RU2215338C2

RU2215338C2 - Method for extracting nuclear energy from fissional material

Info

Publication number: RU2215338C2
Application number: RU2002100801/06A
Authority: RU
Inventors: Д.Г. Кошкарев; Б.Ю. Шарков
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2003-10-27

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: method intended for energy generation including electrical energy generation and used for developing safe nuclear power installations of new type includes compression of fissionable material by ion beam passed from driver-accelerator to reduce critical mass of material. Dispensing with use of deuterium-tritium fuel facilitates implementation of proposed method. EFFECT: enhanced safety and environmental friendliness. 1 cl

Description

Изобретение относится к области производства энергии, в частности к производству электроэнергии, и может быть использовано для создания безопасной ядерной электроэнергетики нового типа. The invention relates to the field of energy production, in particular to the production of electricity, and can be used to create a safe nuclear power industry of a new type.

Целью изобретения является создание безопасной ядерной энергетики, построенной на базе импульсного ядерного реактора деления и облучаемой мощными пучками тяжелых ионов от ускорителя-драйвера мишени, содержащей сжатое до высокой плотности делящееся вещество в количестве, достаточном для выделения энергии масштаба 1000 МДж. The aim of the invention is the creation of safe nuclear energy, built on the basis of a pulsed nuclear fission reactor and irradiated with powerful beams of heavy ions from the target driver accelerator, containing fissile material compressed to a high density in an amount sufficient to release energy of 1000 MJ scale.

Поставленная цель достигается увеличением плотности делящегося вещества в ≈400 раз. Так как при увеличении плотности делящегося вещества в σ раз критическая масса уменьшается в σ² раз, то при сжатии мишени из плутония (или тория) в ≈400 раз плотность плутония достигнет 8 кг•см^-3 и мишень, содержащая массу делящегося вещества ≈0,16 г, становится надкритической. В результате распада 30% от этого количества делящегося вещества во вспышке выделится энергия, примерно равная 4 ГДж, т.е. количество энергии, близкое к энергии, выделяемой при термоядерной вспышке в инерционном термоядерном синтезе.The goal is achieved by increasing the density of fissile material by ≈400 times. Since, when the density of fissile material is increased by a factor of σ, the critical mass decreases by a factor of ² , when the target is compressed from plutonium (or thorium) by ≈400 times, the density of plutonium reaches 8 kg • cm ^-3 and the target containing the mass of fissile material ≈0 , 16 g, becomes supercritical. As a result of the decay of 30% of this amount of fissile material, an energy of approximately 4 GJ will be released in the flash, i.e. the amount of energy close to the energy released during a thermonuclear flash in inertial thermonuclear fusion.

Известны различные способы создания сильно сжатого вещества. Эффективность способа, используемого для сжатия вещества, характеризуется параметрами: удельная энергия и удельная мощность. При использовании химических веществ удельная энергия ≈10 кДж•г^-1, а удельная мощность ≈0,01 ТВатт/г, тогда как при использовании пучка тяжелых ионов от мощного ускорителя-драйвера (типа разработанного в ИТЭФ, описание которого содержится в публикации [1]) удельная энергия достигает ≈100 МДж/г, т.е. увеличивается на четыре порядка, а удельная мощность возрастает почти на шесть порядков, достигая 5000 ТВатт/г. Столь существенное улучшение параметров системы приводит к огромному различию в степени сжатия вещества. Если использование взрывчатых веществ позволяет получать объемное сжатие не более чем в ≈5 раз, то использование пучка тяжелых ионов от предложенного в ИТЭФ мощного ускорителя-драйвера позволяет получать объемное сжатие цилиндрических мишеней массой ≈1 г в ≈500 раз (линейное сжатие в ≈22 раза).Various methods are known for creating a highly compressed substance. The effectiveness of the method used to compress the substance is characterized by the parameters: specific energy and specific power. When using chemicals, the specific energy is ≈10 kJ • g ^-1 , and the specific power is ≈0.01 TW / g, while when using a beam of heavy ions from a powerful accelerator driver (such as developed at ITEP, the description of which is contained in the publication [1 ]) the specific energy reaches ≈100 MJ / g, i.e. increases by four orders of magnitude, and specific power increases by almost six orders of magnitude, reaching 5,000 TW / g. Such a significant improvement in the parameters of the system leads to a huge difference in the degree of compression of the substance. If the use of explosives allows volume compression to be obtained no more than ≈5 times, then the use of a heavy ion beam from the powerful accelerator driver proposed by ITEP allows volume compression of cylindrical targets weighing ≈1 g by ≈500 times (linear compression by ≈22 times )

Так как в предлагаемом способе производства энергии используется то же топливо и те же реакции спонтанного деления ядерной материи, что и в обычном ядерном реакторе, то прототипом изобретения можно считать ядерный реактор деления, от которого оно радикально отличается методом реализации и техникой исполнения. Since the proposed method of energy production uses the same fuel and the same reactions of spontaneous fission of nuclear matter as in a conventional nuclear reactor, a nuclear fission reactor can be considered a prototype of the invention, from which it is radically different by the method of implementation and the technique of execution.

За прототип заявленного изобретения можно принять известное решение, описанное в патенте SU 608112 А1 (Объединенный институт ядерных исследований), 15.05.1978, в котором предложен способ получения атомной энергии, заключающийся в ускорении пучка частиц и возбуждении ими цепной реакции в блоке делящихся элементов, отличающийся тем, что с целью получения положительного энергетического баланса и расширенного воспроизводства делящихся материалов в качестве частиц используются атомные ядра с кинетической энергией выше 2 Гэв/нуклон. Общим признаком для заявленного изобретения и прототипа является извлечение энергии из делящегося вещества. Признаками, отличающими заявленное изобретение от прототипа, будут следующие: для уменьшения критической массы делящего вещества осуществляют сжатие делящего вещества с помощью пучка тяжелых ионов от мощного ускорителя-драйвера. For the prototype of the claimed invention, you can take the well-known solution described in patent SU 608112 A1 (Joint Institute for Nuclear Research), 05/15/1978, which proposed a method for producing atomic energy, which consists in accelerating a particle beam and initiating a chain reaction in a block of fissile elements, characterized the fact that in order to obtain a positive energy balance and expanded reproduction of fissile materials, atomic nuclei with kinetic energies above 2 GeV / nucleon are used as particles. A common feature for the claimed invention and prototype is the extraction of energy from fissile material. The signs that distinguish the claimed invention from the prototype will be the following: to reduce the critical mass of the fissile material, the fissile material is compressed using a heavy ion beam from a powerful driver accelerator.

Достаточная для практического использования мощность установки создается за счет высокой частоты повторения ядерных вспышек. Так, при частоте повторения 4 Гц средняя тепловая мощность установки составит 16 ГВатт. При этом количество реакторов, облучаемых пучками от одного ускорителя-драйвера, определяется конструктивными особенностями первой стенки реакторной камеры. В случае максимальной частоты работы реакторной камеры 1 Гц один драйвер будет работать с 4 реакторными камерами. The power of the installation sufficient for practical use is created due to the high repetition rate of nuclear flares. So, at a repetition rate of 4 Hz, the average thermal power of the installation will be 16 GW. The number of reactors irradiated by beams from one accelerator-driver is determined by the design features of the first wall of the reactor chamber. In the case of a maximum operating frequency of the reactor chamber of 1 Hz, one driver will work with 4 reactor chambers.

Наряду с ускорителем тяжелых ионов - мощным драйвером в качестве стартера для увеличения начальной скорости развития цепной ядерной реакции деления возможно потребуется быстро (≤0,1 нсек) ввести в мишень небольшое (≈10¹⁰) количество нейтронов. Для создания такого потока нейтронов можно использовать вспомогательный линейный ускоритель протонов на энергию 500÷600 МэВ с импульсным током ≈0,1А при длительности импульса тока ≈30 нсек и частоте 4 Гц. Использование такого маломощного (в среднем) вспомогательного ускорителя, очевидно, не ухудшит энергетических параметров установки, но потребует осуществления на выходе из ускорителя сокращения длительности пучка в ≈300 раз при одновременном увеличении протонного тока до ≈30 А.Along with the heavy ion accelerator — a powerful driver as a starter to increase the initial rate of development of the nuclear fission chain reaction, it may be necessary to quickly (≤0.1 nsec) introduce a small (≈10 ¹⁰ ) number of neutrons into the target. To create such a neutron flux, one can use an auxiliary linear proton accelerator for an energy of 500–600 MeV with a pulsed current of ≈0.1 A at a current pulse duration of ≈30 nsec and a frequency of 4 Hz. The use of such a low-power (on average) auxiliary accelerator, obviously, will not worsen the energy parameters of the installation, but it will require that the beam duration be reduced by ≈300 times at the exit from the accelerator while the proton current is increased to ≈30 A.

Воспроизводство ядерного топлива достигается облучением оболочки мишени, состоящей из естественного урана, нейтронами от ядерной вспышки. The reproduction of nuclear fuel is achieved by irradiating a target shell consisting of natural uranium with neutrons from a nuclear flare.

Преимуществами предлагаемого способа извлечения энергии из делящегося вещества с помощью импульсного реактора деления по сравнению с используемыми методами производства энергии на существующих ядерных реакторах являются:
* Полная безопасность, так как использование взрывающейся мишени полностью исключает развитие разгонной аварии реактора.The advantages of the proposed method for extracting energy from fissile material using a pulsed fission reactor compared with the methods used to produce energy in existing nuclear reactors are:
* Full safety, since the use of an exploding target completely eliminates the development of a reactor overclock accident.

* Экологическая чистота, так как в отличие от обычного стационарного ядерного реактора деления в рассматриваемом реакторе возможно непрерывное удаление из установки нарабатываемых в ней долгоживущих радиоактивных изотопов, что значительно упрощает решение проблемы радиоактивных отходов, снижая тем самым опасность радиационного загрязнения окружающей среды. * Environmental cleanliness, since unlike a conventional stationary nuclear fission reactor in the reactor in question, it is possible to continuously remove from the facility the long-lived radioactive isotopes produced in it, which greatly simplifies the solution of the problem of radioactive waste, thereby reducing the risk of radiation pollution of the environment.

* Простой и безопасный способ наработки нового количества ядерного топлива облучением оболочки мишеней из естественного урана U²³⁸ нейтронным потоком от ядерной вспышки.* A simple and safe way to produce a new amount of nuclear fuel by irradiating the shell of targets from natural uranium U ^{238 with a} neutron flux from a nuclear outbreak.

Преимущества предлагаемого способа извлечения энергии из делящегося вещества с помощью импульсного реактора деления по сравнению с энергетикой инерциального термоядерного синтеза заключаются:
* В отказе от использования DT топлива, что значительно упрощает реализацию метода из-за отсутствия трудновыполнимого условия нагрева топлива до высоких температур, при которых начинается термоядерное горение.The advantages of the proposed method of extracting energy from fissile material using a pulsed fission reactor compared with the energy of inertial thermonuclear fusion are:
* The refusal to use DT fuel, which greatly simplifies the implementation of the method due to the lack of an impracticable condition for heating the fuel to high temperatures, at which thermonuclear combustion begins.

* В отсутствии необходимости работать с экологически опасным веществом - тритием. * In the absence of the need to work with an environmentally hazardous substance - tritium.

Источник информации
1. Кошкарев Д.Г., Чуразов М.Д. Инерционный термоядерный синтез на базе тяжелоионного ускорителя-драйвера и цилиндрической мишени. Атомная энергия, т.91, вып.1, июль 2001, стр. 47-54.Sourse of information
1. Koshkarev D.G., Churazov M.D. Inertial thermonuclear fusion based on a heavy ion accelerator driver and a cylindrical target. Atomic Energy, vol. 91, issue 1, July 2001, pp. 47-54.

Claims

A method of extracting nuclear energy from fissile material, characterized in that the ion beam from the driver accelerator compresses the fissile material to reduce its critical mass.