CN112997259A

CN112997259A - 用于基于液相的嬗变的激光驱动中子产生的系统和方法

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Publication number: CN112997259A
Application number: CN201980072944.0A
Authority: CN
Inventors: T·塔吉马; A·内卡斯
Original assignee: Alpha Energy Technology
Current assignee: Alpha Energy Technology; TAE Technologies Inc
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2021-06-18
Also published as: US20210358649A1; WO2020051376A1; CA3112255A1; EP3847671A1; EP3847671A4; AU2019335374A1; JP2022506627A; KR20210049883A

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，使用预脉冲激光器来将氚饱和的碳纳米管(CNT)照射成碳和氚的电离气体以及激光驱动粒子束，从而与氚融合并产生中子。

Description

用于基于液相的嬗变的激光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激光驱动束产生大速率高能中子以用于将长寿命高水平放射性废料(超铀和裂变产物)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，其便于通过激光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。中子由氘束和氚或氘靶的聚变产生，而氘束由主激光器利用被称为激光对离子的相干加速(CAIL)的过程进行激光加速[参考文献RAST, 6]。

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的嬗变是利用由激光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。

在另外的示例性实施例中，靶由氚饱和的碳纳米管形成。

在另外的示例性实施例中，氘或氚靶是几乎固体(solid)密度的激光电离气体。为了形成这些靶，预脉冲激光器(在主激光器之前)将靶电离[参考文献7和8]。当靶保持在固体密度时，CAIL加速氘核与氚或氘融合。

在另外的示例性实施例中，嬗变槽始终保持在次临界状态。次临界操作给中子源增加了负担，而高能中子在紧密耦合的布置中产生：(1) 通过CAIL过程照射由金刚石和氘核组成的纳米箔来形成氘束。(2) 将加速的氘注入到通过预脉冲激光器同步且动态电离的纳米“泡沫”氚饱和靶中。

激光产生的中子的示例性实施例的优点包括：

a) 激光驱动离子束及其靶的尺寸小；

b) 在时间和空间方面精细的中子控制；所有燃料(MA)都在中子源的一个裂变平均自由程内；

c) 激光器的重复频率高；

d) 30%的高激光器电光转换效率。

在示例性实施例中，如前段所述，激光器架构配置成提供具有例如在20 μm光斑尺寸上10 mJ的脉冲能量的<10 fs的脉冲，导致最佳a₀=0.5。用于光参量啁啾脉冲放大(“OPCPA”)的泵浦脉冲将由相干放大网络(CAN)激光器提供，使得高达100 kHz的很高的泵浦脉冲重复频率成为可能。飞秒脉冲由飞秒振荡器产生，该振荡器每秒钟输送超过一百万个脉冲。在振荡器之后，脉冲以高达100 kHz的期望频率被拾取，然后被拉伸到几纳秒。在拉伸之后，脉冲在低温OPCPA中被放大到几十兆焦耳的水平。低温OPCPA优选地表现出与铜相当的极高热导率，这对于排除在光参量放大过程中产生的几十千瓦的热负荷是必要的。由于光谱带宽对应于小于10 fs的脉冲，该脉冲可容易地拉伸到约1纳秒，并通过光学参量放大放大到10 mJ。在此过程中，脉冲与由CAN系统提供的具有约1 ns的持续时间和>10mJ的能量的泵浦脉冲混合。然后，放大的啁啾脉冲被压缩回<10fs的其初始值。

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(

)，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(

-甲烷)可通过需要200-400℃和催化剂(例如Ni、Cu、Ru)存在的

反应(萨巴蒂埃反应)产生。

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

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

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2A示出了中子源和单个相邻槽的透视图，而(whereas)中子是由DT聚变产生的。氚作为气体存在，并且氘核经由匙孔内的激光箔相互作用产生。匙孔位于入射窗上。

图2B示出了单个匙孔组件。

图3A示出了中子源和单个相邻槽的透视图，而中子是由DT聚变产生的。在该实施例中，氘核经由激光箔相互作用产生，并且氚在匙孔的背面形成固体靶。中子产生，而氘核与固体靶中的氚相互作用。匙孔位于中子源槽内。

图3B示出了单个匙孔组件。

图4示出了由主激光器构成的激光加速器系统和由用于产生中子的预脉冲激光器构成的电离室的示意图。

图5示出了激光加速器系统的激光生成的示意图。

图6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7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央溶液槽的局部详图。

图8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9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10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11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。

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，以提供便于利用激光驱动聚变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的嬗变是利用由激光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。

在本文提供的示例性实施例中，中子通过激光驱动聚变产生，以将长寿命放射性核嬗变为短寿命或非放射性核素。

在另外的示例性实施例中，氘或氚靶是几乎固体密度的激光电离气体。为了形成这些靶，预脉冲激光器(在主激光器之前)将靶电离[参考文献7和8]。当靶保持在固体密度时，CAIL加速氘核与氚或氘融合。

在另外的示例性实施例中，嬗变槽始终保持在次临界状态。次临界操作给中子源增加了负担，而高能中子在紧密耦合的布置中产生：(1) 通过被称为激光对离子的相干加速(CAIL)的过程照射由金刚石和氘核组成的纳米箔来形成氘束。(2) 将加速的氘注入到通过预脉冲激光器同步且动态电离的纳米“泡沫”氚饱和靶中。

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。

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。

图2A示出了嬗变器200的单个组件的局部视图，嬗变器200具有槽212和定位在其中的中子源槽210。如图1A、1B所示，附加槽可封闭槽212。在该实施例中，激光脉冲214被投射到反射镜220上，并被反射镜220朝向匙孔218导向并进入匙孔218。提供了多个单独的激光脉冲214和匙孔室218，诸如例如数千(1000×)个激光脉冲和匙孔室。图2B示出了单个匙孔室218的放大详图。匙孔218保持在真空中。激光脉冲214穿过激光窗口222并照射纳米箔构件224。纳米箔构件224由氘化金刚石制成，并且为一个或多个纳米厚，并且优选地为约1-10纳米厚。一种被称为离子的相干加速的物理过程(CAIL)[参见例如参考文献9和参考文献24]将来自纳米箔构件224的氘核和碳离子作为氘核束216在朝向中子源槽210的中心的方向上加速。获得的最大能量由等式1.0给出[参见例如参考文献10、参考文献11]：

其中，典型地α= 3，mc² = 0.511 MeV，a₀~0.5，视其它条件而定。因此，对于氘来说，最大能量为0.41 MeV，而对于碳离子来说，最大能量为2.5 MeV。氘核束216与中子源槽210中的氚融合，产生中子226。

图3A和图3B示出了中子产生的备选实施例。上面关于图2A和图2B所讨论的CAIL将氘核作为氘核束216加速的物理过程仍在使用。如图3A所描绘，嬗变器200的单个组件包括槽212和定位在其中的中子源槽210。如图1A和图1B所示，附加槽可封闭槽212。在该实施例中，如在先前的实施例中那样，激光脉冲214被投射到反射镜220上，并被反射镜220朝向匙孔218导向并进入匙孔218。提供了多个单独的激光脉冲214和匙孔室218，诸如例如数千(1000×)个激光脉冲和匙孔室。图3B示出了单个匙孔室218的放大详图。匙孔218保持在真空中。激光脉冲214穿过激光窗口222并照射纳米箔构件224。纳米箔构件224由氘化金刚石制成，并且为约一个或多个纳米厚。CAIL过程将来自纳米箔构件224的氘核和碳离子作为氘核束216加速。代替被注入中子源箱210，氘核束216被注入到匙孔218的后端处的固体钛氚靶228上，导致中子226被发射。匙孔218定位在中子源槽210的入射窗211处，以及中子源槽210内。激光脉冲214经由入射窗222进入匙孔214，并与纳米箔224相互作用，产生氘核束216。

图4详细示出了如图2B和图3B所示的单个匙孔218中的激光-箔相互作用。如所描绘的，激光脉冲214已经穿过激光入射窗222(参见图2B和图3B)。诸如例如来自CAN激光器[参考文献12]的激光脉冲214照射纳米箔224，通过主要在向前方向上的超过箔224的静电拉回力的有质动力产生CAIL。然后，纵向电场(未示出)将氘核和碳束216加速到加压气体室210中(参见例如图2A和图3A)。加速的氘束216与室210内的氚气体碰撞并融合，从而产生高能中子226，诸如例如具有约14 MeV的能量的中子。中子226各向同性地散发，并且次锕系元素的裂变发生在围绕中子源槽(参见例如槽110，图1A和图1B；槽210，图2A和图3A)的槽(参见例如槽108和106，图1A和图1B；槽212，图2A和图3A)中。

在备选实施例中，中子源槽210由氚饱和的碳纳米管(CNT)组成。预脉冲激光器230和232在超阈值电离方案(Above-Threshold Ionization regim)中利用激光能量照射并穿透槽210[参考文献7；参考文献8]以电离氚饱和的CNT，并且在短时间内将碳和氚的电离气体保持在几乎固体密度，以使氘核束与在几乎固体密度下的电离的氚等离子体融合。激光器230和232不同于用于氘核加速的主激光器214。激光主脉冲(其加速氘核)和预脉冲激光器(用于CNT+氚电离)必须同步，以便氘核束滞后于预脉冲，并且电离刚好发生在氘核束之前。在该同步方案中，预脉冲激光器230在预脉冲激光器232之前发射。这种方法提供了将氘氚转化为快中子的高效方法。对于10²² 1/cc的CNT密度、10^-7 cm²的激光光斑尺寸和100 cm的辐照长度，预脉冲电离激光器的能量示例性数值估计为100 – 300 mJ。

在备选实施例中，也可使用单周期激光加速[参考文献13；参考文献14]。

在备选实施例中，图2A中的气体中子源槽210被氘气代替。

在备选实施例中，图3B中的固体钛-氚靶228被钛-氘靶代替。

在备选实施例中，图3B中的固体钛-氚靶228被钛代替。氘核束216与钛固体靶228相互作用，并保持嵌入其晶格中，束216中的后续氘核与已经嵌入的氘核碰撞并融合，以产生中子226。

在示例性实施例中，从现有技术[参考文献15]估计的激光器设计参数包括：密度I=10¹⁷ W/cm²；激光波长=1 μm；脉冲持续时间= 5-10 fs；束宽=5-10 μm。激光是线性偏振的。另外，箔224的厚度(参见图2B、图3B、图4A和图4B)优选地由等式2.0提供：

其中，临界密度

，

，

，I₀=1.37 10¹⁸ W/cm²，λ是激光波长。[参考文献16]

此外，在示例性实施例中，加速的氘核束的设计参数在30-200 keV的范围内。对于该范围，库仑碰撞速率比聚变速率高10倍。在一次库仑碰撞期间，氘核平均损失其4%的能量，也就是说，能量转移到诸如氚的靶。因此，最佳氘核能量为200 keV，而我们假设在聚变发生之前有10次库伦碰撞。在60 keV下，D-T聚变横截面最大，为8靶恩。

高重复频率的高效CAN激光器[参考文献12]通过一组光学器件(参见例如反射镜220 (图2A和图3A))引导到纳米箔靶224 (图2B、图3B、图4A和图4B)。强激光脉冲的重复频率为100 kHz，以50%的高效率输送。这种激光器以前曾被提议作为诊断系统[参见例如参考文献17]。200 kW的典型功率预计每秒输送10¹⁷个中子。这样的中子通量足以[参见例如参考文献17]驱动10 MW的嬗变器。

激光驱动中子效率在表1中示出。

箔厚度[nm]	脉冲[fs]	效率[%]
			10	100	1.6
10	45	3.6
			10	20	7.5
10	15	9.7
			10	8	18
5	45	1
			5	20	2.2
5	15	3.2
			5	5	10
3.5	2	50

表1：针对规定的箔厚度和激光脉冲长度，示出了激光能量向氘核能量的转化效率。

图5示出了用于嬗变器的激光器系统500的细节。基于CPA[参考文献18]的XCAN504 [参考文献12；参考文献19]将为OPCPA 506提供高能量高泵浦脉冲。[参考文献20]脉冲将由XCAN激光器产生，使得高达100 kHz的非常高的泵浦脉冲重复频率成为可能。飞秒脉冲由飞秒振荡器502产生，该振荡器每秒钟输送超过一百万个脉冲。在振荡器之后，脉冲以高达100 kHz的期望频率被拾取，然后被拉伸到几纳秒。在拉伸之后，脉冲在低温OPCPA中被放大到几十兆焦耳的水平。然后，放大的啁啾脉冲被压缩回<10 fs的其初始值。

低温OPCPA优选地表现出与铜相当的极高热导率，这对于排除在光参量放大过程中产生的几十千瓦的热负荷是必要的。由于光谱带宽对应于小于10 fs的脉冲，该脉冲可容易地拉伸到约1纳秒，并通过光学参量放大放大到10 mJ。在此过程中，脉冲与由CAN系统提供的具有约1 ns的持续时间和>10 mJ的能量的泵浦脉冲混合。

嬗变激光器结合了四(4)种激光器技术：CPA[参考文献18]、CAN[参考文献12；参考文献19]、OPCPA[参考文献20；参考文献21]和低温冷却的非线性晶体[参考文献22]。如图5所示，作为备选方案，薄圆盘放大器[参考文献23]可代替CAN 504。用于嬗变器的激光器系统优选地能够：

a. 输送对应于a₀=0.5或约5 x 10¹⁷ W/cm2的强度的峰值功率，其中光斑尺寸为例如5 μm。

b. 产生例如<10fs、10mJ、在10-100kHz范围内的非常高的重复频率或可达到100kW的平均功率的脉冲。

用于嬗变器的激光器系统的附加特征包括：

c. OPCPA被调整至平均功率。为了更高效地冷却非线性晶体以增加其热导率，晶体安装在低温冷却的散热器上。如先前所提及的，在低温下，晶体的热导率在液氮温度或低于液氮温度时会急剧增加，达到铜的热导率值[参考文献22]。

d. OPCPA[参考文献20；参考文献21]将使在10fs方案下的脉冲产生成为可能。当由CAN[参考文献12；参考文献19]泵浦时，相干网络放大器可能被用来将种子脉冲在10-100kHz下放大到例如10mJ的水平。

e. 对于需要例如100kW或以上的应用，能够并联配置N个相同的系统。然而，此类应用不需要对激光器进行相位调整。

f. 作为CAN系统的备选方案，放大器的泵浦可由薄圆盘激光器系统代替[参考文献23]。

图6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600。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8，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7，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8，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9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(

)，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(

)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

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10，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12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13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氚饱和的碳纳米管(CNT)；多个预脉冲激光器，其配置成在超阈值电离方案中利用激光能量照射和穿透中子源槽以用于电离CNT和氚，并在预定时间段内将碳和氚的电离气体保持在几乎固体密度；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；激光器系统，其定向成将多个激光脉冲轴向地传播到中子源中；以及多个匙孔，其定向成轴向地接收多个激光脉冲，多个匙孔中的每个包括氘化材料的箔构件，其中在由多个激光脉冲中的激光脉冲照射箔构件时，箔构件产生多个氘核离子，这些氘核离子能够作为离子束在朝向中子源槽的中心的方向上加速，其中氘核束与在几乎固体密度下的电离氚等离子体融合。

在实施例中，箔构件包括氘化类金刚石材料，并且多个离子包括氘核离子和碳离子。

在实施例中，多个离子通过离子加速的相干加速(CAIL)来加速。

在实施例中，箔构件为一个或多个纳米厚。

在实施例中，来自激光器和预脉冲激光器的脉冲是同步的，以允许氘核束滞后于氚的电离。

在实施例中，多个预脉冲激光器包括第一组预脉冲激光器和第二组预脉冲激光器。

在实施例中，第一组预脉冲激光器配置成在第二组预脉冲激光器之前发射。

在实施例中，激光器系统包括多个反射镜，这些反射镜定向成将多个激光脉冲中的各个激光脉冲朝向多个匙孔中的各个匙孔引导并进入该各个匙孔。

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，激光器系统包括CAN激光器或薄板放大器中的一个。

在实施例中，激光器系统还包括耦合到CAN激光器或薄板放大器的OPCPA，以及耦合到OPCPA的振荡器。

在实施例中，OPCPA被低温冷却。

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

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，其中，所述中子源包括多个氚饱和的碳纳米管(CNT)；

多个预脉冲激光器，其配置成超阈值电离方案中利用激光能量照射和穿透所述中子源槽以用于电离所述CNT和氚，并在预定时间段内将碳和氚的电离气体保持在几乎固体密度；

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；

激光器系统，其定向成将多个激光脉冲轴向地传播到所述中子源中；以及

多个匙孔，其定向成轴向地接收所述多个激光脉冲，所述多个匙孔中的每个包括氘化材料的箔构件，其中，在由所述多个激光脉冲中的激光脉冲照射所述箔构件时，所述箔构件产生多个氘核离子，所述多个氘核离子能够作为离子束在朝向所述中子源槽的中心的方向上加速，其中，氘核束与在几乎固体密度下的电离氚等离子体融合。

2.根据权利要求1所述的嬗变器系统，其特征在于，所述箔构件包括氘化类金刚石材料，并且所述多个离子包括氘核离子和碳离子。

3.根据权利要求1和2所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个离子通过离子加速的相干加速(CAIL)来加速。

4.根据权利要求1至3所述的嬗变器系统，其特征在于，所述箔构件为一个或多个纳米厚。

5.根据权利要求1至4所述的嬗变器系统，其特征在于，来自所述激光器和所述预脉冲激光器的脉冲是同步的，以允许所述氘核束滞后于所述氚的电离。

6.根据权利要求1至5所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个预脉冲激光器包括第一组预脉冲激光器和第二组预脉冲激光器。

7.根据权利要求6所述的嬗变器系统，其特征在于，所述第一组预脉冲激光器配置成在所述第二组预脉冲激光器之前发射。

8.根据权利要求1至7所述的嬗变器系统，其特征在于，所述激光器系统包括多个反射镜，所述多个反射镜定向成将所述多个激光脉冲中的各个激光脉冲朝向所述多个匙孔中的各个匙孔引导并使所述各个激光脉冲进入所述各个匙孔。

9.根据权利要求1至8所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个同心槽被分段。

10.根据权利要求9所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个同心槽被轴向地分段。

11.根据权利要求9所述的嬗变器系统，其特征在于，所述多个同心槽被角向地分段。

12.根据权利要求1至8所述的嬗变器系统，其特征在于，多个所分段的槽包括：

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。

13.根据权利要求12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。

14.根据权利要求12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。

15.根据权利要求1至14所述的嬗变器系统，其特征在于，所述激光器系统包括CAN激光器或薄板放大器中的一个。

16.根据权利要求15所述的嬗变器系统，其特征在于，所述激光器系统还包括耦合到所述CAN激光器或薄板放大器的OPCPA，以及耦合到所述OPCPA的振荡器。

17.根据权利要求16所述的嬗变器系统，其特征在于，所述OPCPA被低温冷却。

18.根据权利要求1至17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。

19.根据权利要求18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。

20.根据权利要求18和19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。

21.根据权利要求20所述的嬗变器系统，其特征在于，所述碳基材料是金刚石。