Субкритический реактор

- Подкритический реактор это ядерного деления концепция реактора , которая вызывает деление без достижения критичности . Вместо того, чтобы поддерживать цепную реакцию , субкритический реактор использует дополнительные нейтроны из внешнего источника. Есть два общих класса таких устройств. Один использует нейтроны, предоставляемые ядерной машиной, концепцией, известной как гибрид слияния -лиссий . Другой использует нейтроны, созданные путем пролечения тяжелых ядер заряженными частицами, такими как протоны, ускоряемые ускорителем частиц , концепцией, известной как система, управляемая ускорителями (ADS) или подкритический реактор, управляемый ускорителем .

Мотивация

Подкритический реактор может быть использован для уничтожения тяжелых изотопов, содержащихся в использованном топливе из обычного ядерного реактора, в то же время производя электроэнергию. Долгоживущие трансранские элементы в ядерных отходах в принципе могут быть распределены , выпуская энергию в процессе и оставляя позади продукты деления , которые более короткие. Это значительно сократит время для утилизации радиоактивных отходов . Тем не менее, некоторые изотопы имеют пороговые поперечные сечения деления и, следовательно, требуют быстрого реактора для распада. В то время как они могут быть переданы в расщепляемый материал с термическими нейтронами, некоторым нуклидам требуется до трех последовательных реакций захвата нейтронов, чтобы достичь расщепляемого изотопа, а затем еще один нейтрон для деления. Кроме того, они выпускают в среднем слишком мало новых нейтронов за деление, так что с топливом, содержащим высокую долю, не может быть достигнута критичность. Реактор, управляемый ускорителем, не зависит от этого параметра и, таким образом, может использовать эти нуклиды. Три наиболее важных долгосрочных радиоактивных изотопов, с которыми можно было бы справиться с этим Neptunium-237 , Americium-241 и Americium-243 . Материал ядерного оружия также подходит , или хотя его можно потратить дешевле в качестве мокса внутри существующих быстрых реакторов .

Помимо сжигания ядерных отходов, существует интерес к реактору этого типа, поскольку он воспринимается как по своей сути безопасной , в отличие от обычного реактора. В большинстве типов критических реакторов существуют обстоятельства, при которых скорость деления может быстро увеличиваться, повредить или разрушать реактор и позволить утепению радиоактивного материала (см. SL-1 или Чернобыльскую катастрофу ). С подкритическим реактором реакция прекратится, если только не будет постоянно питать нейтроны из внешнего источника. Однако проблема генерации тепла даже после окончания цепной реакции остается, так что непрерывное охлаждение такого реактора в течение значительного периода после отключения остается жизненно важным, чтобы избежать перегрева. Тем не менее, даже проблема тепла распада может быть сведена к минимуму, поскольку субкритический реактор не должен собирать критическую массу расщепляемого материала и, таким образом, может быть построен (почти) произвольно небольшая и, таким образом, уменьшить требуемую тепловую массу аварийной охлаждающей системы, способной поглощать Весь тепло, генерируемый в течение нескольких часов после схватка

Задержанные нейтроны

Другая проблема, в которой субкритический реактор отличается от «нормального» ядерного реактора (независимо от того, работает ли он с быстрыми или тепловыми нейтронами), заключается в том, что все «нормальные» атомные электростанции полагаются на задержки нейтронов для поддержания безопасных условий работы. В зависимости от делящего нуклида, чуть менее 1% нейтронов не высвобождается сразу после деления ( быстрые нейтроны ), а скорее с долями секунд до протокола задержки с помощью продуктов деления , которые бета -распад с последующей эмиссией нейтронов. Эти отсроченные нейтроны необходимы для контроля реактора, так как время между «поколениями деления» находится на таком коротком порядке, что макроскопические физические процессы или вмешательство человека не могут контролировать экскурсию по мощности. Однако, поскольку только заложенные нейтроны обеспечивают достаточное количество нейтронов для поддержания критичности, время реакции становится возможным на несколько порядков больше, а контроль реактора становится возможным. Напротив, это означает, что слишком низкая доля заложенных нейтронов делает расщепляемый материал не подходящим для эксплуатации «обычной» атомной электростанции. И наоборот, у субкритического реактора на самом деле есть слегка Улучшенные свойства с топливом с низкой задержкой фракций нейтронов. (См. ниже). Так получилось, что пока ²³⁵
U В настоящее время наиболее используемый расщепляемый материал имеет относительно высокую задержку нейтронной фракции, ²³⁹
PU имеет гораздо более низкий, что - в дополнение к другим физическим и химическим свойствам - ограничивает возможное содержание плутония в «нормальном» реакторном топливе. По этой причине, потраченной на топлив , который все еще содержит значительное количество плутония (включая расщепление ²³⁹
PU и - когда «свежий» - ²⁴¹
PU ) обычно не переработано из-за ура ²⁴⁰
PU , который потребует более высокого содержания плутония в топливе, изготовленном из этого плутония, для поддержания критичности. Другой основной компонент отработавшего топлива - переработанный уран - обычно восстанавливается только в качестве побочного продукта и получает худшие цены на рынке урана, чем натуральный уран из -за ускорения ²³⁶
U и другие «нежелательные» изотопы урана .

Принцип

Большинство современных конструкций рекламы предлагают высокоинтенсивную протонную ускоритель с энергией около 1 ГЭВ , направленную на целевую точку с разматыванием или источник нейтронов. Источник, расположенный в основе сердечника реактора, содержит жидкий металл, который подвергается воздействию луча, что выпускает нейтроны и охлаждается циркуляцией жидкого металла, такого как свинец - висмут к теплообменнику. Сердце ядерного реактора, окружающего источник нейтронов , содержит топливные стержни, а топливо представляет собой любую расщепляющуюся или плодородную актинидную смесь, но предпочтительнее уже с определенным количеством расщепляемого материала, чтобы не работать при нулевой критичности во время запуска. в среднем 20 нейтронов Таким образом, для каждого протона, пересекающего целевую точку, выделяется , которые делятся окружающей расщептной частью топлива и трансмутрованных атомов в плодородной части, «разведении» нового расщепляемого материала. Если предполагается значение 20 нейтронов на GEV, то один нейтронный «затраты» 50 МэВ, в то время как деление (которое требует одного нейтрона) выпускает порядок в 200 МэВ на атом актинида, который разделен. Эффективность может быть увеличена за счет снижения энергии, необходимой для получения нейтрона, увеличивая долю полезной энергии, извлеченной из деления (если используется тепловой процесс Эффективность карно диктует, что для повышения эффективности необходимы более высокие температуры) и, наконец, путем приближения критичности к 1, оставаясь ниже него. Важным фактором как в эффективности, так и в безопасности является то, насколько субкритичным является реактор. Чтобы упростить значение k (эффективного), которое используется для давления критичности реактора (включая задержки нейтроны), может быть интерпретировано как количество нейтронов каждого деления «генерации» дальнейших ядер. Если k (эффективно) составляет 1, на каждые 1000 введенных нейтронов образуются 1000 нейтронов, которые также делятся дальнейшими ядрами. Очевидно, что скорость реакции будет постоянно увеличиваться в этом случае из -за того, что все больше и больше нейтронов доставляются из источника нейтронов. Если K (эффективно) чуть ниже 1, немногие нейтроны должны быть доставлены извне реактора, чтобы сохранить реакцию в устойчивом состоянии, повышая эффективность. С другой стороны, в крайнем случае «нулевой критичности», то есть k (эффективно) = 0 (например, если реактор запускается только для трансмутации) Все нейтроны «потребляются», и ни один из них не производится внутри топлива. Однако, поскольку нейтриника может быть только когда -либо известна только в определенной степени точности, реактор должен на практике допустить окраску безопасности ниже критичности, которая зависит от того, насколько хорошо известны нейтрика, и от воздействия укора Спонтанное деление , такое как Калифорния-252 или нуклиды, которые затухают посредством нейтронной излучения .

Нейтронный баланс может регулироваться или действительно отключаться, регулируя мощность ускорителя, чтобы реактор был ниже критичности . Дополнительные нейтроны, предоставленные источником нейтронов, обеспечивают степень контроля, как и заложенные нейтроны в обычном ядерном реакторе , и разница в том, что акселератор легко контролируется сохранением нейтронов, управляемых исходными нейтронами, легко контролируются. Основным преимуществом является неотъемлемая безопасность . обычным ядерным реактором ядерного реактора с Ядерное топливо обладает саморегулирующими свойствами, такими как эффект допплера или эффект пустота, которые делают эти ядерные реакторы безопасными. В дополнение к этим физическим свойствам обычных реакторов, в субкритическом реакторе, всякий раз, когда источник нейтронов выключается, реакция деления прекращается, и только тепло распада остается.

Принцип работы реактора, управляемого ускорителем

Технические проблемы

Существуют технические трудности, которые необходимо преодолеть, прежде чем реклама может стать экономичной и в конечном итоге быть интегрированной в будущее управление ядерными отходами. Ускоритель должен обеспечить высокую интенсивность, а также быть очень надежным - каждый отключение акселератора в дополнение к тому, что схватка будет поставить систему под огромным тепловым напряжением . Существуют опасения по поводу того, что окно отделяет протоны от целевой точки пропалляции, которая, как ожидается, будет подвергаться стрессу в экстремальных условиях. Тем не менее, недавний опыт работы с жидким металлическим металлическим нейтроном, протестированный в Институте Пола Шеррера, продемонстрировал рабочее окно луча под интенсивным протонным пучком 0,78 МВт. Химическое разделение трансранских элементов и производства топлива, а также структурные материалы являются важными проблемами. Наконец, отсутствие ядерных данных при высоких энергиях нейтронов ограничивает эффективность дизайна. Эта последняя проблема может быть преодолена путем введения модератора нейтронов между источником нейтронов и топливом, но это может привести к увеличению утечки, поскольку модератор также будет разбросить нейтроны вдали от топлива. Изменение геометрии реактора может уменьшить, но никогда не устранять утечку. Утечка нейтронов также вызывает обеспокоенность из -за продуктов активации, которые они производят, и из -за физического повреждения материалов может вызвать нейтронное облучение. Кроме того, существуют определенные преимущества для быстрого нейтронного спектра, которые не могут быть достигнуты с помощью тепловых нейтронов, как результат модератора. С другой стороны, тепловые нейтронные реакторы являются наиболее распространенным и хорошо изученным типом ядерного реактора, а тепловые нейтроны также имеют преимущества по сравнению с быстрыми нейтронами.

Некоторые лабораторные эксперименты и многие теоретические исследования продемонстрировали теоретическую возможность такого растения. Карло Руббия ядерный , физик- , нобелевский лауреат и бывший директор CERN , был одним из первых, кто задумал дизайн субкритического реактора, так называемого « усилителя энергии ». В 2005 году в Европе и Японии происходят несколько крупномасштабных проектов для дальнейшего развития технологии субкритического реактора. В 2012 году ученые и инженеры CERN запустили Международный комитет по энергетике Тория (ITHEC), ^{[ 1 ]} организация, занимающаяся достижением этой цели и организовала THEC13 ^{[ 2 ]} Конференция по этому вопросу.

Экономика и общественное признание

Субкритические реакторы были предложены как в качестве средства генерирования электроэнергии , так и в качестве средства трансмутации ядерных отходов , поэтому усиление является двойным. Тем не менее, затраты на строительство, безопасность и обслуживание таких сложных установок, как ожидается, будут очень высокими, не говоря уже о количестве исследований, необходимых для разработки практического дизайна (см. Выше). Существуют более дешевые и разумно безопасные концепции управления отходами, такие как трансмутация в реакторах быстро-нейтрона . Тем не менее, решение субкритического реактора может быть благоприятным для лучшего общественного признания - считается более приемлемым сжечь отходы, чем похоронить их на протяжении сотен тысяч лет. Для будущего управления отходами несколько устройств трансмутации могут быть интегрированы в крупномасштабную ядерную программу, надеясь, что лишь немного увеличилось на общие затраты.

Основной проблемой, стоящей перед операциями по разделению и трансмутации, является необходимость ввести ядерные циклы чрезвычайно длительной продолжительностью: около 200 лет. ^{[ 3 ]} Другим недостатком является генерация больших количеств долгоживущих радиоактивных отходов промежуточного уровня (ILW), которые также потребуют безопасного управления глубоким геологическим утилизацией. Более позитивным аспектом является ожидаемое сокращение размера репозитория, которое, по оценкам, составляет от 4 до 6. Как положительные, так и отрицательные аспекты были рассмотрены в международном эталонном исследовании. ^{[ 4 ]} Координируется исследовательским центром Юлихом и финансируется Европейским союзом .

Подкритические гибридные системы

В то время как реклама была первоначально концептуализирована как часть конструкции реактора с легкой водой , были сделаны другие предложения, которые включают в себя рекламу в другие реактора Generation IV . концепции ^{[ Цитация необходима ]}

Одно из таких предложений требует быстрого реактора с газообразным охлаждением , который питается в первую очередь плутонием и америей . Нейтронные свойства Америки затрудняют использование в любом критическом реакторе, поскольку он имеет тенденцию делать коэффициент температуры модератора более положительным, уменьшая стабильность. Однако врожденная безопасность рекламы позволила бы Америмию безопасно сожжена. Эти материалы также имеют хорошую экономику нейтронов, что позволяет значительно быть большим соотношением высоты к диаметру, что обеспечивает улучшение естественного кровообращения и экономики.

MUON-управляемые системы для утилизации ядерных отходов

Субкритические методы использования в утилизации ядерных отходов , которые не полагаются на нейтронные источники. ^{[ 5 ]} К ним относятся системы, которые полагаются на механизм захвата мюон , в которых мюон (μ ⁻) произведен компактным исходным источником, управляемым акселератором, передаваемые долгоживущие радиоактивные изотопы в стабильные изотопы. ^{[ 6 ]}

Естественный

Как правило, термин «субкритический реактор» зарезервирован для искусственных систем, но существуют природные системы - любой естественный источник расщепляемого материала, подвергшегося воздействию космических и гамма -лучей ( даже от солнца ), можно считать подкритическим реактором. Это включает в себя спутники, запускаемые пространством с радиоэкотопными термоэлектрическими генераторами, а также любые такие открытые резервуары.

Смотрите также

Ссылки

Примечания

^ «ITHEC | Сайт с использованием WordPress» .
^ « * Thorium Energy Conference 2013 (THEC13) * Cern Globe of Science and Innovation, Женева, Швейцария» .
^ Baetslé, LH; Де Радт, гл. (1997). «Ограничения актинидного переработки и последствий топливного цикла: глобальный анализ Часть 1: Глобальный анализ топливного цикла». Ядерная инженерия и дизайн . 168 (1–3): 191–201. doi : 10.1016/s0029-5493 (96) 01374-x . ISSN 0029-5493 .
^ Влияние технологий распределения, трансмутации и сокращения отходов на конечную утилизацию ядерных отходов 2007
^ Мори, Йошихару; Иро; ) ( 2018 Кота 978-4-89027-130-6 .
^ Нагамин, Канетада (2016). «Метод утилизации ядерных отходов и его аппарат с использованием мюон-ядерной поглощения (WO2016143144A1)» . Espacenet (патентная база данных) .

Источники

Всемирная ядерная ассоциация архивирована 2016-01-11 на The Wayback Machine
Мирра (Бельгия)
Gem Star Reactor, Adna Corporation
Несколько авторов. «Субкритический реактор быстрого трансмутации с газообразным охлаждением с источником нейтронов слияния», Auclear Technology, vol. 150, № 2, май 2005 г., страницы 162–188. URL: http://www.ans.org/pubs/journals/nt/va-150-2-162-188
Aker Solutions Accelerator, управляемый ториевой реакторной электростанцией, архивировал 2012-03-14 на машине Wayback
Будущие системы ядерной энергии: генерирование электроэнергии, отходов сжигания ( МАГАТЭ )

[1] «ITHEC | Сайт с использованием WordPress» .

[2] « * Thorium Energy Conference 2013 (THEC13) * Cern Globe of Science and Innovation, Женева, Швейцария» .

[3] Baetslé, LH; Де Радт, гл. (1997). «Ограничения актинидного переработки и последствий топливного цикла: глобальный анализ Часть 1: Глобальный анализ топливного цикла». Ядерная инженерия и дизайн . 168 (1–3): 191–201. doi : 10.1016/s0029-5493 (96) 01374-x . ISSN 0029-5493 .

[4] Влияние технологий распределения, трансмутации и сокращения отходов на конечную утилизацию ядерных отходов 2007

[5] Мори, Йошихару; Иро; ) ( 2018 Кота 978-4-89027-130-6 .

[6] Нагамин, Канетада (2016). «Метод утилизации ядерных отходов и его аппарат с использованием мюон-ядерной поглощения (WO2016143144A1)» . Espacenet (патентная база данных) .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]