale dvome o njegovi absolutni premoči nad drugimi projekti, so sistemske težave neizogibne.
Najprej. Glavni del novo proizvedenega cepljivega izotopa (plutonija) v hitrih reaktorjih bo proizveden v jedru, kjer bo proizvedena energija in bo nastala glavnina radioaktivnih cepitvenih produktov. To zelo aktivno gorivo je treba hitro kemično obdelati. Predelava bo sprostila vse radioaktivne izotope iz obsevanega goriva. Velika količina radioaktivnosti zapusti zaprti gorivni element in se porazdeli po delovni sobi. Kljub temu, da bodo poskušali vso to radioaktivnost nadzorovati, bo iz različnih razlogov od zloglasnega človeškega dejavnika do načrtovane sabotaže določilo glavno tveganje za morebitne radioaktivne incidente.
Drugič. Hitri reaktorji bodo morali skoraj v celoti nadomestiti termične. Glede na to, da zahtevani prototip hitrih reaktorjev še ni na voljo, bo takšna zamenjava potekala postopoma, da se bo začela šele sredi stoletja in četudi se vsi na svetu strinjajo, da jo bodo podprli, bo postopek trajal vsaj dve stoletji. V tem času se bodo med tistimi, ki živijo po nas, verjetno našli ljudje, ki bodo lahko pripravili privlačnejši profil jedrske industrije. In prizadevanja za ustvarjanje idealnega hitrega reaktorja bodo zaman.
Tretjič. Večkratno recikliranje plutonija bo privedlo do nastanka znatne količine manj pomembnih aktinidov, izotopov, ki jih v naravi ni, s čimer se človeštvo iz različnih razlogov ne namerava sprijazniti in zahteva njihovo uničenje. Prav tako bo treba organizirati transmutacijo teh izotopov, postopek z velikim tveganjem za nesrečo, ki lahko povzroči tudi znatno radioaktivno onesnaženje okolja.
Te pomanjkljivosti bi lahko sprejeli kot neizogibno zlo, vendar je takšno stališče mogoče upravičiti le, če ni alternative, vendar obstaja.
Fuzijska energija
Alternativa prevladi hitrih reaktorjev je lahko razvoj jedrskega energetskega sistema, ki temelji na fuzijskih in fisijskih reaktorjih. Predloge za uporabo termonuklearnih reaktorjev v strukturi jedrske energije, ki zagotavljajo znatno povečanje nevtronskega potenciala sistema, je podal I. V. Kuchatov Kasneje se je pojavil koncept hibridnega termonuklearnega reaktorja, v slepem delu katerega je bil proizveden nov cepljivi izotop in energija. V zadnjih letih se je razvoj tega koncepta nadaljeval. Nova različica jedrskega sistema predvideva, da fuzijski reaktorji (termonuklearni reaktorji) delujejo za proizvodnjo jedrskega goriva iz surovih izotopov za cepitvene reaktorje, medtem ko cepitveni reaktorji, kot zdaj, proizvajajo energijo.
V nedavno objavljenem članku "Jedrski problemi termonuklearne energetike" so avtorji ugotovili, da termonuklearne fuzije iz več razlogov ne bi smeli obravnavati kot obsežno energetsko tehnologijo. Toda tak sklep je popolnoma nepravičen, če razmišljamo o integriranem sistemu, v katerem se jedrske energetske tehnologije (fuzija in fisija) dopolnjujejo in zagotavljajo učinkovitejše izvajanje funkcij, ki so za druge težje.
V okviru torijevega gorivnega cikla je najbolj zaželeno ustvariti zanesljiv jedrski sistem s cepilnimi in fuzijskimi reaktorji. V tem primeru bo delež termonuklearnih reaktorjev v sistemu minimalen (manj kot 10%), umetni cepljivi izotop uran-233, pridobljen iz napajalnega izotopa torija-232, je najboljša možnost za reaktorje s toplotnimi nevtroni, v enotnem jedrskem sistemu pa problem manjših transuranov preprosto ne bo obstajal. Količina Am, Cm itd., Proizvedena v sistemu. bo zanemarljivo. Tak sistem bo imel gorivni cikel, v katerem bo tveganje za radioaktivno onesnaženje okolja najmanjše.
Naravni kriterij za izvajanje tega koncepta je nevtronsko ravnovesje. Jedrska reakcija, na kateri bo temeljila proizvodnja nevtronov v fuzijskem reaktorju, je reakcija fuzije tritija in devterija
D + T = He + n +17,6 MeV
Kot rezultat reakcije dobimo nevtron z energijo 14,1 MeV in delček alfa z energijo 3,5 MeV, ki ostane za ogrevanje plazme. Visokoenergijski nevtron, ki leti skozi steno vakuumske komore, vstopi v odejo termonuklearnega reaktorja, v katerem se razmnoži; ko ga zajame surovi izotop, dobimo nov cepljivi izotop. Razmnoževanje termonuklearnega nevtrona se pojavi kot posledica reakcij (n, 2n), (n, 3n) in (n, cepitev) - cepitvene reakcije težkih jeder, v tem primeru surovega izotopa. Vse te reakcije so pražne. Slika 1 prikazuje grafe navedenih presekov. Za zagotovitev največjega razmnoževanja nevtronov je pomembno, da sestava odeje vsebuje minimalno število lahkih jeder in seveda nevtronske absorberje.
Slika 1 Mikrosekcije množenja nevtronov v Th-232.
Za oceno potenciala za proizvodnjo novih cepljivih izotopov v termonuklearnem reaktorju je bila izvedena vrsta izračunov za različne variante sestavljenih sestavnih goriv s torijem kot napajalnim izotopom. Izračuni so bili izvedeni z uporabo različnih programov in jedrskih knjižnic podatkov. Uporabljeni programi so bili knjižnica MCU ENDF / B-6, MCNP, knjižnica ENDF / B-6, knjižnica skupine LUKY. V tabeli so predstavljeni rezultati izračunov zajema nevtronov s torijem-232 na en vir fuzijskih nevtronov za sestavo goriva z določenim razmerjem koncentracij jedrskih izotopov. V nekaterih izvedbah se je domnevalo, da navedeno razmerje izotopov ni bilo pridobljeno kot kemična spojina, ampak konstruktivno, ko smo določeno količino torija mešali z ustrezno količino želenega izotopa.
Preglednica 1 Razmnoževanje termonuklearnih nevtronov (E = 14,1 MeV) v odeji hibridnega reaktorja s torijevo sestavo goriva.
V zadnjem stolpcu so navedene vrednosti, ki označujejo razmnoževanje nevtronov zaradi cepitvene reakcije surovega izotopa. Navedene so vrednosti nastajanja nevtronov zaradi cepitve, tj. ν∑f. V skupinskem programu LUKY so matrike presekov za reakcijo (n, 2n) in (n, 3n) integrirane s preseki za neelastično sipanje. To ne omogoča ločenega pridobivanja vrednosti hitrosti teh reakcij.
Predstavljeni izračunani podatki se na splošno dobro ujemajo, kar daje razlog za učinkovito razmnoževanje termonuklearnih nevtronov v odeji hibridnega reaktorja. Rezultati izračuna, predstavljeni v tabeli, kažejo teoretični potencial množenja termonuklearnih nevtronov (14,1 MeV). V neskončnem mediju iz torija je približno 2,6, tj. en nevtron se množi zaradi reakcij (n, 2n) in reakcij (n, 3n) približno 2-krat in zaradi cepitve torija-232 v 1,5-krat. Izračuni za različne programe in različne knjižnice se razlikujejo za približno 10%. Te razlike so posledica uporabe več knjižnic jedrskih podatkov. Ob upoštevanju navedene napake lahko predstavljeni rezultati služijo kot konzervativno vodilo za oceno parametrov vzreje cepljivih izotopov v odeji termonuklearnega reaktorja. Pokažejo, da je odločilni dejavnik, ki vodi do zmanjšanja množilne sposobnosti odeje, prisotnost v njej izotopov sipanja svetlobe, vključno z O-16, F-19, ki imajo tudi reakcijo neelastičnega sipanja nevtronov pri visokih energijah. Izračuni kažejo, da je uporaba S-12 za izdelavo oblog za gorivne celice, ki polnijo odejo, zelo obetavna. Uporaba grafita lahko štejemo za eno izmed možnosti oblikovanja. Tudi v primeru, ko je ogljikovih jeder dvakrat in pol več kot torija, je faktor množenja termonuklearnih nevtronov blizu 2. To pomeni, da lahko s pravilno organizacijo nevtronskega ravnovesja v odejo dobimo eno jedro novega cepljivega izotopa urana-233 in eno jedro tritij.kar vodi do zmanjšanja sposobnosti razmnoževanja odeje, je prisotnost v njej izotopov sipanja svetlobe, vključno z O-16, F-19, ki imajo tudi reakcijo neelastičnega razprševanja nevtronov pri visokih energijah. Izračuni kažejo, da je uporaba S-12 za izdelavo oblog za gorivne celice, ki polnijo odejo, zelo obetavna. Uporaba grafita lahko štejemo za eno izmed možnosti oblikovanja. Tudi v primeru, ko je ogljikovih jeder dvakrat in pol več kot torija, je faktor množenja termonuklearnih nevtronov blizu 2. To pomeni, da lahko s pravilno organizacijo nevtronskega ravnovesja v odejo dobimo eno jedro novega cepljivega izotopa urana-233 in eno jedro tritij.kar vodi do zmanjšanja sposobnosti razmnoževanja odeje, je prisotnost v njej izotopov sipanja svetlobe, vključno z O-16, F-19, ki imajo tudi reakcijo neelastičnega razprševanja nevtronov pri visokih energijah. Izračuni kažejo, da je uporaba C-12 za izdelavo oblog za gorivne celice, ki polnijo odejo, zelo obetavna. Uporaba grafita lahko štejemo za eno izmed možnosti oblikovanja. Tudi v primeru, ko je ogljikovih jeder dvakrat in pol več kot torija, je faktor množenja termonuklearnih nevtronov blizu 2. To pomeni, da lahko s pravilno organizacijo nevtronskega ravnovesja v odejo dobimo eno jedro novega cepljivega izotopa urana-233 in eno jedro tritij. F-19, ki imajo tudi reakcijo neelastičnega sipanja nevtronov pri visokih energijah. Izračuni kažejo, da je uporaba C-12 za izdelavo oblog za gorivne celice, ki polnijo odejo, zelo obetavna. Uporaba grafita lahko štejemo za eno izmed možnosti oblikovanja. Tudi v primeru, ko je ogljikovih jeder dvakrat in pol več kot torija, je faktor množenja termonuklearnih nevtronov blizu 2. To pomeni, da lahko s pravilno organizacijo nevtronskega ravnovesja v odejo dobimo eno jedro novega cepljivega izotopa urana-233 in eno jedro tritij. F-19 ima tudi reakcijo neelastičnega sipanja nevtronov pri visokih energijah. Izračuni kažejo, da je uporaba S-12 za izdelavo oblog za gorivne celice, ki polnijo odejo, zelo obetavna. Uporaba grafita lahko štejemo za eno izmed možnosti oblikovanja. Tudi v primeru, ko je ogljikovih jeder dvakrat in pol več kot torija, je faktor množenja termonuklearnih nevtronov blizu 2. To pomeni, da lahko s pravilno organizacijo nevtronskega ravnovesja v odejo dobimo eno jedro novega cepljivega izotopa urana-233 in eno jedro tritij. Uporaba grafita lahko štejemo za eno izmed možnosti oblikovanja. Tudi v primeru, ko je ogljikovih jeder dvakrat in pol več kot torija, je faktor množenja termonuklearnih nevtronov blizu 2. To pomeni, da lahko s pravilno organizacijo nevtronskega ravnovesja v odejo dobimo eno jedro novega cepljivega izotopa urana-233 in eno jedro tritij. Uporaba grafita lahko štejemo za eno izmed možnosti oblikovanja. Tudi v primeru, ko je ogljikovih jeder dvakrat in pol več kot torija, je faktor množenja termonuklearnih nevtronov blizu 2. To pomeni, da lahko s pravilno organizacijo nevtronskega ravnovesja v odejo dobimo eno jedro novega cepljivega izotopa urana-233 in eno jedro tritij.
Seveda bodo v praksi nastale izgube nevtronov in za njihovo kompenzacijo bodo potrebni dodatni nevtroni. Takšni nevtroni se lahko proizvajajo na različne načine. Na primer, nekaj tritija, ki je potreben za fuzijsko reakcijo, lahko nastane v jedru cepitvenega reaktorja. Potencial te metode nadomestitve nevtronov je zelo velik. V reaktorjih s toplotno cepitvijo za gorivni cikel urana-233 je vzrejno razmerje približno 0,8, tj. za eno zgorelo jedro urana-233 lahko dobimo 0,8 tritijevih jeder. Ta vrednost bo več kot pokrila vse izgube nevtronov. Možno je zmanjšati vsebnost ogljika v odeji fuzijskega reaktorja, tj. za tanjšanje obloge gorivnih celic je potencial tega predloga 0,2–0,3 dodatnih nevtronov. Drug način, kako dovoliti majhno cepitev urana-233, nakopičenega v odeji. Razumen potencial te možnosti,kar ne bo privedlo do bistvenega povečanja cepitvenih produktov težkih jeder v odeji več kot 0,5 nevtrona.
Zaključek
Pomembnost učinkovitega množenja nevtronov v slepem predelu hibridnega reaktorja je toliko pomembnejša, ker omogoča opustitev predelave SNF iz cepitvenih reaktorjev. V sistemu bo dovolj nevtronov, da bodo v celoti nadomestili izgubo cepljivih izotopov med proizvodnjo energije v cepilnih reaktorjih z njihovo proizvodnjo iz napajalnega izotopa v odeji termonuklearnega reaktorja.
Sploh ni pomembno, kakšen tip cepitvenih reaktorjev bo v sistemu, hiter ali termičen, velik ali majhen.
Ekstrakcijo novo proizvedenega urana-233 iz odeje goriva bo spremljalo sproščanje radioaktivnosti za približno dva do tri velikostne zaporedje v primerjavi z možnostjo, ko bo treba cepljive izotope ločiti od NNR cepitvenih reaktorjev. Ta okoliščina bo zagotovila minimalno tveganje za radioaktivno onesnaženje okolja.
Na podlagi opravljenih izračunov je enostavno oceniti delež hibridnih termonuklearnih reaktorjev. To bo manj kot 10% toplotne zmogljivosti celotnega sistema, posledično pa tudi ekonomsko breme celotnega sistema ne bo veliko, četudi so hibridni fuzijski reaktorji dražji od cepitvenih reaktorjev.
Termonuklearne tehnologije, vgrajene v jedrski sistem, in njihov prihodnji razvoj je treba obravnavati kot splošno smer strateškega razvoja jedrske industrije, ki lahko dolgoročno rešuje ključne probleme oskrbe z energijo, praktično v katerem koli obsegu, z minimalnim tveganjem negativnega radioaktivnega vpliva na okolje.