Усилитель энергии

В ядерной физике усилитель энергии — это новый тип ядерного энергетического реактора, подкритический реактор , в котором пучок энергичных частиц используется для стимулирования реакции, которая, в свою очередь, высвобождает достаточно энергии для питания ускорителя частиц и оставляет энергетическую прибыль для выработка электроэнергии. В последнее время эту концепцию стали называть системой с приводом от ускорителя (ADS) или подкритическим реактором с приводом от ускорителя .

Ни один из них так и не был построен.

История

Эта концепция принадлежит итальянскому ученому Карло Руббиа . лауреат Нобелевской премии по физике элементарных частиц и бывший директор европейской ЦЕРН международной лаборатории ядерной физики . Он опубликовал предложение по энергетическому реактору (по прозвищу «Руббиатрон») на основе протонного циклотронного ускорителя с энергией пучка от 800 МэВ до 1 ГэВ и мишени с торием в качестве топлива и свинцом в качестве теплоносителя. Схема Руббиа также заимствована из идей, разработанных группой под руководством физика-ядерщика Чарльза Боумана из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Принцип и осуществимость

Усилитель энергии сначала использует ускоритель частиц (например , линейный ускоритель , синхротрон , циклотрон или FFAG ) для создания пучка высокоэнергетических (релятивистских) протонов. Луч направляется на попадание в ядро ​​мишени из тяжелого металла, такого как свинец, торий или уран. Неупругие столкновения пучка протонов с мишенью приводят к расщеплению , в результате которого за событие образуется от двадцати до тридцати нейтронов. Поток нейтронов можно было бы увеличить за счет использования нейтронного усилителя — тонкой пленки делящегося материала, окружающей источник расщепления; использовать усиление нейтронов в реакторах CANDU было предложено . Хотя CANDU является критически важной конструкцией, многие концепции могут быть применены к подкритической системе. Ядра тория поглощают нейтроны, образуя делящийся уран-233 , изотоп урана, который не встречается в природе. Замедленные нейтроны производят деление U-233 с выделением энергии.

Эта конструкция вполне правдоподобна с учетом имеющихся в настоящее время технологий, но требует дополнительных исследований, прежде чем ее можно будет объявить практичной и экономичной.

Проект OMEGA (вариант получения дополнительной выгоды от актинидов и продуктов деления ( オメガ計画 ) ) изучается как одна из методологий системы с ускорительным приводом (ADS) в Японии.

Ричард Гарвин и Жорж Шарпак подробно описывают усилитель энергии в своей книге « Мегаватты и мегатонны: поворотный момент в ядерном веке? » (2001) на страницах 153-163.

Ранее общая концепция усилителя энергии, а именно подкритического реактора с ускорительным приводом , была описана в книге «Вторая ядерная эра» (1985), страницы 62–64, Элвином М. Вайнбергом и другими.

Преимущества

Эта концепция имеет несколько потенциальных преимуществ перед обычными ядерными реакторами деления :

• Подкритический дизайн означает, что реакция не может ускользнуть — если что-то пойдет не так, реакция остановится, и реактор остынет. Однако расплавление могло произойти , если была потеряна способность охлаждать активную зону.
• Торий является распространенным элементом (в гораздо большей степени, чем уран) , что позволяет решить стратегические и политические проблемы поставок и устранить дорогостоящее и энергоемкое изотопов разделение . Тория при нынешних темпах потребления хватит, чтобы генерировать энергию как минимум на несколько тысяч лет.
• Усилитель энергии будет производить очень мало плутония , поэтому считается, что его конструкция более устойчива к распространению , чем традиционная ядерная энергетика (хотя вопрос об уране -233 в качестве материала для ядерного оружия необходимо оценивать тщательно).
• Существует возможность использования реактора для потребления плутония, что приведет к сокращению мировых запасов этого очень долгоживущего элемента.
• Образуется меньше долгоживущих радиоактивных отходов — через 500 лет отходы разлагаются до радиоактивного уровня угольной золы.
• Никакой новой науки не требуется; все технологии создания усилителя энергии были продемонстрированы. Создание усилителя энергии требует только инженерных усилий, а не фундаментальных исследований (в отличие от предложений по ядерному синтезу ).
• Производство электроэнергии может быть экономичным по сравнению с нынешними конструкциями ядерных реакторов, если принять во внимание общий топливный цикл и затраты на вывод из эксплуатации .
• Конструкция может работать в относительно небольшом масштабе и потенциально способна отслеживать нагрузку путем модуляции протонного пучка, что делает ее более подходящей для стран без хорошо развитой энергосистемы .
• Неотъемлемая безопасность и безопасная транспортировка топлива могут сделать эту технологию более подходящей для развивающихся стран , а также для густонаселенных районов.
• Желаемая ядерная трансмутация может использоваться намеренно (а не как неизбежное последствие ядерного деления и нейтронного облучения) либо для трансмутации высокоактивных отходов (таких как долгоживущие продукты деления или второстепенные актиниды ) в менее вредные вещества, либо для производства радионуклидов для использования в ядерная медицина или производство драгоценных металлов из дешевого сырья.
• Меньшая доля запаздывающих нейтронов при делении ²³⁹
  Пу по сравнению с ²³⁵
  U , который препятствует использованию плутонийсодержащего топлива в критических реакторах (которые должны работать в узком диапазоне нейтронного потока между мгновенным критическим состоянием и критическим состоянием с задержкой ), не вызывает беспокойства, поскольку никакая критичность не достигается и не требуется.
• В то время как ядерная переработка сталкивается с проблемой, заключающейся в том, что МОКС-топливо не может быть подвергнуто дальнейшей переработке для использования в существующих легководных реакторах , поскольку концентрация делящихся изотопов в плутонии реакторного качества не достигается из-за ²⁴⁰
  Примеси Pu превышают допустимые уровни, все делящиеся и воспроизводящие изотопы актиноидов могут быть «сожжены» в подкритическом реакторе, замыкая тем самым ядерный топливный цикл без необходимости использования быстрых реакторов-размножителей.

Недостатки

• Каждому реактору необходима собственная установка ( ускоритель частиц ) для генерации пучка протонов высокой энергии, что очень дорого. За исключением линейных ускорителей частиц , которые очень дороги, ни один ускоритель протонов достаточной мощности и энергии (> ~12 МВт при энергии 1 ГэВ) никогда не был построен. В настоящее время источник расщепленных нейтронов использует пучок протонов мощностью 1,44 МВт для производства нейтронов, планируется его модернизация до 5 МВт. В стоимость проекта в 1,1 миллиарда долларов США входило исследовательское оборудование, не необходимое для коммерческого реактора. Экономия за счет масштаба может сыграть свою роль, если ускорители частиц (которые в настоящее время лишь изредка создаются с вышеупомянутыми преимуществами и то только для исследовательских целей) станут более «обыденной» технологией. Похожий эффект можно наблюдать при сравнении стоимости Манхэттенского проекта вплоть до строительства Чикагской энергоблока-1 с затратами на последующие исследовательские или энергетические реакторы.
• Топливный материал необходимо выбирать тщательно, чтобы избежать нежелательных ядерных реакций. Это подразумевает создание полномасштабного завода по переработке ядерного топлива, связанного с усилителем энергии.
• Если по какой-либо причине поток нейтронов превышает проектные характеристики настолько, что сборка достигает критичности , может произойти авария, связанная с критичностью , или скачок мощности. В отличие от «обычного» реактора, механизм аварийной остановки требует только «отключения» источника нейтронов, что не поможет, если постоянно будет производиться больше нейтронов, чем потребляться (т. е. критичности), поскольку не существует возможности быстрого увеличения количества нейтронов. потребление, например, за счет введения нейтронного яда .
• Использование свинца в качестве теплоносителя имеет те же недостатки, что и описанные в статье о быстрых реакторах со свинцовым теплоносителем.
• Многие из современных источников нейтронов на основе расщепления, используемых в исследованиях, являются «импульсными», т.е. они создают очень высокие потоки нейтронов в течение очень короткого времени. Для энергетического реактора желателен меньший, но более постоянный поток нейтронов. Европейский источник расщепления будет самым мощным источником нейтронов в мире (измеряется по пиковому потоку нейтронов), но будет способен генерировать только очень короткие (порядка миллисекунд) импульсы.

См. также

• Подкритический реактор с ускорителем
• Альтернативная энергетика
• Ториевый топливный цикл
• Реактор-размножитель , еще один тип ядерного реактора, целью которого является получение энергетической прибыли за счет создания большего количества делящегося материала, чем он потребляет.
• Ядерная энергетика на основе тория
• Захват мюона
• Ядерная трансмутация

Ссылки

• ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ УСИЛИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ – Углубленный обзор усилителя энергии, соавтором которого является Руббиа (загрузка в формате PDF доступна на сервере документов ЦЕРН)
• Кристоф Пистнер, Новые ядерные технологии: пример усилителя энергии Карло Руббиа , Международная сеть инженеров и ученых против распространения

Внешние ссылки

• New Age Nuclear: статья об усилителях энергии | Журнал Космос