CN112912970A - 用于基于液相的嬗变的静电加速器驱动中子产生的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

便于将长寿命放射性超铀废料嬗变为短寿命放射性核素或稳定核素的系统和方法，其使用静电加速器粒子束产生中子。

Description

用于基于液相的嬗变的静电加速器驱动中子产生的系统和 方法
技术领域
本文描述的主题总体上涉及便于通过静电加速器驱动束产生大速率高能中子(或其它粒子)以用于将长寿命放射性废料嬗变为短寿命放射性核素或稳定核素的系统和方法，并且更特别地涉及放射性废料的基于次临界液相的嬗变。
背景技术
核裂变反应堆产生乏燃料的放射性核素的恒定流：仅在美国就有90,000公吨需要处置[参考文献1]，并且在每年增加8000短吨(ton)的情况下，到2020年，全世界废弃的核废料存量将达到200,000公吨。在法国，核电占电力的77%，这使得对嬗变的需求特别强烈。目前，除了深埋地下之外，没有恰当且充分的方法来处理这些同位素放射性材料。这种处理同位素放射性材料的方法的开发需要完成两项任务：第一，开发一种简单、可靠、安全和廉价的方法来将高放射性同位素从剩余材料中分离出来，以避免通过嬗变激活非放射性材料；第二，开发一种安全、廉价、能量无穷尽、通用的嬗变方法。
目前的放射性核嬗变方法包括通过外部手段维持次临界裂变反应堆的驱动器：一种基于加速器驱动系统(ADS)[参考文献2]，另一种基于托卡马克驱动系统[参考文献3]。ADS系统依靠撞击基底(例如，Pb、W)的高能(~1 GeV)质子束和发射的中子(每个质子30+个中子)。这些中子然后维持次临界反应堆中的裂变。基于托卡马克的系统从氘氚反应中产生中子，并利用这些中子来驱动次临界反应堆，该反应堆也称为裂变-聚变混合堆。
也存在基于超临界操作来嬗变核废料的其它方法– MOSART [参考文献4]，以及使用第四代(Gen-IV)反应堆的各种方法。
出于这些和其它原因，需要改进的系统、设备和方法，其便于通过静电加速器驱动束产生大速率高能中子，以用于放射性废料的基于次临界液相的嬗变。
发明内容
本文提供的各种实施例总体上涉及通过将产生的中子聚变为短寿命放射性核素或稳定核素来促进长寿命高水平放射性废料的嬗变的系统和方法。与常规方法一样，本文提供的各种实施例利用氘-氚或氘-氘聚变产生中子，但在使用静电加速器粒子束产生中子的液相(FLiBe和次锕系元素溶液的混合物)方法中这样做。在这样的方法中，中子有利地且直接地用于嬗变，因此消除了对裂变反应堆的需要。静电加速器驱动的中子源有利地产生高速率的中子，以用于嬗变器的稳定启动和进一步控制。
在示例性实施例中，嬗变过程采用次临界操作方法，该方法利用小型设备来嬗变放射性同位素(主要是次锕系元素(MA)的放射性同位素)，该方法在包含溶解在LiF-BeF2(FLiBe)的熔盐溶液中的乏燃料废料成分(诸如裂变产物(FP)和MA)的混合物的液化溶液的槽中进行。[参考文献5] MA的嬗变是利用由静电加速器驱动的聚变反应产生的高能中子进行的。嬗变器中的FLiBe、MA和FP的含量的实时监测和控制利用主动激光光谱仪或激光驱动伽马源来进行。
在示例性实施例中，包括中子源的中心槽被多个同心槽环绕。多个同心槽包括：第一同心槽和第二同心槽，其包括锕系元素的液相混合物；第三同心槽，其包括裂变产物；以及第四同心槽，其包括中子反射边界。
在示例性实施例中，中子源包括静电加速器和中子产生靶。静电加速器形成在150keV和200 keV之间的能量范围内的氘核束。加速的氘核束与加压槽中的气体或固体氚或氘靶相互作用以产生中子。中子从加压槽发射，并且与周围槽中的次锕系元素相互作用并焚烧次锕系元素。
用以启动和控制嬗变器的静电加速器产生的中子的示例性实施例的优点包括：
a) 静电加速器驱动的离子束及其靶的尺寸小
b) 已知且可靠的技术
c) 精细的空间和时间中子控制
d) 大电流
e) 气体或固体氚或氘靶
f) 稳定的稳态操作。
在本文提供的各种实施例中，低水平放射性废料(“LLRW”)的嬗变以液态发生，而LLRW溶解在氟化锂和氟化铍的熔盐(FLiBe)中。
在本文提供的各种实施例中，嬗变器以次临界模式操作，而中子源始终需要驱动嬗变。
在某些示例性实施例中，经由激光光谱仪进行的激光监测通过CAN激光器进行[参考文献12]。
此外，提供了激光驱动的伽马源(通常称为激光康普顿伽马射线)，以实时跟踪槽中MA和FP的同位素的含量和行为。
另一个实施例涉及两槽策略以降低总的中子成本，而一个槽是临界的，并且另一个槽是次临界的。这两个槽包括两组互连的槽。第一槽或槽组优选地包含Pu与包括镎、镅和锔(Np、Am、Cm)的次锕系元素(MA)的混合物，而第二槽或槽组仅包含次锕系元素(MA)的混合物。由于第一槽或槽组是临界的(
Figure DEST_PATH_IMAGE001
)，所以不需要外部中子源。此外，第一槽或槽组在裂变产物的化学去除后使用乏核燃料(Pu和MA)来提供燃料。第一槽或槽组利用快中子(除了能量>1 MeV的未减速裂变中子之外的聚变中子)来嬗变次锕系元素(MA)和钚(Pu)，同时增加锔(Cm)的浓度。备选地，可将少量中子注入第一槽或槽组中，以启动Pu的焚烧。
在另一个实施例中，第一和第二槽或槽组的壁由碳基材料(诸如例如金刚石)制成。为了保护壁免受化学侵蚀和腐蚀，允许壁(面对熔盐)附近的盐凝固，从而防止熔盐与壁直接接触。
在另一个实施例中，上述嬗变器实施例可应用于减少二氧化碳的方法和过程，诸如建议将其用作冷却剂并产生合成燃料以使总碳为负。在下面的示例性实施例中，合成燃料(
Figure 275738DEST_PATH_IMAGE002
-甲烷)可通过需要200-400℃和催化剂(例如Ni、Cu、Ru)存在的
Figure DEST_PATH_IMAGE003
反应(萨巴蒂埃反应)产生。
Figure 317512DEST_PATH_IMAGE004
可从大气、海洋中提取，或者通过在诸如汽车、房屋、烟囱和烟窗的排放物源处直接捕获
Figure 97249DEST_PATH_IMAGE004
来提取。熔盐嬗变器的操作温度范围为250 -1200 ℃，并且因此理想地定位成连续提供驱动萨巴蒂埃反应产生甲烷所需的必要温度，并提供稳定和降低大气和海洋中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
浓度的有效途径。
在研究以下附图和详细描述时，本文描述的主题的其它系统、设备、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得显而易见。意图是，所有这些附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书中，包括在本文描述的主题的范围内，并受所附权利要求书的保护。示例性实施例的特征决不应被解释为限制所附权利要求书，权利要求书中没有对这些特征的明确叙述。
附图说明
包括结构和操作在内的示例性实施例的细节可部分地通过研究附图来了解，在附图中，相似的附图标记指代相似的部分。附图中的部件不一定按比例绘制，而是重点在于图示本公开的原理。此外，所有图示都旨在传达概念，其中相对尺寸、形状和其它详细属性可示意性地而不是按原样或精确地示出。
图1A示出了轴向地分段的嬗变器容器的透视图。
图1B示出了角向地分段的嬗变器容器的横截面图。
图2示出了中子源槽和单个相邻槽的透视图，而氘核束注入到填充有氚气的加压槽中。
图3示出了中子源槽和单个相邻槽的透视图，而氘核射束除了注入到填充有氚气的加压槽中之外还注入到固体中子产生靶上。
图4A示出了中子源槽和单个相邻槽的透视图，而氘核束注入到固体中子产生靶上，而束源定位在中子源槽内。
图4B示出了单个氘核束和固体靶组件的透视图。
图5A示出了中子源槽和单个相邻槽的透视图，而多个氘核束从定位在中子源槽外部的束源注入到包含加压氚气的槽中。
图5B示出了中子源槽和单个相邻槽的透视图，而多个氘核束从定位在中子源槽外部的束源注入到固体中子产生靶上，束源聚焦到固体靶上。
图5C示出了具有束聚焦磁体的单个氘核束组件的透视图。
图6示出了静电加速器的透视图。
图7示出了具有激光辅助分离和监测的基于液相的嬗变系统的侧视图。
图8示出了图6中所示的具有激光辅助分离和监测的基于液相的嬗变系统的中心溶液槽的局部详图。
图9示出了具有激光辅助分离和监测的两步基于液相的分离和嬗变系统的备选实施例的侧视图。
图10示出了涉及两槽策略以降低总的中子成本的实施例，而槽1是临界的，并且槽2是次临界的。
图11示出了一个实施例，该实施例涉及通过CO2的化学转化产生合成燃料的过程，而驱动反应的热量由裂变产生。
图12示出了另一个实施例，该实施例涉及通过CO2的化学转化产生合成燃料的过程，而驱动反应的热量由裂变产生。
图13示出了另一个实施例，该实施例涉及通过CO2的化学转化产生合成燃料的过程，而驱动反应的热量由裂变产生。
图14示出了另一个实施例，该实施例涉及通过CO2的化学转化产生合成燃料的过程，而驱动反应的热量由裂变产生。
应当注意，为了图示的目的，在所有附图中，具有相似结构或功能的元件通常由相同的附图标记表示。还应当注意，附图仅仅旨在便于描述优选实施例。
具体实施方式
下面公开的每个附加特征和教导可单独使用或者与其它特征和教导结合使用，以提供便于利用静电加速器粒子束方法来产生中子以将长寿命放射性废料嬗变为短寿命放射性核素或稳定核素的系统和方法。
此外，代表性示例和从属权利要求的各种特征可以没有具体和明确列举的方式组合，以便提供本教导的附加有用实施例。此外，应明确指出，出于原始公开的目的，并且出于独立于实施例和/或权利要求中的特征的组成来限制所要求保护的主题的目的，说明书和/或权利要求书中公开的所有特征旨在彼此单独地和独立地公开。还应明确指出，出于原始公开的目的，并且出于限制所要求保护的主题的目的，实体组的所有值范围或指示都公开了每个可能的中间值或中间实体。
在本文提供的示例性实施例中，中子通过静电加速器驱动聚变产生，以将长寿命放射性核嬗变为短寿命或非放射性核素。
在示例性实施例中，嬗变过程采用次临界操作方法，该方法利用小型装置来嬗变放射性同位素(主要是次锕系元素(MA)的放射性同位素)，该方法在包含溶解在LiF-BeF2(FLiBe)的熔盐溶液中的乏燃料废料成分(诸如裂变产物(FP)和MA)的混合物的液化溶液的槽中进行。这种过程在美国临时专利申请No. 62/544,666 [参考文献5]中有所描述，该申请以引用方式并入本文中。MA的嬗变是利用由静电加速器驱动的聚变反应产生的高能中子进行的。嬗变器中的FLiBe、MA和FP的含量的实时监测和控制利用主动激光光谱仪或激光驱动伽马源来进行。
转到附图，图1A和图1B示出了分段嬗变器容器100。图1A示出了将容器100轴向地和径向地分段成三(3)个容器部段100A、100B和100C的代表性情况。图1B示出了容器100的径向地和角向地分段的代表性横截面。本实施例中的嬗变器容器100径向地分段成同心圆柱形室或槽102、104、106、108和110。角向地分段的室107示出了用于诊断或附加中子源的代表性室。通过分段容器100，可更容易和/或更精确地增加各种参数的控制和定位，以及通过经由人工神经网络从各种区段反馈数据来控制阀以调节次锕系元素浓度来增加整个嬗变器的安全性。这种精确的控制优化了大多数次锕系元素的燃烧，同时保持安全。
中心槽或室110是由氘或氚气体组成的加压气体室，并且用作中子源来点燃第一同心槽108和第二同心槽106中的自持链式反应。第一槽108和第二槽106包含FLiBe熔盐和次锕系元素的混合物。第三同心槽104包含裂变产物，该裂变产物被嬗变成稳定或短寿命的核素。第四同心槽102是石墨反射器。
在示例性实施例中，氟化锂(LiF)和氟化铍(BeF2)的混合物用作冷却剂、中子减速剂和超铀元素的溶剂。盐混合物由比率为2:1的LiF和BeF2组成，因此化学计量化合物由Li2BeF4给出。在文献中，该化合物称为FLiBe。在这种液态下，嬗变器的操作类似于熔融盐反应器(MSR)。FLiBe盐具有高的热传递能力，能够承载与水相同的热量(J/K)。FLiBe的热容为2350 J/(kg-K)，而水的热容为4219 J/(kg-K)。此外，FLiBe的密度约为水的密度的2倍。FLiBe熔融盐在不加压的情况下在高达1430℃的温度下保持液态，从而提供良好的安全性。例如，压力水反应堆在保持在150个大气压下时具有315℃的操作温度。FliBe盐在459℃下固化，从而在冷却剂损失事故的情况下提供良好的安全性。
TRU元素的裂变产生FP(例如，Tc-99、I-129、Zr-93的寿命非常长，并且Sr-90、Cs-137在前1000年几乎产生了所有放射性)。还实现了使用快速(> 1 MeV)中子将FP嬗变[(n,2n), (n,3n)等]为稳定核。
最外面的槽102可填充有水以控制临界性、反应性和其它活动。可通过利用诸如例如石墨中子反射器的中子反射边界代替最外面的槽102的容积来实现对临界性的进一步调整。
可通过将最外面的槽102保留有包含水的容积并利用中子反射边界沿着外半径环绕该体积来实现对临界性的进一步调整。
对每个槽中的FLiBe和TRU混合物以及裂变产物(FP)的实时监测反馈TRU和FP的密度(包括对TRU的实时注入控制)。通过调整TRU/FLiBe/FP的密度，可调整临界性。此外，在已知给定槽中的混合物的组成的情况下，使用溶剂提取技术执行不同FP的分离。
在第一同心槽108和第二同心槽106之间，可插入反射器(例如铍)，以将中子反射回到第一槽108中，并且因此增加中子倍增。如果实时监测确定满足某个临界性或其它条件(即温度、浓度)，则预编程的反馈控制干预以完全或部分收回反射器。
在所有槽108、106和104中以及任何附加槽中执行对临界性和其它物理参数(即温度、浓度和FLiBe化学性质)的实时监测。然后将数据反馈到控制电路中，该控制电路连接到阀、泵等，以保持预设参数。
圆柱形槽110内部的中子产生机器可定位在导轨系统上，以容易地滑入和滑出。在一种情况下，机器保持在槽110内部。在第二种情况下，一旦实时监测系统确定在具有FLiBe/TRU溶液的槽108和106内部达到临界值，中子发生器就可被撤回，并且在槽108和106的不同组件中重复使用。
图2示出了嬗变器200的单个组件的局部视图，嬗变器200具有填充有次锕系元素和FLiBe的混合物的槽212以及定位在其中的中子源槽210。如图1A、图1B所示，附加槽可封闭槽212。在该实施例中，氘核束214由静电加速器220(参见图6)产生，由磁体222聚焦，以穿过入口端口211到达中子源槽210。氘核束214的能量在150-200 keV的范围内(在10 A的电流下)。然后，氘核束216通过填充有氚气或氘气的加压槽210传播。在加压槽210内，氘核束216与氚或氘相互作用并融合，从而产生中子226。中子226从加压槽210发射，并且与同心槽212中的次锕系元素相互作用并焚烧次锕系元素。
图3示出了利用正氘核束的中子产生的备选实施例。如上面关于图2中所示的实施例描述的，形成氘核束214，并且氘核束216在中子源槽210内传播。如图3中所描绘的，氘核束216在中子源槽210内传播到由钛-氚或钛-氘组成的固体靶228上。氘核束216与固体靶228的氚或氘相互作用以产生聚变中子226。中子226从加压槽210发射，并且与同心槽212中的次锕系元素相互作用并焚烧次锕系元素。
在备选实施例中，图3中描绘的固体靶228由钛组成。注入的氘核束216嵌入钛晶格内，并且任何随后的氘核束216然后与已经嵌入的氘核相互作用以形成聚变中子226。
图4A示出了嬗变器200的单个组件的备选实施例的局部视图，嬗变器200具有填充有次锕系元素和FLiBe的混合物的槽212和定位在其中的中子源槽210。为多个氘核束214和固体靶228提供从定位在中子源槽210内的静电加速器220注入的束214。图4B中示出了单个氘核束发生器220、氘核束214和固体靶228。氘核束214与氚或氘固体靶228相互作用以产生聚变中子226。中子226从中子源槽210发射，并且与环绕源槽210的槽212中的次锕系元素相互作用并焚烧次锕系元素。
在备选实施例中，图4A和图4B中描绘的固体靶228由钛组成。注入的氘核束216嵌入钛晶格内，并且任何随后的氘核束216然后与已经嵌入的氘核相互作用以形成聚变中子226。
图5A示出了嬗变器200的单个组件的备选实施例的局部视图，嬗变器200具有填充有次锕系元素和FLiBe的混合物的槽212和定位在其中的中子源槽210。为多个氘核束组件220提供束216，束216在填充有加压氚气或氘气的中子源槽210外部注入。氘核束216通过入口端口211注入到槽210中，并因此通过槽210传播，在槽210中，氘核束216与氚气或氘核气体相互作用并融合以产生中子226。图5C示出了单个束组件220，而示出了束组件220和聚焦磁体222。聚焦束214随后穿过入口端口211而注入到中子源槽210中。
图5B示出了备选实施例。多个束216注入到固体靶228上，从而产生聚变中子226。固体靶228由钛-氚或钛-氘组成。氘核束216与固体靶228的氚或氘相互作用以产生聚变中子226。中子226从加压槽210发射，以与环绕加压槽210的槽212中的次锕系元素相互作用并焚烧次锕系元素。
在备选实施例中，图5B中描绘的固体靶228由钛组成。注入的氘核束216嵌入钛晶格内，并且任何随后的氘核束216然后与已经嵌入的氘核相互作用，以形成聚变中子226。
转到图6，示出了静电加速器束系统的示例性实施例。如所描绘的，束系统220基于正离子多孔口提取源，并利用几何聚焦、离子提取栅格的惯性冷却和差动泵送。束系统220在输入端处包括RF等离子体源240(这可利用电弧源等代替)，其具有覆盖端部的磁性屏幕242。离子光源和加速栅格244联接到等离子体源240，并且闸阀238定位在离子光源和加速栅格244与出口端处的瞄准装置230之间。冷却系统包括两个低温制冷机234、两个低温面板236和LN2护罩。这种灵活的设计允许在广泛的参数范围内操作。
图7示出了用于光谱学、主动监测和裂变产物分离目的的激光操作系统700。部件A是CAN激光器(适当成束)；部件B是CAN激光器的调制器/控制器(控制激光器特性，诸如功率水平、振幅形状、周期和相位、相关操作、方向等)；部件(component)C是照射中心槽(参见部件K)中的溶液和溶剂的激光射线，用于监测和分离两者(或控制溶剂的化学成分)；部件(component)D是包含溶剂的溶液，溶剂包括超铀元素(诸如Am、Cm、Np)离子，这些离子将被嬗变器E[参考文献5]分离和嬗变(散发聚变产生的高能中子)；部件(component)F是阻止来自聚变源(即嬗变器E)和裂变产物两者的中子的水；部件(component)G是要从中心槽的底部处的沉积物中取出的沉淀物(作为在包含溶液的中心槽中通过激光化学进行分离的示例)；部件(component)H是不必要的沉积元素，此时将不在这个特定槽中嬗变，并且将转移到另一个槽，在那里它们将再次在类似的溶液中被进一步分离和嬗变；部件I是反馈ANN电路和计算机，其记录和控制被监测信息的信号，诸如FP的频谱；部件J是发射的CAN激光信号(振幅、相位和频率以及偏转等)的检测器；部件K是中心槽的“薄”第一壁，其允许由中心槽中聚变或裂变产生的高能中子几乎自由传输；并且部件L是具有足够厚的壁的外槽，其包含全部材料和中子。除了CAN激光器监测之外，中心槽K和外槽L都配备有适当的温度、压力和一些附加的物理和化学信息的监视器，以监测嬗变器状况并提供关于嬗变器状况的警报，从而利用诸如实时阀、电气开关等的适当的防护装置来防止槽超出“限值”(诸如失控事件)。部件Q是热交换器，并且部件M将热量转化为电能。
一旦操作开始，中心槽K和外槽L中的受热溶液和水可根据需要通过马达(或者槽内合适的通道或等同物)保持在其状态，并且多余的热量通过部件M被提取并转换成电能(或化学能)。
参考图9，在系统800中，部件P是连接隔离的分离器槽和嬗变器槽的管道(及其控制槽之间的流动的阀)。部件O是注入嬗变器槽的分离的MA的溶解区域。留在部件D中的残余裂变产物通过管道部件R被输送出到储槽部件S中。
参考图8，在系统700中，中心槽K包含超铀元素的溶液D，该溶液D是从已经用适当的溶液(诸如酸)液化的原始废燃料中提取的。在过程的这一阶段，我们假设U和Pu已经通过已知的过程(诸如PUREX)从溶液D中提取出来。因此，溶液D可能包括其它元素，诸如裂变产物(FP，诸如Cs、Sr、I、Zr、Tc等)。这些元素可趋于吸收中子，但不一定像超铀元素通常所做的那样增殖中子。因此，需要借助于CAN激光器A和其它化学手段通过化学反应和激光化学等从中心槽K中的溶液D中去除FP。如果这些元素通过添加的化学物质和/或来自CAN激光器的化学激发等而沉淀，则化学物质的沉淀成分可从这个中心槽K中移除到另一个槽中，以处理诸如裂变产物等的元素。
在分离过程完成后，超铀元素(主要是Am、Cm、Np)被来自嬗变器E的中子照射。这些超铀元素可具有不同的同位素，但它们都是放射性同位素，因为它们的原子序数超过了铀。如果中子被这些原子核吸收，则来自嬗变器E的中子或从超铀元素的裂变产生的中子将有助于超铀元素的嬗变。
转到图9，嬗变器和激光监视器和分离器系统800包括两个单独的槽，其将分离和嬗变过程分到两个不同的槽中。例如，分离器(附接有激光监视器)在右侧，而嬗变器在左侧。这两个系统通过传输管道和阀(部件P)连接，部件P用于将沉积(或分离)的超铀元素(MA)从右侧的分离器槽传输到左侧的嬗变器槽。新的载液(成分O)优选地仅包含(或主要包含)TA，但不再包含已经在右侧的分离器槽中分离的任何裂变产物。分离是通过常规的化学方法或激光(基于CAN激光器)来完成的，激光操作来激发(例如)MA原子电子，以达到化学分离的目的。左侧的中心槽D主要(或仅)具有MA溶液。离开液体的元素主要包含FP，它们在管道(部件R)中输送到储槽(部件S)中。这样的FP可被一起放入固化材料中进行掩埋处理。[参考文献22和23]
当通过超铀元素的中子俘获发生裂变时，典型地预计核裂变会产生高能量(诸如在每次裂变200MeV的范围内)。另一方面，聚变中子能量不超过15MeV。中心槽中的聚变中子和裂变事件都会在槽中产生热量。该溶液通常通过对流混合热量(或者通过自身混合，或者在需要时通过外部驱动马达混合)。提取的热量输送器和提取器(即部件M)移除中心槽中产生的热量，并将其转化为电能。这些过程需要实时物理地监测(诸如槽中溶液的温度、压力)和化学地监测(诸如通过CAN激光器监测来监测溶液中各种分子、原子和离子的化学状态)，以实现监测和控制目的，从而通过控制阀和其它旋钮以及CAN操作向槽反馈参数。
典型的核反应堆产生以下乏燃料核废料。[参考文献22和23] 每1短吨铀产生50GWd的功率。在这一操作过程中，核废料为：约2.5kg超铀元素(Np、Am、Cm)和约50kg裂变产物。2.5kg的MA(次锕系元素，即超铀元素)的量为约100摩尔，大约6 × 1025个MA原子。这相当于每秒约7 × 1020个MA原子，大约1秒1021个MA原子。如果需要由每个MA原子吸收一个光子(eV)来激光激发每个原子，则这转化为约1kW的激光功率。令η为1个激光光子激发MA原子的效率。那么上述量的所有MA原子每秒吸收的激光的功率P为
P ~ (1/ η) kW。
如果η ~ 0.01，则P为约100kW。这个量不小。另一方面，借用高效且大注量的CAN激光器技术[参考文献12]，这在该技术所能达到的范围内。在典型的化学诱导中，我们设想激光可接近连续波，或者是非常长的脉冲，从而使光纤激光器的效率和注量达到最大。为了满足适当的谐振或特定的频率，光纤激光器的频率需要调整到特定的值(最有可能在操作之前)。
作为另外的示例性实施例，高效率中子产生方法适用于需要能量高达14MeV的中子的领域和过程，诸如例如癌症医学应用(诸如例如硼中子俘获疗法(BNCT)和放射性同位素产生)、建筑物、桥梁等的结构完整性测试、材料科学和芯片测试、油井测井等。
提出了两个附加实施例：(1)第一实施例涉及两槽策略，以降低总的中子成本，而槽1是临界的，并且槽2是次临界的，和(2)第二实施例涉及通过CO2的化学转化产生合成燃料的更环保的负碳嬗变器，而驱动反应的热量由裂变产生。
在图10所描绘的示例性实施例中，嬗变器900包括称为槽1和槽2的两组互连的槽。槽1和2基本上类似于图2A和图3A所描绘的槽，可包括包含待嬗变材料的槽和定位在其中的中子源槽，并且如图1A和图1B所描绘的，这些槽可由附加的同心槽封闭。槽1优选地包含Pu与包括镎、镅和锔(Np、Am、Cm)的次锕系元素(MA)的混合物，而槽2仅包含次锕系元素(MA)的混合物。槽1是临界的(
Figure 679409DEST_PATH_IMAGE006
)，因此槽1不需要外部中子。此外，槽1在裂变产物的化学去除后使用乏核燃料(Pu和MA)来提供燃料。槽1利用快中子(除了能量>1 MeV的未减速裂变中子之外的聚变中子)来嬗变次锕系元素(MA)和钚(Pu)，同时增加锔(Cm)的浓度。备选地，可将少量中子注入槽1中，以启动Pu的焚烧。
现在具有更高浓度的锔(Cm)的槽1中的次锕系元素(MA)可被分离并进料到槽2中。连接的槽2在如上所述的次临界(
Figure DEST_PATH_IMAGE007
)操作中并行操作以燃烧次锕系元素(MA)和浓度增加的锔(Cm)。该过程提供了一条安全且平稳地燃烧整个超铀乏核燃料(不仅仅是MA)的途径，同时将这样做所需的中子数减少约100倍。
在另一个实施例中，槽1和槽2通过激光器和伽马射线实时监测。宽带或扫描激光器用来利用激光诱导荧光和散射监测槽1和槽2的元素组成。伽马射线监测可为主动的或被动的。被动伽马射线监测利用从核衰变或跃迁产生的伽马射线。主动伽马射线监测利用能量高于几MeV的外部伽马射线束，并依靠核共振荧光。主动和被动监测都提供关于嬗变燃料的同位素组成的信息。来自激光器和伽马射线监测的信息被收集并馈送到计算机中，该计算机包括适于通过调整槽1的燃料更换或调整槽2中的MA浓度来预测和/或控制嬗变器的未来状态的逻辑。为了能够进行详细的激光器和伽马射线监测，槽1和槽2中的燃料溶解在允许光传播的熔盐中。实时监测是嬗变器的总体主动安全和效率的不可缺少的组成部分，而嬗变器组成的详细知识将决定控制棒的位置、燃料更换和裂变产物提取。被动特征包括：熔盐随着温度升高而膨胀，从而关闭嬗变器；接受槽通过防冻塞与嬗变器分离，而任何异常的温度峰值将熔化塞，并且重力使嬗变器的全部库存流入由中子吸收体组成的接受槽。
在另一个实施例中，槽1和槽2的壁由碳基材料(例如金刚石)制成。为了保护壁免受化学侵蚀和腐蚀，允许壁(面对熔盐)附近的盐凝固，从而防止熔盐与壁直接接触。
在另一个实施例中，上述嬗变器实施例可应用于减少二氧化碳的方法和过程，诸如建议将其用作冷却剂并产生合成燃料以使总碳为负。在下面的示例性实施例中，合成燃料(CH4 -甲烷)可通过需要200-400℃和催化剂(例如Ni、Cu、Ru)存在的
Figure 493782DEST_PATH_IMAGE008
反应(萨巴蒂埃反应)产生。CO2可从大气、海洋中提取，或者通过在诸如汽车、房屋、烟囱和烟窗的排放物源处直接捕获CO2来提取。熔盐嬗变器的操作温度范围为250 -1200 ℃，并且因此理想地定位成连续提供驱动萨巴蒂埃反应产生甲烷所需的必要温度，并提供稳定和降低大气和海洋中CO2浓度的有效途径。
参考图12，合成燃料产生系统1000的局部视图显示为包括嬗变器容器1005、次级回路管道1001、熔盐+ TRU的流动方向1002、热交换器1003和用于萨巴蒂埃反应的槽1004。在该示例性实施例中，热交换器管道中的传热流体是直接在槽1004中使用的CO2。在图11所示的备选实施例中，合成燃料产生系统2000的热交换器2003的热交换管道是封闭且独立的系统，并且传热流体可用熔盐代替。合成燃料产生系统2000显示为包括嬗变器容器2005、次级回路管道2001、熔盐+ TRU的流动方向2002、热交换器2003和用于萨巴蒂埃反应的槽2004。
在另一个备选实施例中，图13示出了合成燃料产生系统3000的局部视图，该系统具有嬗变器3005、热交换器3001、流体的流动方向3002和用于萨巴蒂埃反应的槽3003。在该示例性实施例中，来自萨巴蒂埃反应的反应物CO2是传热流体。在备选实施例中，图14示出了合成燃料产生系统4000的热交换器回路4001，其为封闭且独立的回路，传热流体是例如熔盐。合成燃料产生系统4000显示为包括嬗变器4005、热交换器4001、流体的流动方向4002和用于萨巴蒂埃反应的槽4003。
在附加实施例中，源自嬗变器内并由熔盐承载的电离辐射被用作1-10s eV能量源，以实现各种化学反应。例如，1-10 eV能量源使得能够产生氨和CO2+CH4→CH3COOH的转化。
与本公开的实施例一起使用的处理电路可包括一个或多个计算机、处理器、微处理器、控制器和/或微控制器，它们中的每个都可为分立的芯片或者分布在多个不同的芯片(以及其中的一部分)中。与本公开的实施例一起使用的处理电路可包括数字信号处理器，其可在与本公开的实施例一起使用的处理电路的硬件和/或软件中实现。在一些实施例中，DSP是分立的半导体芯片。与本公开的实施例一起使用的处理电路可与本文的附图的其它部件通信耦合。与本公开的实施例一起使用的处理电路可执行存储在存储器上的软件指令，该软件指令使得处理电路采取许多不同的动作并控制本文的附图中的其它部件。
与本公开的实施例一起使用的处理电路也可执行其它软件和/或硬件例程。例如，与本公开的实施例一起使用的处理电路可与通信电路对接，并且执行模数转换、编码和解码、其它数字信号处理和其它功能，这些功能便于将语音、视频和数据信号转换成适于提供给通信电路的格式(例如，同相和正交)，并且可使得通信电路通过链路无线地传输RF信号。
与本公开的实施例一起使用的通信电路可实现为一个或多个芯片和/或部件(例如，发射器、接收器、收发器和/或其它通信电路)，其在适当的协议(例如，Wi-Fi、蓝牙、蓝牙低能量、近场通信(NFC)、射频识别(RFID)、专有协议等)下通过链路执行无线通信。根据需要，通信电路可包括一个或多个其它天线，以与各种协议和电路一起操作。在一些实施例中，与本公开的实施例一起使用的通信电路可共享用于通过链路传输的天线。与本公开的实施例一起使用的处理电路还可与通信电路对接，以执行接收无线传输并将其转换成数字数据、语音和视频所需的相反功能。RF通信电路可包括发射器和接收器(例如，集成为收发器)以及相关联的编码器逻辑。读取器还可包括用于有线通信的通信电路和接口(例如，USB端口等)以及用于确定阅读器设备的地理位置的电路(例如，全球定位系统(GPS)硬件)。
与本公开的实施例一起使用的处理电路还可适于执行操作系统和驻留在读取器设备上的任何软件应用，处理视频和图形，并执行与发送和接收的通信的处理无关的那些其它功能。任何数量的应用(也称为“用户接口应用”)可由专用或移动电话读取器设备上的处理电路在任何时间执行，并且除了其它通常使用的应用之外，可包括与糖尿病监测方案相关的一个或多个应用，该通常使用的应用为例如与这种方案无关的智能电话应用，如电子邮件、日历、天气、体育、游戏等。
与本公开的实施例一起使用的存储器可由存在于读取器设备内的各种功能单元中的一个或多个共享，或者可分布在它们中的两个或更多个之间(例如，作为存在于不同芯片内的独立存储器)。存储器也可为其自己的独立芯片。存储器可为非暂时性的，并且可为易失性的(例如，RAM等)和/或非易失性存储器(例如，ROM、闪存、F-RAM等)。
用于执行根据所述主题的操作的计算机程序指令可用一种或多种编程语言的任意组合来编写，包括面向对象的编程语言，诸如Java、JavaScript、Smalltalk、C++、C#、Transact-SQL、XML、PHP等，以及常规的过程编程语言，诸如“C”编程语言或类似的编程语言。程序指令可完全在用户的计算设备(例如，读取器)上或部分地在用户的计算设备上执行。程序指令可部分地驻留在用户的计算设备上，并且部分地驻留在远程计算设备上，或者完全驻留在远程计算设备或服务器上，例如，对于所识别的频率被上传到远程位置进行处理的情况。在后一种情况下，远程计算设备可通过任何类型的网络连接到用户的计算设备，或者可进行到外部计算机的连接。
下面阐述了本主题的各个方面，以回顾和/或补充迄今为止描述的实施例，其中这里的重点在于以下实施例的相互关系和可互换性。换句话说，重点在于这样的事实，即实施例的每个特征可与每个其它特征相结合，除非另外明确说明或者逻辑上不可信。
根据实施例，一种用于长寿命放射性超铀废料的嬗变的嬗变器系统包括：中子源槽，在该中子源槽中包括中子源，其中中子源包括多个同心槽，其定位在中子源槽周围，并包括溶解在FLiBe盐中的长寿命放射性超铀废料的一种或多种混合物；静电加速器，其定向成将氘核束轴向地传播到中子源中。
在实施例中，嬗变器还包括磁体，以使来自加速器的氘核束聚焦而通过中子源的入口端口。
在实施例中，中子源包括靶气体。
在实施例中，靶气体包括氘或氚中的一种。
在实施例中，中子源包括固体靶。
在实施例中，固体靶包括固体的钛-氚、钛-氘、钛或钛晶格中的一种。
在实施例中，静电加速器包括与中子源一起定位的多个静电加速器，并且其中固体靶包括多个固体靶。
在实施例中，静电加速器包括定位在中子源外部的多个静电加速器。
在实施例中，静电加速器包括定位在中子源外部的多个静电加速器，并且其中固体靶包括多个固体靶。
在实施例中，多个同心槽被分段。
在实施例中，多个同心槽被轴向地分段。
在实施例中，多个同心槽被角向地分段。
在实施例中，多个分段的槽包括：第一同心槽，其定位在中子源周围并包括溶解在FLiBe盐中的长寿命放射性超铀废料的第一混合物；第二同心槽，其定位在第一同心槽周围并包括溶解在FLiBe盐中的长寿命放射性超铀废料的第二混合物；第三同心槽，其定位在第二同心槽周围并包括溶解在FLiBe盐中的长寿命放射性超铀废料的第三混合物；以及第四同心槽，其定位在第三同心槽周围并包括水或水和中子反射边界中的一者。
在实施例中，分段的第一、第二、第三和第四同心槽被轴向地分段。
在实施例中，分段的第一、第二、第三和第四同心槽被角向地分段。
在实施例中，多个同心槽形成第一组槽，其中嬗变器系统还包括第二组槽，该第二组槽包含Pu和包括镎、镅和锔(Np、Am、Cm)的次锕系元素(MA)的混合物。
在实施例中，第二组槽配置成在临界下操作。
在实施例中，第一组槽或第二组槽中的一个的壁由碳基材料制成。
在实施例中，碳基材料是金刚石。
应当注意，关于本文提供的任何实施例描述的所有特征、元素、部件、功能和步骤旨在能够与来自任何其它实施例的特征、元素、部件、功能和步骤自由组合和替换。如果某个特征、元素、部件、功能或步骤仅关于一个实施例进行描述，则应当理解，该特征、元素、部件、功能或步骤可与本文描述的每个其它实施例一起使用，除非另有明确说明。因此，该段落在任何时候都用作权利要求书的介绍的引用基础和书面支持，权利要求书组合了来自不同实施例的特征、元素、部件、功能和步骤，或者用来自一个实施例的特征、元素、部件、功能和步骤替换来自另一个实施例的特征、元素、部件、功能和步骤，即使以下描述在特定情况下没有明确说明这种组合或替换是可能的。明确承认，对每一种可能的组合和替换的明确叙述是过于繁琐的，尤其是考虑到每一种这样的组合和替换的允许性将容易被本领域普通技术人员认识到。
在本文公开的实施例包括存储器、存储装置和/或计算机可读介质或结合它们操作的意义上，则该存储器、存储装置和/或计算机可读介质是非暂时性的。因此，在存储器、存储装置和/或计算机可读介质由一项或多项权利要求覆盖的意义上，则该存储器、存储装置和/或计算机可读介质仅仅是非暂时性的。
如本文和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确规定。
虽然实施例易于具有各种修改和备选形式，但是其具体示例已经在附图中被示出并在本文中被详细描述。然而，应当理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，而是相反，这些实施例将覆盖落入本公开的精神内的所有修改、等同方案和备选方案。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元素可在权利要求书以及通过不在权利要求书的发明范围内的特征、功能、步骤或元素来限定该发明范围的负面限制中被叙述或添加到权利要求书或该负面限制。
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Claims (19)

1.一种用于长寿命放射性超铀废料的嬗变的嬗变器系统，包括：
中子源槽，其包括在其中的中子源；
多个同心槽，其定位在所述中子源槽周围，并包括溶解在FLiBe盐中的长寿命放射性超铀废料的一种或多种混合物；
静电加速器，其定向成将氘核束轴向地传播到所述中子源中。
2.根据权利要求1所述的嬗变器系统，其特征在于，还包括磁体，以使来自所述加速器的所述氘核束聚焦而通过所述中子源的入口端口。
3.根据权利要求1所述的嬗变器系统，其特征在于，所述中子源包括靶气体。
4.根据权利要求3所述的嬗变器系统，其特征在于，所述靶气体包括氘或氚中的一种。
5.根据权利要求1所述的嬗变器系统，其特征在于，所述中子源包括固体靶。
6.根据权利要求5所述的嬗变器系统，其特征在于，所述固体靶包括固体的钛-氚、钛-氘、钛或钛晶格中的一种。
7.根据权利要求5和6所述的嬗变器系统，其特征在于，所述静电加速器包括与所述中子源一起定位的多个静电加速器，并且其中所述固体靶包括多个固体靶。
8.根据权利要求1至4所述的嬗变器系统，其特征在于，所述静电加速器包括定位在所述中子源外部的多个静电加速器。
9.根据权利要求5和6所述的嬗变器系统，其特征在于，所述静电加速器包括定位在所述中子源外部的多个静电加速器，并且其中所述固体靶包括多个固体靶。
10.根据权利要求1至9所述的嬗变器系统，其特征在于，所述静电加速器包括束聚焦磁体。
11.根据权利要求1至9所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个同心槽被分段。
12.根据权利要求10所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个同心槽是被轴向地分段或被角向地分段中的一种。
13.根据权利要求1至9所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个分段的槽包括：
第一同心槽，其定位在所述中子源周围并包括溶解在FLiBe盐中的长寿命放射性超铀废料的第一混合物；
第二同心槽，其定位在所述第一同心槽周围并包括溶解在FLiBe盐中的长寿命放射性超铀废料的第二混合物；
第三同心槽，其定位在所述第二同心槽周围并包括溶解在FLiBe盐中的长寿命放射性超铀废料的第三混合物；以及
第四同心槽，其定位在所述第三同心槽周围并包括水或水和中子反射边界中的一者。
14.根据权利要求13所述的嬗变器系统，其特征在于，所分段的第一、第二、第三和第四同心槽被轴向地分段。
15.根据权利要求13所述的嬗变器系统，其特征在于，所分段的第一、第二、第三和第四同心槽被角向地分段。
16.根据权利要求1至15所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个同心槽形成第一组槽，其中，所述嬗变器系统还包括第二组槽，所述第二组槽包含Pu和包括镎、镅和锔(Np、Am、Cm)的次锕系元素(MA)的混合物。
17.根据权利要求16所述的嬗变器系统，其特征在于，所述第二组槽配置成在临界下操作。
18.根据权利要求16和17所述的嬗变器系统，其特征在于，所述第一组槽或所述第二组槽中的一个的壁由碳基材料制成。
19.根据权利要求19所述的嬗变器系统，其特征在于，所述碳基材料是金刚石。
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