EA040189B1 - SYSTEMS AND METHODS FOR LASER-ACTIVATED NEUTRON GENERATION FOR LIQUID PHASE-BASED TRANSMUTATION - Google Patents
SYSTEMS AND METHODS FOR LASER-ACTIVATED NEUTRON GENERATION FOR LIQUID PHASE-BASED TRANSMUTATION Download PDFInfo
- Publication number
- EA040189B1 EA040189B1 EA202190682 EA040189B1 EA 040189 B1 EA040189 B1 EA 040189B1 EA 202190682 EA202190682 EA 202190682 EA 040189 B1 EA040189 B1 EA 040189B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- laser
- transmutator
- concentric
- tank
- reservoir
- Prior art date
Links
Description
Область изобретенияField of invention
Объект изобретения, описанный в настоящем документе, в целом относится к системам и способам, которые способствуют генерации энергетических нейтронов с высокой скоростью посредством создаваемого лазером пучка в целях трансмутации долгоживущих отходов с высоким уровнем радиоактивности (трансурановых и продуктов деления) в короткоживущие радиоактивные нуклиды или стабильные нуклиды, а точнее, для подкритической жидкофазной трансмутации радиоактивных отходов.The subject matter of the invention described herein generally relates to systems and methods that facilitate the generation of energetic neutrons at a high rate by a laser-produced beam for the purpose of transmuting long-lived, high-level radioactive waste (transuranium and fission products) into short-lived radioactive nuclides or stable nuclides. , or rather, for subcritical liquid-phase transmutation of radioactive waste.
Предпосылки изобретенияBackground of the invention
Ядерные реакторы деления генерируют постоянный поток радионуклидов отработанного топлива: только в США требуется утилизация 90000 метрических тонн [ссылка 1], а к 2020 мировые запасы отработанного ядерного топлива достигнут 200000 метрических тонн при ежегодном добавлении 8000 тонн. Во Франции ядерная энергия составляет 77% от всей электроэнергии, что делает потребность в трансмутации особенно острой. В настоящее время нет надлежащих и адекватных средств, пригодных для обработки этих изотопных радиоактивных материалов, помимо глубокого захоронения в земле. Разработка таких средств для обработки изотопных радиоактивных материалов требует решения двух задач: во-первых, разработки простых, надежных, безопасных и недорогих способов отделения высокорадиоактивных изотопов от остальных материалов во избежание активации нерадиоактивного материала путем трансмутации; а, во-вторых, разработки безопасного, недорогого, энергоэффективного, универсального способа трансмутации.Nuclear fission reactors generate a constant stream of spent fuel radionuclides: the US alone requires disposal of 90,000 metric tons [ref. 1], and by 2020 the world's spent nuclear fuel stocks will reach 200,000 metric tons, with an annual addition of 8,000 tons. In France, nuclear power accounts for 77% of all electricity, making the need for transmutation particularly acute. At present, there are no proper and adequate means available for handling these isotopic radioactive materials other than deep burial in the earth. The development of such means for the processing of isotopic radioactive materials requires the solution of two problems: first, the development of simple, reliable, safe and inexpensive ways to separate highly radioactive isotopes from other materials in order to avoid activation of non-radioactive material by transmutation; and, secondly, the development of a safe, inexpensive, energy efficient, universal method of transmutation.
Современные подходы к трансмутации радионуклидов включают в себя драйверы, которые поддерживают подкритический реактор деления с помощью внешних средств: один из них основан на приводимой в действие ускорителем системе (ADS, accelerator driven system) [ссылка 2], а другой - на приводимой в действие токамаком системе [ссылка 3]. В ADS-системах используется высокоэнергетический (~1 ГэВ) пучок протонов, падающий на подложку (например, Pb, W) и выбивающий нейтроны (30+ нейтронов на протон). Затем эти нейтроны поддерживают деление в подкритическом реакторе. Система на основе токамака генерирует нейтроны из-за реакций дейтериятрития и использует эти нейтроны для приведения в действие подкритического реактора, также называемого гибридным реактором деления-синтеза.Current approaches to radionuclide transmutation include drivers that support a subcritical fission reactor by external means: one based on an accelerator driven system (ADS) [ref. 2] and the other based on a tokamak driven system. system [link 3]. ADS systems use a high-energy (~1 GeV) beam of protons that is incident on a substrate (eg Pb, W) and knocks out neutrons (30+ neutrons per proton). These neutrons then support fission in a subcritical reactor. The tokamak-based system generates neutrons from deuterium-tritium reactions and uses these neutrons to power a subcritical reactor, also called a hybrid fission-fusion reactor.
Также существуют и другие подходы к трансмутации ядерных отходов на основе подкритического режима работы, например MOSART [ссылка 4], а также различные подходы с использованием реакторов IV поколения.There are also other approaches to nuclear waste transmutation based on subcritical operation, such as MOSART [ref. 4], as well as various approaches using generation IV reactors.
По этим и другим причинам существует потребность в усовершенствованных системах, устройствах и способах, способствующих генерации энергетических нейтронов с высокой скоростью посредством создаваемого лазером пучка с целью подкритической жидкофазной трансмутации радиоактивных отходов.For these and other reasons, there is a need for improved systems, devices and methods to facilitate the generation of energetic neutrons at high speed through a laser generated beam for the purpose of subcritical liquid phase transmutation of radioactive waste.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Различные варианты осуществления, представленные в настоящем документе, в основном относятся к системам и способам, способствующим трансмутации долгоживущих отходов с высоким уровнем радиоактивности посредством генерируемых ядерным синтезом нейтронов в короткоживущие радиоактивные нуклиды (радионуклиды) или стабильные нуклиды. Нейтроны генерируют путем реакции ядерного синтеза между пучком дейтерия и либо тритиевыми, либо дейтериевыми мишенями, тогда как пучок дейтерия лазерно ускоряется основным лазером с использованием процесса, известного как когерентное ускорение ионов лазером (CAIL) [ссылка 6, RAST].The various embodiments presented herein generally relate to systems and methods for facilitating the transmutation of long-lived, high-level radioactive waste via fusion-generated neutrons into short-lived radioactive nuclides (radionuclides) or stable nuclides. Neutrons are generated by a fusion reaction between a deuterium beam and either tritium or deuterium targets, while the deuterium beam is laser accelerated by the main laser using a process known as coherent laser ion acceleration (CAIL) [ref. 6, RAST].
В примерных вариантах осуществления в процессе трансмутации используется подкритический способ эксплуатации с использованием компактного устройства для трансмутации радиоактивных изотопов (в основном изотопов низших актиноидов (НА)), осуществляемый в резервуаре, содержащем сжиженный раствор смеси компонентов отходов отработанного топлива (таких как продукты деления (ПД) и НА), растворенных в растворе расплавленных солей LiF-BeF2 (FLiBe) [ссылка 5]. Трансмутацию НА осуществляют с помощью энергетических нейтронов, полученных в результате реакции ядерного синтеза, приводимой в действие лазером. Мониторинг и управление в режиме реального времени содержанием FLiBe, НА и ПД в трансмутаторе выполняют с помощью активной лазерной спектроскопии или приводимого в действие лазером источника гамма-излучения.In exemplary embodiments, the transmutation process uses a subcritical operation using a compact device for transmuting radioactive isotopes (primarily lower actinide (HA) isotopes) performed in a tank containing a liquefied solution of a mixture of spent fuel waste components (such as fission products (FPs) and HA) dissolved in a solution of molten salts LiF-BeF 2 (FLiBe) [reference 5]. The transmutation of NA is carried out with the help of energetic neutrons obtained as a result of a nuclear fusion reaction driven by a laser. Real-time monitoring and control of the FLiBe, NA and PD content in the transmutator is performed using active laser spectroscopy or a laser-driven gamma source.
В дополнительных примерных вариантах осуществления мишень образована из углеродных нанотрубок, насыщенных тритием.In further exemplary embodiments, the target is formed from carbon nanotubes saturated with tritium.
В дополнительных примерных вариантах осуществления дейтериевые или тритиевые мишени представляют собой ионизованный лазером газ с плотностью, почти равной плотности твердого тела. Для формирования этих мишеней предымпульсный лазер (до основного лазера) ионизирует мишень [ссылки 7 и 8]. Пока мишень остается с плотностью твердого тела, ускоренные посредством CAIL дейтроны вступают в реакцию ядерного синтеза (сливаются) с тритием или дейтерием.In further exemplary embodiments, the deuterium or tritium targets are a laser-ionized gas with a density nearly equal to that of a solid. To form these targets, the prepulse laser (before the main laser) ionizes the target [Refs 7 and 8]. While the target remains solid, the CAIL-accelerated deuterons fusion (fuse) with tritium or deuterium.
В дополнительных примерных вариантах осуществления резервуар для трансмутации поддерживают в подкритическом состоянии в течение всего времени. Подкритический режим создает нагрузку на источники нейтронов, тогда как энергетические нейтроны производятся в тесно связанной конструкции:In further exemplary embodiments, the transmutation reservoir is maintained in a subcritical state at all times. The subcritical mode puts a load on neutron sources, while energetic neutrons are produced in a closely coupled design:
- 1 040189 (1) путем облучения нанометровой фольги, состоящей из алмаза и дейтрона, с образованием пучка дейтерия посредством процесса CAIL;- 1 040189 (1) by irradiating a nanometer foil consisting of diamond and deuteron, with the formation of a deuterium beam through the CAIL process;
(2) инжекции ускоренного дейтерия в нанометрически пенистую насыщенную тритием мишень, синхронно и динамически ионизуемую предымпульсным лазером.(2) injection of accelerated deuterium into a nanometrically foamy tritium-saturated target synchronously and dynamically ionized by a prepulse laser.
Преимущества примерных вариантов осуществления генерируемых лазером нейтронов включают:Advantages of exemplary embodiments of laser-generated neutrons include:
a) малый размер создаваемых лазером пучков ионов и их мишеней;a) the small size of the ion beams and their targets created by the laser;
b) тонкое управление нейтронами: временное, а также пространственное. Все топливо (НА) находится в пределах одной длины свободного пробега при делении источника нейтронов;b) fine control of neutrons: temporal as well as spatial. All fuel (NA) is within one neutron source fission mean free path;
c) высокую частоту следования импульсов лазера;c) high laser pulse repetition rate;
d) высокий КПД лазера от розетки, составляющий 30%.d) high efficiency of the laser from the socket, which is 30%.
В примерных вариантах осуществления архитектура лазера, как описано в предыдущем абзаце, выполнена для обеспечения импульсов, например, с энергией импульса <10 фс, составляющей 10 мДж, по размеру пятна 20 мкм, что приводит к оптимальному a0=0,5. Импульс накачки для оптического параметрического усиления чирпированного импульса (от англ. optical parametric chirped-pulse amplification, OPCPA) будет обеспечиваться лазером с сетью когерентного усиления (от англ. coherent amplification network, CAN), позволяющим обеспечивать очень высокую частоту следования импульсов накачки до 100 кГц. Фемтосекундные импульсы производятся фемтосекундным генератором, выдающим более миллиона импульсов в секунду. После генератора импульсы улавливаются с желаемой частотой до 100 кГц, а затем растягиваются до нескольких наносекунд. После растягивания импульс усиливается в криогенной системе OPCPA до уровня десятков мегаджоулей. Криогенная система OPCPA предпочтительно демонстрирует крайне высокую теплопроводность, сопоставимую с медью, что необходимо для отвода десятков киловатт тепловой нагрузки, производимой в ходе процесса оптического параметрического усиления. При спектральной ширине полосы, соответствующей импульсу менее 10 фс, импульс можно легко растягивать примерно до одной наносекунды и усиливать путем оптического параметрического усиления до 10 мДж. В этом процессе импульс смешивается с импульсом накачки, подаваемым системой CAN, с длительностью примерно нс и энергией >10 мДж. Усиленный чирпированный импульс затем сжимается обратно до его исходного значения <10 фс.In exemplary embodiments, the laser architecture as described in the previous paragraph is configured to provide pulses of, for example, <10 fs pulse energy of 10 mJ over a 20 µm spot size, resulting in an optimal a 0 =0.5. The pump pulse for optical parametric chirped-pulse amplification (OPCPA) will be provided by a laser with a coherent amplification network (CAN), which allows for very high pump pulse repetition rates up to 100 kHz . The femtosecond pulses are produced by a femtosecond generator that delivers over a million pulses per second. After the generator, the pulses are captured at the desired frequency up to 100 kHz and then stretched to a few nanoseconds. After stretching, the pulse is amplified in the OPCPA cryogenic system to the level of tens of megajoules. The cryogenic OPCPA system preferably exhibits extremely high thermal conductivity, comparable to copper, which is necessary to remove the tens of kilowatts of thermal load generated during the optical parametric amplification process. With a spectral bandwidth corresponding to a pulse less than 10 fs, the pulse can be easily stretched to about one nanosecond and amplified by optical parametric amplification up to 10 mJ. In this process, the pulse is mixed with a pump pulse supplied by the CAN system with a duration of approximately ns and an energy >10 mJ. The amplified chirped pulse is then compressed back to its original value of <10 fs.
В различных вариантах осуществления, предусмотренных в настоящем документе, трансмутация отходов с низким уровнем радиоактивности (от англ. low-level radioactive waste, LLRW) происходит в жидком состоянии, тогда как LLRW растворены в солевом расплаве фторида лития-фторида бериллия (FLiBe).In the various embodiments provided herein, the low-level radioactive waste (LLRW) is transmuted in a liquid state, while the LLRW is dissolved in a lithium fluoride-beryllium fluoride (FLiBe) molten salt.
В различных вариантах осуществления, предусмотренных в настоящем документе, установка трансмутации функционирует в подкритическом режиме, тогда как для приведения в действие трансмутации в течение всего времени требуется источник нейтронов.In the various embodiments provided herein, the transmutation plant operates in a subcritical mode, while a neutron source is required to drive the transmutation all the time.
В некоторых примерных вариантах осуществления лазерный мониторинг путем лазерной спектроскопии осуществляют с помощью лазера CAN [ссылка 12].In some exemplary embodiments, laser monitoring by laser spectroscopy is performed using a CAN laser [ref. 12].
В дополнение, для отслеживания содержания и поведения изотопов НА и ПД в резервуарах в режиме реального времени предусмотрен приводимый в действие лазером источник гамма-излучения (обычно называемого лазерным комптоновским гамма-излучением).In addition, a laser-driven source of gamma radiation (commonly referred to as laser Compton gamma radiation) is provided to monitor the content and behavior of HA and PD isotopes in tanks in real time.
Дополнительный вариант осуществления направлен на двухрезервуарную стратегию для снижения общей стоимости нейтронов, причем один резервуар находится в критическом, а другой - в подкритическом режиме. Два резервуара содержат два соединенных между собой комплекта резервуаров. Первый резервуар или комплект резервуаров предпочтительно содержит смесь Pu и низших актиноидов (НА), включая нептуний, америций и кюрий (Np, Am, Cm), тогда как второй резервуар или комплект резервуаров содержит лишь смесь низших актиноидов (НА). Поскольку первый резервуар или комплект резервуаров находится при критическом режиме (Γ>φφ = 1), внешний источник нейтронов не нужен. Кроме того, первый резервуар или комплект резервуаров снабжается топливом с использованием отработанного ядерного топлива (Pu и НА) после химического удаления продуктов деления. В первом резервуаре или в комплекте резервуаров используют быстрые нейтроны (нейтроны ядерного синтеза в дополнение к незамедленным нейтронам деления с энергией >1 МэВ) для трансмутации низших актиноидов (НА) и плутония (Pu), при этом концентрации кюрия (Cm) повышена. В качестве альтернативы, небольшое количество нейтронов может быть инжектировано в первый резервуар или комплект резервуаров для запуска сжигания Pu.An additional embodiment aims for a two-tank strategy to reduce the overall cost of neutrons, with one reservoir in critical mode and the other in subcritical mode. The two tanks contain two interconnected sets of tanks. The first tank or set of tanks preferably contains a mixture of Pu and lower actinides (HA), including neptunium, americium and curium (Np, Am, Cm), while the second tank or set of tanks contains only a mixture of lower actinides (HA). Since the first reservoir or set of reservoirs is in critical mode (Γ>φφ = 1), an external neutron source is not needed. In addition, the first tank or set of tanks is fueled using spent nuclear fuel (Pu and HA) after chemical removal of fission products. The first tank or tank set uses fast neutrons (fusion neutrons in addition to >1 MeV prompt fission neutrons) to transmute lower actinides (HA) and plutonium (Pu) while increasing curium (Cm) concentrations. Alternatively, a small amount of neutrons may be injected into the first tank or set of tanks to start burning Pu.
В дополнительном варианте осуществления стенки первого и второго резервуара или комплекта резервуаров изготовлены из материалов на основе углерода, таких как, например, алмаз. Для защиты стенок от химической эрозии и коррозии соли, прилегающей к стенке (обращенной к солевому расплаву), позволяют затвердеть, предотвращая непосредственный контакт солевого расплава со стенками.In a further embodiment, the walls of the first and second tank or set of tanks are made of carbon-based materials such as, for example, diamond. To protect the walls from chemical erosion and corrosion, the salt adjacent to the wall (facing the molten salt) is allowed to harden, preventing direct contact of the molten salt with the walls.
В дополнительном варианте осуществления описанные выше варианты трансмутатора можно применить в способах и процессах восстановления диоксида углерода, таких как предполагающие его использование в качестве теплоносителя и генерацию из него синтетического топлива, чтобы иметьIn a further embodiment, the transmutator embodiments described above may be applied in carbon dioxide recovery methods and processes, such as those involving its use as a coolant and the generation of synthetic fuel from it, to have
- 2 040189 полностью отрицательный показатель высвобождения углерода. В следующем примерном варианте осуществления синтетическое топливо (CH4 - метан) может быть сгенерировано по реакции С02 + 4Н2-»СН4 + 2Н2О (реакция Сабатье), для которой требуется 200-400°C и присутствие катализатора, например, Ni, Cu, Ru. CO2 можно извлекать из атмосферы, океана или получать путем непосредственного улавливания CO2 в источнике выброса, таком как автомобили, здания, вытяжные или дымовые трубы. Диапазон рабочих температур трансмутатора с солевым расплавом составляет 2501200°C, а значит, он идеально подходит для непрерывного обеспечения необходимой температуры, требуемой для протекания реакции Сабатье с получением метана, и для обеспечения эффективного пути стабилизации и снижения концентрации CO2 в атмосфере и океане.- 2 040189 fully negative carbon release. In the following exemplary embodiment, synthetic fuel (CH 4 - methane) can be generated by the reaction CO 2 + 4H 2 -> CH 4 + 2H 2 O (Sabatier reaction), which requires 200-400 ° C and the presence of a catalyst, for example, Ni, Cu, Ru. CO 2 can be extracted from the atmosphere, the ocean, or obtained by directly capturing CO2 at an emitter such as cars, buildings, chimneys or chimneys. The operating temperature range of the molten salt transmuter is 2501200°C, which makes it ideal for continuously providing the necessary temperature required for the Sabatier reaction to produce methane, and for providing an efficient way to stabilize and reduce atmospheric and oceanic CO2 concentrations.
Другие системы, устройства, способы, признаки и преимущества объекта изобретения, описанного в настоящем документе, будут или станут ясными специалисту в данной области техники при изучении следующих фигур и подробного описания. Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества включены в данное описание, входят в объем описанного здесь объекта изобретения и защищены прилагаемой формулой изобретения. Ни в коем случае не следует истолковывать признаки примерных вариантов осуществления как ограничивающие прилагаемую формулу изобретения, при отсутствии явного указания этих признаков в формуле изобретения.Other systems, devices, methods, features, and advantages of the subject matter described herein will or will become apparent to those skilled in the art upon examination of the following figures and detailed description. All such additional systems, methods, features, and advantages are intended to be included herein, fall within the scope of the subject matter described herein, and are protected by the appended claims. In no event should the features of the exemplary embodiments be construed as limiting the appended claims unless those features are expressly stated in the claims.
Краткое описание фигурBrief description of the figures
Подробности примерных вариантах осуществления, включая конструкцию и работу, можно частично почерпнуть при изучении прилагаемых фигур, на которых одинаковые ссылочные номера относятся к аналогичным деталям. Компоненты на фиг. не обязательно приведены в масштабе, вместо этого акцент делается на иллюстрировании принципов раскрытия. Более того, все иллюстрации предназначены для передачи концепций, причем относительные размеры, формы и другие подробное атрибуты могут быть проиллюстрированы схематически, а не буквально или точно.Details of the exemplary embodiments, including construction and operation, can be gleaned in part from a study of the accompanying figures, in which like reference numerals refer to like parts. The components in FIG. not necessarily drawn to scale; instead, emphasis is placed on illustrating the principles of disclosure. Moreover, all illustrations are intended to convey concepts, and relative sizes, shapes, and other detailed attributes may be illustrated schematically and not literally or accurately.
Фиг. 1A иллюстрирует вид в перспективе сегментированного аксиально сосуда трансмутатора.Fig. 1A illustrates a perspective view of an axially segmented transmuter vessel.
Фиг. 1B иллюстрирует вид в разрезе сегментированного азимутально сосуда трансмутатора.Fig. 1B illustrates a sectional view of an azimuthally segmented transmuter vessel.
Фиг. 2A иллюстрирует виды в перспективе источника нейтронов и одиночного смежного резервуара, причем нейтроны генерируются в результате слияния дейтерия-трития (DT). Тритий присутствует в виде газа, а дейтрон создается путем взаимодействия лазера-фольги внутри скважины. Скважины расположены на входном окне.Fig. 2A illustrates perspective views of a neutron source and a single adjacent tank, with neutrons generated from a deuterium-tritium (DT) fusion. The tritium is present as a gas, while the deuteron is created by laser-foil interaction inside the borehole. The wells are located at the entrance window.
Фиг. 2B иллюстрирует узел одиночной скважины.Fig. 2B illustrates a single well assembly.
Фиг. 3A иллюстрирует виды в перспективе источника нейтронов и одиночного расположенного рядом резервуара при генерации нейтронов в результате ядерного синтеза дейтерий-тритий. В этом варианте осуществления дейтрон генерируется путем взаимодействия лазер-фольга, а тритий образует твердую мишень на задней стороне скважины. Нейтроны образуются, когда дейтроны взаимодействуют с тритием в твердой мишени. Скважины находятся в резервуаре источника нейтронов.Fig. 3A illustrates perspective views of a neutron source and a single adjacent reservoir in the generation of neutrons from deuterium-tritium fusion. In this embodiment, the deuteron is generated by laser-foil interaction and the tritium forms a solid target on the back side of the well. Neutrons are produced when deuterons interact with tritium in a solid target. The wells are located in the reservoir of the neutron source.
Фиг. 3B иллюстрирует узел одиночной скважины.Fig. 3B illustrates a single well assembly.
Фиг. 4 иллюстрирует схематичное изображение системы лазерного ускорителя с использованием основного лазера и ионизационной камеры с помощью предымпульсного лазера для генерации нейтронов.Fig. 4 illustrates a schematic representation of a laser accelerator system using a main laser and an ionization chamber with a prepulse laser to generate neutrons.
Фиг. 5 иллюстрирует схематичное изображение лазерной генерации для системы лазерного ускорителя.Fig. 5 illustrates a schematic representation of laser generation for a laser accelerator system.
Фиг. 6 иллюстрирует вид сбоку системы трансмутации на основе жидкой фазы с осуществляемыми с помощью лазера разделением и мониторингом.Fig. 6 illustrates a side view of a liquid phase transmutation system with laser assisted separation and monitoring.
Фиг. 7 иллюстрирует частичный подробный вид центрального резервуара раствора системы трансмутации на основе жидкой фазы с осуществляемыми с помощью лазера разделением и мониторингом, показанной на фиг. 6.Fig. 7 illustrates a partial detail view of the central solution reservoir of the liquid phase transmutation system with laser separation and monitoring shown in FIG. 6.
Фиг. 8 иллюстрирует вид сбоку альтернативного варианта осуществления двухступенчатой системы разделения и трансмутации на основе жидкой фазы с осуществляемыми с помощью лазера разделением и мониторингом.Fig. 8 illustrates a side view of an alternative embodiment of a two-stage liquid phase separation and transmutation system with laser assisted separation and monitoring.
Фиг. 9 иллюстрирует вариант осуществления, направленный на двухрезервуарную стратегию для снижения общей стоимости нейтронов, когда резервуар 1 находится при критическом режиме, а резервуар 2 - при подкритическом.Fig. 9 illustrates an embodiment directed towards a two-tank strategy to reduce the overall cost of neutrons when tank 1 is in critical mode and tank 2 is in sub-critical mode.
Фиг. 10 иллюстрирует вариант осуществления, направленный на процесс генерации синтетического топлива путем химической конверсии CO2, тогда как тепло для протекания реакции генерируется за счет деления.Fig. 10 illustrates an embodiment directed to the process of generating synthetic fuels by chemical conversion of CO2, while the heat for the reaction is generated by fission.
Фиг. 11 иллюстрирует другой вариант осуществления, направленный на процесс генерации синтетического топлива путем химической конверсии CO2, тогда как тепло для протекания реакции генерируется за счет деления.Fig. 11 illustrates another embodiment directed to the process of generating synthetic fuels by chemical conversion of CO2, while the heat for the reaction is generated by fission.
Фиг. 12 иллюстрирует другой вариант осуществления, направленный на процесс генерации синтетического топлива путем химической конверсии CO2, тогда как тепло для протекания реакции генерируется за счет деления.Fig. 12 illustrates another embodiment directed to the process of generating synthetic fuels by chemical conversion of CO2, while the heat for the reaction is generated by fission.
- 3 040189- 3 040189
Фиг. 13 иллюстрирует другой вариант осуществления, направленный на процесс генерации синтетического топлива путем химической конверсии CO2, тогда как тепло для протекания реакции генерируется за счет деления.Fig. 13 illustrates another embodiment directed to the process of generating synthetic fuels by chemical conversion of CO2, while the heat for the reaction is generated by fission.
Следует отметить, что элементы сходных конструкций или функций, как правило, представлены одинаковыми ссылочными номерами в иллюстративных целях на всех фигурах. Следует также отметить, что фигуры предназначены лишь для облегчения описания предпочтительных вариантов осуществления.It should be noted that elements of similar structures or functions are generally represented by the same reference numerals for illustrative purposes throughout the figures. It should also be noted that the figures are only intended to facilitate the description of the preferred embodiments.
Подробное описаниеDetailed description
Каждый из раскрытых ниже дополнительных признаков и принципов можно использовать по отдельности или в сочетании с другими признаками и принципами для обеспечения систем и способов, способствующих трансмутации долгоживущих радиоактивных отходов в короткоживущие радиоактивные нуклиды или стабильные нуклиды, с использованием подхода к генерации нейтронов с помощью приводимого в действие лазером ядерного синтеза.Each of the additional features and principles disclosed below may be used alone or in combination with other features and principles to provide systems and methods that facilitate the transmutation of long-lived radioactive waste into short-lived radioactive nuclides or stable nuclides using a powered neutron generation approach. nuclear fusion laser.
Более того, различные признаки характерных примеров и зависимых пунктов формулы изобретения могут быть скомбинированы не перечисленными конкретно и в явном виде способами для обеспечения дополнительных полезных вариантов осуществления предложенных принципов. В дополнение, следует четко отметить, что все признаки, раскрытые в описании и/или формуле изобретения, предполагаются раскрытыми по отдельности и независимо друг от друга в целях первоначального раскрытия, а также в целях ограничения заявленного объекта изобретения, независимо от составов признаков в вариантах осуществления и/или формуле изобретения. Также следует четко отметить, что все диапазоны значений или обозначения групп целых чисел раскрывают каждое возможное промежуточное значение или промежуточное целое число в целях первоначального раскрытия, а также в целях ограничения заявленного объекта изобретения.Moreover, various features of the specific examples and dependent claims can be combined in ways not specifically and explicitly listed to provide additional useful embodiments of the proposed principles. In addition, it should be clearly noted that all features disclosed in the description and/or claims are intended to be disclosed separately and independently of each other for the purposes of the original disclosure as well as for the purposes of limiting the claimed subject matter, regardless of the compositions of the features in the embodiments. and/or claims. It should also be expressly noted that all value ranges or integer group designations disclose every possible intermediate value or intermediate integer for purposes of initial disclosure as well as for purposes of limiting the claimed subject matter.
В примерных вариантах осуществления в процессе трансмутации используется подкритический способ эксплуатации с использованием компактного устройства для трансмутации радиоактивных изотопов (в основном изотопов низших актиноидов (НА)), осуществляемый в резервуаре, содержащем сжиженный раствор смеси компонентов отходов отработанного топлива (таких как продукты деления (ПД) и НА), растворенных в растворе расплавленных солей LiF-BeF2 (FLiBe). Такой процесс описан в предварительной заявке на патент США № 62/544666 [ссылка 5], которая полностью включена сюда по ссылке. Трансмутацию НА осуществляют с помощью энергетических нейтронов, полученных в результате реакции ядерного синтеза, приводимой в действие лазером. Мониторинг и управление в режиме реального времени содержанием FLiBe, НА и ПД в трансмутаторе выполняют с помощью активной лазерной спектроскопии или приводимого в действие лазером источника гамма-излучения.In exemplary embodiments, the transmutation process uses a subcritical operation using a compact device for transmuting radioactive isotopes (primarily lower actinide (HA) isotopes) performed in a tank containing a liquefied solution of a mixture of spent fuel waste components (such as fission products (FPs) and NA) dissolved in a solution of molten salts LiF-BeF2 (FLiBe). Such a process is described in US Provisional Application No. 62/544666 [ref. 5], which is incorporated herein by reference in its entirety. The transmutation of NA is carried out with the help of energetic neutrons obtained as a result of a nuclear fusion reaction driven by a laser. Real-time monitoring and control of the FLiBe, NA and PD content in the transmutator is performed using active laser spectroscopy or a laser-driven gamma source.
В приведенных здесь примерных вариантах осуществления нейтроны генерируют путем приводимого в действие лазером ядерного синтеза для трансмутации долгоживущих радиоактивных ядер в короткоживущие или нерадиоактивные нуклиды.In the exemplary embodiments provided herein, neutrons are generated by laser-driven nuclear fusion to transmute long-lived radioactive nuclei into short-lived or non-radioactive nuclides.
В дополнительных примерных вариантах осуществления дейтериевые или тритиевые мишени представляют собой ионизованный лазером газ с плотностью, почти равной плотности твердого тела. Для образования этих мишеней предымпульсный лазер (до основного лазера) ионизирует мишень [ссылки 7 и 8]. Пока мишень остается при плотности твердого тела, ускоренные посредством CAIL дейтроны вступают в реакцию ядерного синтеза (сливаются) с тритием или дейтерием.In further exemplary embodiments, the deuterium or tritium targets are a laser-ionized gas with a density nearly equal to that of a solid. To form these targets, the prepulse laser (before the main laser) ionizes the target [Refs 7 and 8]. As long as the target remains at the density of a solid, deuterons accelerated by CAIL are fused (fused) with tritium or deuterium.
В дополнительных примерных вариантах осуществления резервуар для трансмутации поддерживают в подкритическом состоянии в течение всего времени. Функционирование при подкритическом режиме создает нагрузку на источники нейтронов, тогда как энергетические нейтроны производятся в тесно связанной конструкции:In further exemplary embodiments, the transmutation reservoir is maintained in a subcritical state at all times. Subcritical operation places stress on neutron sources, while energetic neutrons are produced in a tightly coupled design:
(1) путем облучения нанометровой фольги, состоящей из алмаза и дейтрона, с образованием дейтериевого пучка посредством процесса, известного как когерентное ускорение ионов лазером (CAIL);(1) by irradiating a nanometer foil composed of diamond and deuteron to form a deuterium beam through a process known as coherent laser ion acceleration (CAIL);
(2) путем инжекции ускоренного дейтерия в нанометрически пенистую насыщенную тритием мишень, синхронно и динамически ионизуемую предымпульсным лазером.(2) by injection of accelerated deuterium into a nanometrically foamy tritium-saturated target, synchronously and dynamically ionized by a prepulse laser.
Обращаясь к чертежам, на фиг. 1A и 1B показан сегментированный сосуд 100 трансмутатора. Фиг. 1A показывает характерный случай аксиальной и радиальной сегментации сосуда 100 на три (3) секции 100A, 100B и 100C сосуда. Фиг. 1B показывает характерное поперечное сечение сосуда 100 с радиальной и азимутальной сегментацией. Сосуд 100 трансмутатора в настоящем варианте осуществления радиально сегментирован на концентрические цилиндрические камеры или резервуары 102, 104, 106, 108 и 110. Азимутально сегментированная камера 107 представляет собой характерную камеру, используемую либо для диагностики, либо для дополнительного источника нейтронов. Путем сегментации сосуда 100 контроль и локализация различных параметров могут быть улучшены более легко и/или более точно, а также может быть улучшена общая безопасность трансмутатора за счет информационной обратной связи от различных сегментов по искусственной нейронной сети к управляющим клапанам для управления концентрацией низших актиноидов. Такое точное управление оптимизирует сжигание большей части низших актиноидов, оставаясь при этом безопасным.Referring to the drawings, in FIG. 1A and 1B show a segmented transmuter vessel 100. Fig. 1A shows a representative case of axial and radial segmentation of vessel 100 into three (3) vessel sections 100A, 100B and 100C. Fig. 1B shows a representative cross section of vessel 100 with radial and azimuth segmentation. The transmuter vessel 100 in the present embodiment is radially segmented into concentric cylindrical chambers or reservoirs 102, 104, 106, 108, and 110. The azimuthally segmented chamber 107 is a representative chamber used either for diagnostics or for an additional neutron source. By segmenting the vessel 100, the control and localization of various parameters can be improved more easily and/or more accurately, and the overall safety of the transmuter can also be improved by feedback from the various segments through the artificial neural network to the control valves to control the lower actinide concentration. This precise control optimizes the combustion of most of the lower actinides while remaining safe.
Резервуар или камера 110 представляет собой камеру сжатого газа, состоящего из газообразного дейтерия или трития, и функционирует как источник нейтронов для запуска самоподдерживающейсяTank or chamber 110 is a pressurized gas chamber composed of gaseous deuterium or tritium and functions as a source of neutrons to launch a self-sustaining
- 4 040189 цепной реакции в первом и втором концентрических резервуарах 108 и 106. Первый и второй резервуары- 4 040189 chain reaction in the first and second concentric tanks 108 and 106. The first and second tanks
106 и 108 содержат смесь расплавленной соли FLiBe и низших актиноидов. Третий концентрический резервуар 104 содержит продукты деления, которые подвергаются трансмутации (превращаются) в стабильные или короткоживущие нуклиды. Четвертый концентрический резервуар 102 представляет собой графитовый отражатель.106 and 108 contain a mixture of molten FLiBe salt and lower actinides. The third concentric reservoir 104 contains fission products that are transmuted (transformed) into stable or short-lived nuclides. The fourth concentric reservoir 102 is a graphite reflector.
Фиг. 2A показывает частичный вид одиночного узла трансмутатора 200, имеющего расположенные в нем резервуар 212 и резервуар 210 источника нейтронов. Резервуар 212 могут окружать дополнительные резервуары, как показано на фиг. 1A, 1B. В этом варианте осуществления лазерный импульс 214 проецируется на зеркало 220 и направляется зеркалом 220 к скважине 218 и в нее. Предусмотрено множество отдельных лазерных импульсов 214 и камер со скважинами 218, например тысячи (1000) лазерных импульсов и камер со скважинами. Увеличенный детальный вид отдельной камеры со скважинами 218 показан на фиг. 2B. В скважине 218 поддерживается вакуум. Лазерный импульс 214 проходит через окно 222 для лазерного излучения и облучает нанометровый фольговый элемент 224. Нанометровый фольговый элемент 224 изготовлен из дейтерированного алмаза и обладает толщиной один или более нанометров, а предпочтительно, толщиной примерно 1-10 нм. Физический процесс, известный как когерентное ускорение ионов (CAIL) [см., например, ссылку 9 и ссылку 24] ускоряет ионы дейтрона и углерода от нанометрового фольгового элемента 224 в виде пучка 216 дейтронов по направлению к центру резервуара 210 источника нейтронов. Максимальная достигаемая энергия задается уравнением 1.0 [см., например, ссылку 10; ссылку 11]:Fig. 2A shows a partial view of a single transmuter assembly 200 having a tank 212 and a neutron source tank 210 disposed therein. Tank 212 may be surrounded by additional tanks, as shown in FIG. 1A, 1B. In this embodiment, laser pulse 214 is projected onto mirror 220 and guided by mirror 220 to and into well 218. A plurality of individual laser pulses 214 and well chambers 218 are provided, such as thousands (1000) laser pulses and well chambers. An enlarged detailed view of a single chamber with wells 218 is shown in FIG. 2b. Well 218 is maintained under vacuum. The laser pulse 214 passes through the laser window 222 and irradiates the nanometer foil element 224. The nanometer foil element 224 is made of deuterated diamond and has a thickness of one or more nanometers, and preferably, a thickness of about 1-10 nm. A physical process known as coherent ion acceleration (CAIL) [see, for example, ref. 9 and ref. 24] accelerates deuteron and carbon ions from the nanometer foil element 224 in the form of a deuteron beam 216 towards the center of the reservoir 210 of the neutron source. The maximum energy attainable is given by equation 1.0 [see, for example, ref. 10; link 11]:
^тах = (2α + l)Qmc2(y/ajTl - 1) j 0 где альфа обычно = 3, mc2 = 0,511 МэВ, ao~0,5 в зависимости от других условий. Поэтому для дейтерия максимальная энергия составляет 0,41 МэВ, а для ионов углерода - 2,5 МэВ. Пучок 216 дейтронов вступает в реакцию ядерного синтеза с тритием в резервуаре 210 источника нейтронов, генерируя нейтроны 226.^max = (2α + l)Qmc 2 (y/ajTl - 1) j 0 where alpha usually = 3, mc 2 = 0.511 MeV, ao~0.5 depending on other conditions. Therefore, for deuterium, the maximum energy is 0.41 MeV, and for carbon ions - 2.5 MeV. The deuteron beam 216 fuses with tritium in the neutron source reservoir 210, generating neutrons 226.
Фиг. 3A и 3B показывают альтернативный вариант осуществления генерации нейтронов. Все еще используется физический процесс CAIL для ускорения дейтронов в виде пучка 216 дейтронов, как обсуждалось выше применительно к фиг. 2A и 2B. Как изображено на фиг. 3A, одиночный узел трансмутатора 200 включает в себя расположенные в нем резервуар 212 и резервуар 210 источника нейтронов. Резервуар 212 могут окружать дополнительные резервуары, как показано на фиг. 1A и 1B. В этом варианте осуществления, как и в предыдущем варианте осуществления, лазерный импульс 214 проецируется на зеркало 220 и направляется зеркалом 220 к скважине 218 и в нее. Предусмотрено множество отдельных лазерных импульсов 214 и камер со скважинами 218, например тысячи (1000) лазерных импульсов и камер со скважинами. Увеличенный подробный вид отдельной камеры со скважинами 218 показан на фиг. 3B. В скважине 218 поддерживается вакуум. Лазерный импульс 214 проходит через окно 222 для лазерного излучения и облучает нанометровый фольговый элемент 224. Нанометровый фольговый элемент 224 изготовлен из дейтерированного алмаза и имеет толщину примерно один или более нанометров. Процесс CAIL ускоряет ионы дейтрона и углерода из нанометрового фольгового элемента 224 в виде пучка 216 дейтронов. Вместо инжекции в резервуар 210 источника нейтронов, пучки 216 дейтронов инжектируют на твердую титан-тритиевую мишень 228 на заднем конце скважины 218, что приводит к испусканию нейтронов 226. Скважины 218 расположены у входного окна 211 в резервуар 210 источника нейтронов, а также внутри резервуара 210 источника нейтронов. Лазерный импульс 214 входит в скважину 218 через входное окно 222 и взаимодействует с нанометровой фольгой 224, создавая пучок 216 дейтронов.Fig. 3A and 3B show an alternative embodiment for neutron generation. The CAIL physical process is still used to accelerate deuterons in the form of deuteron beam 216, as discussed above with respect to FIG. 2A and 2B. As shown in FIG. 3A, a single transmuter assembly 200 includes a tank 212 and a neutron source tank 210 disposed therein. Tank 212 may be surrounded by additional tanks, as shown in FIG. 1A and 1B. In this embodiment, as in the previous embodiment, laser pulse 214 is projected onto mirror 220 and guided by mirror 220 to and into well 218. A plurality of individual laser pulses 214 and well chambers 218 are provided, such as thousands (1000) laser pulses and well chambers. An enlarged detailed view of a single chamber with wells 218 is shown in FIG. 3b. Well 218 is maintained under vacuum. The laser pulse 214 passes through the laser window 222 and irradiates the nanometer foil element 224. The nanometer foil element 224 is made of deuterated diamond and has a thickness of about one or more nanometers. The CAIL process accelerates deuteron and carbon ions from a 224 nanometer foil element into a deuteron beam 216 . Instead of being injected into the neutron source tank 210, deuteron beams 216 are injected onto a solid titanium-tritium target 228 at the rear end of well 218, resulting in the emission of neutrons 226. Wells 218 are located at the inlet window 211 into the neutron source tank 210 and also inside the tank 210 source of neutrons. The laser pulse 214 enters the well 218 through the entrance window 222 and interacts with the nanometer foil 224, creating a beam 216 of deuterons.
Фиг. 4 подробно иллюстрирует взаимодействие лазер-фольга в одиночной скважине 218, как показано на фиг. 2B и 3B. Как изображено, лазерный импульс 214 уже прошел через входное окно 222 для лазерного излучения (см. фиг. 2B и 3B). Лазерный импульс 214, такой как, например, от лазера CAN [ссылка 12], облучает нанометровую фольгу 224, что приводит к CAIL за счет пондеромоторной силы в основном в направлении вперед, сверх электростатической силы оттягивания фольги 224. Затем продольное электрическое поле (не показано) ускоряет пучок 216 дейтронов и углерода в камеру 210 сжатого газа (см., например, фиг. 2A и 3A). Ускоренный дейтериевый пучок 216 сталкивается с газообразным тритием и вступает с ним в реакцию ядерного синтеза в камере 210, тем самым генерируя энергетические нейтроны 226, такие как, например, нейтроны с энергиями примерно 14 МэВ. Нейтроны 226 выделяются изотропно, и происходит деление низших актиноидов в резервуарах (см., например, резервуары 108 и 106, фиг. 1A и 1B; резервуар 212, фиг. 2A и 3A), окружающих резервуар источника нейтронов (см., например, резервуар 110, фиг. 1A и 1B; резервуар 210, фиг. 2A и 3A).Fig. 4 illustrates in detail the laser-foil interaction in a single well 218 as shown in FIG. 2B and 3B. As shown, the laser pulse 214 has already passed through the entrance window 222 for laser radiation (see Fig. 2B and 3B). A laser pulse 214, such as, for example, from a CAN laser [Ref. 12], irradiates the nanometer foil 224, resulting in CAIL due to a ponderomotive force in a generally forward direction, in excess of the electrostatic pull force of the foil 224. Then a longitudinal electric field (not shown ) accelerates the deuteron and carbon beam 216 into the pressurized gas chamber 210 (see, for example, FIGS. 2A and 3A). Accelerated deuterium beam 216 collides with gaseous tritium and enters into a nuclear fusion reaction with it in chamber 210, thereby generating energetic neutrons 226, such as, for example, neutrons with energies of about 14 MeV. Neutrons 226 are released isotropically and fission of lower actinides occurs in reservoirs (see, for example, reservoirs 108 and 106, FIGS. 1A and 1B; reservoir 212, FIGS. 2A and 3A) surrounding the neutron source reservoir (see, for example, reservoir 110, Figures 1A and 1B, tank 210, Figures 2A and 3A).
В альтернативном варианте осуществления резервуар 210 источника нейтронов состоит из углеродных нанотрубок (УНТ), насыщенных тритием. Предымпульсные лазеры 230 и 232 облучают резервуар 210 проникающей в него лазерной энергией в режиме надпороговой ионизации, ионизируя УНТ, насыщенные тритием, [ссылка 7; ссылка 8] и поддерживая ионизованный газ углерода и трития почти при плотности твердого тела в течение короткого времени для того, чтобы пучок дейтроновIn an alternative embodiment, the reservoir 210 of the neutron source consists of carbon nanotubes (CNTs) saturated with tritium. Pre-pulse lasers 230 and 232 irradiate reservoir 210 with laser energy penetrating into it in the above-threshold ionization mode, ionizing tritium-saturated CNTs [ref. 7; ref 8] and maintaining the ionized gas of carbon and tritium almost at the density of a solid for a short time in order for the deuteron beam to
- 5 040189 вступил в реакцию ядерного синтеза с ионизованной тритиевой плазмой почти при плотности твердого тела. Лазеры 230 и 232 отличаются от основного лазера 214, используемого для ускорения дейтронов. Импульс основного лазера (который ускоряет дейтроны) и предымпульсные лазеры (для ионизации УНТ + трития) должны быть синхронизированы так, чтобы пучок дейтронов отставал от предымпульса и ионизация происходила непосредственно перед пучком дейтронов. В этой схеме синхронизации предымпульсные лазеры 230 срабатывают до предымпульсных лазеров 232. Этот подход обеспечивает высокоэффективный способ преобразования дейтерия-трития в быстрые нейтроны. Примерные значения энергии для лазера предымпульсной ионизации оцениваются в 100-300 мДж для плотности УНТ 1022 1/см3, размера лазерного пятна 10-7 см2 и облучаемой длины 100 см.- 5 040189 entered into a nuclear fusion reaction with ionized tritium plasma almost at the density of a solid. Lasers 230 and 232 are different from the main laser 214 used to accelerate deuterons. The pulse of the main laser (which accelerates the deuterons) and the prepulse lasers (for CNT + tritium ionization) must be synchronized so that the deuteron beam lags behind the prepulse and ionization occurs immediately before the deuteron beam. In this timing scheme, the prepulse lasers 230 fire before the prepulse lasers 232. This approach provides a highly efficient way to convert deuterium-tritium into fast neutrons. Approximate energy values for a prepulse ionization laser are estimated at 100–300 mJ for a CNT density of 1022 1/ cm3 , a laser spot size of 10–7 cm2, and an irradiated length of 100 cm.
В альтернативном варианте осуществления также можно использовать одноцикловое ускорение лазером [ссылка 13; ссылка 14].In an alternative embodiment, one-cycle laser acceleration can also be used [Ref. 13; link 14].
В альтернативном варианте осуществления резервуар 210 газового источника нейтронов на фиг. 2A заменен на газообразный дейтерий.In an alternative embodiment, the neutron source gas reservoir 210 of FIG. 2A has been replaced with gaseous deuterium.
В альтернативном варианте осуществления твердая титан-тритиевая мишень 228 на фиг. 3B заменена на титан-дейтериевую мишень.In an alternative embodiment, the solid titanium tritium target 228 in FIG. 3B was replaced with a titanium-deuterium target.
В альтернативном варианте осуществления твердая титан-тритиевая мишень на фиг. 3B заменена титаном. Пучок 216 дейтронов взаимодействует с твердой титановой мишенью 228 и внедряется в ее решетку, последующие дейтроны в пучке 216 сталкиваются с уже внедренными дейтронами и вступают с ними в реакцию ядерного синтеза с образованием нейтронов 226.In an alternative embodiment, the solid titanium-tritium target of FIG. 3B has been replaced by titanium. The deuteron beam 216 interacts with the solid titanium target 228 and is introduced into its lattice, subsequent deuterons in the beam 216 collide with the already introduced deuterons and enter into a nuclear fusion reaction with them to form neutrons 226.
В примерных вариантах осуществления конструктивные параметры лазера, которые оцениваются из уровня техники [ссылка 15], включают интенсивность I=1017 Вт/см2; длина волны лазера = 1 мкм; длительность импульса = 5-10 фс; ширина пучка = 5-10 мкм. Лазер линейно поляризован. Дополнительно, толщина фольги 224 (см. фиг. 2B, 3B, 4A и 4B) предпочтительно получается в соответствии с уравнением 2.0 d = A<2q [ dx 2.0In exemplary embodiments, the implementation of the design parameters of the laser, which are estimated from the prior art [reference 15], include intensity I=10 17 W/cm 2 ; laser wavelength = 1 µm; pulse duration = 5-10 fs; beam width = 5-10 µm. The laser is linearly polarized. Additionally, the foil thickness 224 (see FIGS. 2B, 3B, 4A, and 4B) is preferably obtained according to equation 2.0 d = A<2q [ dx 2.0
J ne(x) где критическая плотность, ncr=π/(reλ2), ao .^(мкм/λ) , re=e2/(mec2), при I0=1,37x1018 Вт/см2, λ длина волны лазера [ссылка 16]. J n e ( x ) _ _ _ W/cm 2 , λ laser wavelength [reference 16].
Кроме того, в примерных вариантах осуществления конструктивные параметры ускоренного пучка дейтронов находятся в диапазоне 30-200 кэВ. Для этого диапазона частота кулоновских столкновений в 10 раз выше частоты слияний. В ходе одного кулоновского столкновения дейтрон теряет в среднем 4% своей энергии, т.е. энергия передается мишени, такой как тритиевая. Поэтому оптимальная энергия дейтрона составляет 200 кэВ, тогда как мы предполагали 10 кулоновских столкновений до того, как произойдет слияние. Сечение слияния D-T составляет максимум 8 барн, при 60 кэВ.In addition, in exemplary embodiments, the implementation of the design parameters of the accelerated deuteron beam are in the range of 30-200 keV. For this range, the frequency of Coulomb collisions is 10 times higher than the frequency of mergers. During one Coulomb collision, the deuteron loses on average 4% of its energy, i.e. energy is transferred to a target such as tritium. Therefore, the optimal deuteron energy is 200 keV, while we assumed 10 Coulomb collisions before the fusion occurs. The D-T fusion cross section is a maximum of 8 barn, at 60 keV.
Высокоэффективный лазер CAN с высокой частотой следования импульсов [ссылка 12] направляется комплектом оптики, см., например, зеркала 220 (фиг. 2A и 3A) на мишень 224 из нанометровой фольги (фиг. 2B, 3B, 4A и 4B). Частота следования интенсивных лазерных импульсов составляет 100 кГц, выдаваемых с высоким КПД 50%. Такой лазер ранее был предложен в качестве диагностической системы [см., например, ссылку 17]. Для подачи 1017 нейтронов в секунду ожидается типичная мощность 200 кВт. Такой поток нейтронов достаточен [см., например, ссылку 17] для приведения в действие трансмутатора на 10 МВт.A high-efficiency, high-frequency CAN laser [Ref. 12] is directed by an optics package, see for example, mirrors 220 (FIGS. 2A and 3A) onto a nanometer foil target 224 (FIGS. 2B, 3B, 4A, and 4B). The repetition rate of intense laser pulses is 100 kHz, issued with a high efficiency of 50%. Such a laser has previously been proposed as a diagnostic system [see, for example, reference 17]. For a supply of 10 17 neutrons per second, a typical power of 200 kW is expected. This neutron flux is sufficient [see, for example, ref. 17] to power a 10 MW transmuter.
КПД получаемых под действием лазера нейтронов показан в таблице.The efficiency of neutrons obtained under the action of a laser is shown in the table.
Для указанной толщины фольги и длины лазерного импульса показан КПД при преобразовании энергии лазера в энергию дейтронаFor the specified foil thickness and laser pulse length, the efficiency is shown for the conversion of laser energy into deuteron energy
Фиг. 5 иллюстрирует подробности лазерной системы 500 для трансмутатора. Рентгеновская сеть когерентного усиления (XCAN) 504 [ссылка 12; ссылка 19] на основе усиления чирпированногоFig. 5 illustrates the details of a laser system 500 for a transmuter. X-ray Coherent Enhancement Network (XCAN) 504 [ref. 12; ref 19] based on chirped gain
- 6 040189 импульса (CPA) [ссылка 18] будет обеспечивать высокоэнергетическую высокоимпульсную накачку для OPCPA 506 [ссылка 20] Импульс будет генерироваться XCAN-лазером, что делает возможным очень высокую частоту следования импульсов накачки, до 100 кГц. Фемтосекундные импульсы производятся фемтосекундным генератором 502, выдающим более миллиона импульсов в секунду. После генератора импульсы улавливаются с желаемой частотой до 100 кГц перед их растягиванием до нескольких наносекунд. После растягивания импульс усиливается в криогенной системе OPCPA до уровня десятков мегаджоулей. Усиленный чирпированный импульс затем сжимается обратно до его исходного значения <10 фс.- 6 040189 Pulse (CPA) [ref 18] will provide high energy high pulse pumping for the OPCPA 506 [ref 20] The pulse will be generated by an XCAN laser, allowing very high pumping rates, up to 100 kHz. The femtosecond pulses are produced by a femtosecond generator 502, delivering over a million pulses per second. After the generator, the pulses are captured at the desired frequency up to 100 kHz before being stretched to a few nanoseconds. After stretching, the pulse is amplified in the OPCPA cryogenic system to the level of tens of megajoules. The amplified chirped pulse is then compressed back to its original value of <10 fs.
Криогенная система OPCPA предпочтительно демонстрирует крайне высокую теплопроводность, сопоставимую с медью, что необходимо для отвода десятков киловатт тепловой нагрузки, производимой во время процесса оптического параметрического усиления. При спектральной ширине полосы, соответствующей импульсу менее 10 фс, импульс можно легко растянуть до примерно одной наносекунды и усилить путем оптического параметрического усиления до 10 мДж. В этом процессе импульс смешивается с обеспечиваемым системой CAN импульсом накачки с примерно нс длительностью и энергией >10 мДж.The cryogenic OPCPA system preferably exhibits extremely high thermal conductivity, comparable to copper, which is necessary to remove the tens of kilowatts of thermal load generated during the optical parametric amplification process. With a spectral bandwidth corresponding to a pulse less than 10 fs, the pulse can be easily stretched to about one nanosecond and amplified by optical parametric amplification up to 10 mJ. In this process, the pulse is mixed with a CAN-provided pump pulse of approximately ns duration and energy >10 mJ.
Лазер для трансмутации сочетает в себе четыре (4) лазерные технологии: CPA [ссылка 18], CAN [ссылка 12; ссылка 19], OPCPA [ссылка 20; ссылка 21] и криоохлаждаемые нелинейные кристаллы [ссылка 22]. Как показано на фиг. 5, в качестве альтернативы, CAN 504 можно заменить усилителем на тонком диске [ссылка 23]. Лазерная система для трансмутатора предпочтительно способна:The transmutation laser combines four (4) laser technologies: CPA [ref 18], CAN [ref 12; ref 19], OPCPA [ref 20; link 21] and cryocooled nonlinear crystals [link 22]. As shown in FIG. 5, as an alternative, the CAN 504 can be replaced by a thin disk amplifier [reference 23]. The laser system for the transmuter is preferably capable of:
а) выдавать пиковую мощность, соответствующую a0=0,5, или интенсивность примерно 5*1017 Вт/см2 с размером пятна, например, 5 мкм;a) output a peak power corresponding to a 0 =0.5, or an intensity of about 5*10 17 W/cm 2 with a spot size of, for example, 5 μm;
b) производить импульсы, например, <10 фс, 10 мДж, с очень высокой частотой следования импульсов в диапазоне 10-100 кГц или со средней мощностью, которая может достигать 100 кВт;b) produce pulses, eg <10 fs, 10 mJ, with very high pulse rates in the range of 10-100 kHz, or with an average power that can reach 100 kW;
Дополнительные признаки лазерной системы для трансмутатора включают:Additional features of the laser transmuter system include:
с) система OPCPA приспособлена для средней мощности. Для более эффективного охлаждения нелинейного кристалла с целью повышения его теплопроводности кристалл установлен на криогенно охлаждаемом теплоотводе. Как упомянуто ранее, при криогенной температуре теплопроводность кристалла при температуре жидкого азота или ниже нее резко возрастает, достигая значения теплопроводности меди [ссылка 22];c) the OPCPA system is adapted for medium power. For more efficient cooling of a nonlinear crystal in order to increase its thermal conductivity, the crystal is installed on a cryogenically cooled heat sink. As mentioned earlier, at cryogenic temperature, the thermal conductivity of a crystal at or below liquid nitrogen temperature increases dramatically, reaching the thermal conductivity of copper [reference 22];
d) система OPCPA [ссылка 20; ссылка 21] сделает возможной генерацию импульсов в режиме 10 фс. При накачке посредством CAN [ссылка 12; ссылка 19], когерентно-сетевой усилитель может быть использован для усиления первоначального импульса, например, до уровня 10 мДж при 10-100 кГц;d) OPCPA system [ref. 20; ref 21] will enable 10 fs pulse generation. When pumping via CAN [ref. 12; reference 19], a coherent network amplifier can be used to amplify the initial pulse, for example, to a level of 10 mJ at 10-100 kHz;
е) для применений, требующих, например, 100 кВт или более, N идентичных систем конфигурируются параллельно. Однако такие применения не требуют фазирования лазеров;e) for applications requiring, for example, 100 kW or more, N identical systems are configured in parallel. However, such applications do not require laser phasing;
f) в качестве альтернативы системе CAN, накачку усилителя можно заменить лазерной системой на тонком диске [ссылка 23].f) As an alternative to the CAN system, amplifier pumping can be replaced by a thin disk laser system [Ref. 23].
Фиг. 6 показывает систему 600 работы лазера в целях спектроскопии, активного мониторинга и разделения продуктов деления. Компонент A представляет собой лазер CAN (соответственно, в виде пучков); компонент B представляет собой модулятор/контроллер лазера CAN (управление свойствами лазера, такими как уровень мощности, форма амплитуды, периоды и фазы, относительные операции, направление и т.д.); компонент C - это лазерные лучи, облучающие раствор и растворители в центральном резервуаре (см. компонент K) как для мониторинга, так и для разделения (или управления химическим составом растворителей); компонент D представляет собой раствор, который содержит растворители, включая ионы трансурановых элементов (таких как Am, Cm, Np), которые подлежат разделению и трансмутации с помощью трансмутатора E [ссылка 5] (выделяющие получаемые при ядерном синтезе высокоэнергетические нейтроны); компонент F представляет собой воду, которая останавливает нейтроны как из источника ядерного синтеза, т.е. трансмутатора E, так и из продуктов деления; компонент G представляет собой осадок, который необходимо извлечь из отложений на дне центрального резервуара (в качестве примера разделения с помощью лазерной химии в центральном резервуаре, где содержится раствор); компонент H представляет собой ненужные осажденные элементы, которые не должны подвергаться трансмутации в это время в данном конкретном резервуаре и должны быть перемещены в другой резервуар, где они снова будут находиться в аналогичном этому растворе, подлежащем дальнейшему разделению и трансмутации; компонент I представляет собой цепь обратной связи с искусственной нейронной сетью (ИНС) и компьютер, который регистрирует и контролирует сигнал отслеживаемой информации, такой как спектр продуктов деления (ПД); компонент J представляет собой детектор передаваемых сигналов лазера CAN (амплитуд, фаз и частот, а также отклонений и т.д.); компонент K представляет собой тонкую первую стенку центрального резервуара, которая позволяет почти свободно пропускать энергетические нейтроны, генерируемые в результате слияния или деления в центральном резервуаре, а компонент L представляет собой внешний резервуар с достаточно толстой стенкой, который содержит все материалы и нейтроны. Как центральный резервуар K, так и внешний резервуар L оборудованы подходящими мониторами температуры, давления и некоторойFig. 6 shows a laser operation system 600 for spectroscopy, active monitoring, and fission product separation. Component A is a CAN laser (respectively, in the form of beams); component B is a CAN laser modulator/controller (controlling laser properties such as power level, amplitude shape, periods and phases, relative operations, direction, etc.); component C are laser beams irradiating the solution and solvents in the central tank (see component K) for both monitoring and separation (or control of the chemical composition of solvents); component D is a solution that contains solvents, including ions of transuranic elements (such as Am, Cm, Np), which are subject to separation and transmutation using a transmutator E [reference 5] (releasing high-energy neutrons produced by nuclear fusion); component F is water, which stops neutrons from both the source of nuclear fusion, i.e. transmutator E, and from fission products; the G component is the sediment to be removed from the deposits at the bottom of the central tank (as an example of laser chemistry separation in the center tank containing the solution); component H is the unwanted precipitated elements that should not be transmuted at this time in this particular reservoir and should be transferred to another reservoir, where they will again be in a solution similar to this, subject to further separation and transmutation; component I is an artificial neural network (ANN) feedback loop and a computer that captures and monitors the tracked information signal, such as the fission product (FP) spectrum; component J is a detector of transmitted CAN laser signals (amplitudes, phases and frequencies, as well as deviations, etc.); the K component is the thin first wall of the central reservoir, which allows almost free passage of energetic neutrons generated by fusion or fission in the central reservoir, and the L component is an outer reservoir with a sufficiently thick wall that contains all materials and neutrons. Both the central tank K and the outer tank L are equipped with suitable monitors for temperature, pressure and some
- 7 040189 дополнительной физической и химической информации в дополнение к мониторингу лазером CAN для контроля и подачи сигналов тревоги о состоянии трансмутатора, для удержания резервуаров от выхода за пределы (например, случаев разгона) с помощью подходящих средств защиты, таких как работающие в режиме реального времени клапаны, электрические переключатели и т.д. Компонент Q представляет собой теплообменник, а компонент M преобразует тепло в электричество.- 7 040189 additional physical and chemical information in addition to CAN laser monitoring to monitor and alarm transmuter status, to keep tanks from going out of limits (e.g. runaway events) with suitable safeguards such as real time valves, electrical switches, etc. The Q component is a heat exchanger and the M component converts heat into electricity.
После начала эксплуатации нагретый раствор и воду в центральном и внешнем резервуарах K и L можно поддерживать в их состоянии с помощью двигателей (или, возможно, подходящих каналов внутри резервуаров или их эквивалентов), по желанию, а избыточное тепло отводят и преобразуют в электрическую (или химическую) энергию компонентом M.Once in service, the heated solution and water in the central and outer tanks K and L can be maintained in their condition by motors (or possibly suitable ducts within the tanks or their equivalents) as desired, and the excess heat removed and converted to electrical (or chemical) energy by the component M.
Обращаясь к фиг. 8, в системе 800 компонент P представляет собой трубу (и ее клапан, который регулирует поток между резервуарами), соединяющую разнесенные резервуар сепаратора и резервуар трансмутатора. Компонент O представляет собой область растворения вводимых в резервуар трансмутатора разделенных НА. Остаточные продукты деления, остающиеся в компоненте D, выводят по трубному компоненту R в компонент S - резервуар для хранения.Referring to FIG. 8, in system 800, component P is a pipe (and its valve that controls flow between tanks) connecting the separated separator tank and transmuter tank. The O component represents the region of dissolution of the separated HAs introduced into the transmutator tank. Residual fission products remaining in the D component are removed through the pipe component R to the S component - a storage tank.
Обращаясь к фиг. 7, в системе 700 центральный резервуар K содержит раствор D трансурановых элементов, которые были извлечены из исходного отработанного топлива, которое было сжижено с подходящими растворами (такими как кислоты). На этой стадии процесса мы предполагаем, что U и Pu уже были извлечены из раствора D известными способами (такими как PUREX, т.е. извлечение урана и плутония посредством экстракции). Таким образом, раствор D может включать другие элементы, такие как продукты деления (ПД, такие как Cs, Sr, I, Zr, Tc и т.д.). Эти элементы могут быть склонны поглощать нейтроны, но не обязательно размножать нейтроны, как это склонны делать трансурановые элементы. Таким образом, ПД необходимо удалить из раствора D в центральном резервуаре K путем химических реакций и лазерной химии и т.д. с помощью лазера CAN A и других химических средств. Если эти элементы осаждаются под действием добавленного химиката и/или химического возбуждения и т.д. от лазера CAN, осажденные компоненты химикатов можно удалить из этого центрального резервуара K в другой резервуар для обработки таких элементов, как продукты деления и т.д.Referring to FIG. 7, in system 700, the central reservoir K contains a solution D of transuranic elements that have been recovered from the original spent fuel that has been liquefied with suitable solutions (such as acids). At this stage of the process, we assume that U and Pu have already been extracted from solution D by known methods (such as PUREX, i.e. extraction of uranium and plutonium by extraction). Thus solution D may include other elements such as fission products (PDs such as Cs, Sr, I, Zr, Tc, etc.). These elements may be prone to absorb neutrons, but not necessarily multiply neutrons, as the transuranium elements tend to be. Thus, PD needs to be removed from the solution D in the central tank K by chemical reactions and laser chemistry, etc. using CAN A laser and other chemical means. If these elements are deposited under the action of an added chemical and/or chemical excitation, etc. from the CAN laser, the deposited chemical components can be removed from this central tank K to another tank for processing elements such as fission products, etc.
По завершении процесса разделения трансурановые элементы (ТРЭ, в основном Am, Cm, Np) облучают нейтронами из трансмутатора E. Эти трансурановые элементы могут иметь различные изотопы, но все из них являются радиоактивными изотопами, поскольку они находятся за ураном по их атомному номеру. Либо нейтроны из трансмутатора E, либо нейтроны, полученные в результате деления трансурановых элементов, будут вносить вклад в трансмутацию трансурановых элементов, если нейтроны поглощаются этими ядрами.Upon completion of the separation process, the transuranium elements (TEE, mainly Am, Cm, Np) are irradiated with neutrons from the transmutator E. These transuranium elements can have various isotopes, but all of them are radioactive isotopes, since they are behind uranium in their atomic number. Either neutrons from transmutator E or neutrons produced from the fission of transuranium elements will contribute to the transmutation of transuranium elements if the neutrons are absorbed by these nuclei.
Обращаясь к фиг. 8, система 800 трансмутатора и лазерного монитора и сепаратора включает в себя два отдельных резервуара, разносящих процессы разделения и трансмутации по двум различным резервуарам. Например, сепаратор (с прикрепленным лазерным монитором) находится справа, тогда как трансмутатор - слева. Эти две системы соединены передаточной трубой и клапаном, компонент P, который используется для передачи осажденных (или разделенных) трансурановых элементов (НА) из резервуара сепаратора справа в резервуар трансмутатора слева. Новый жидкий носитель (компонент O) предпочтительно содержит только (или содержит главным образом) ТРЭ, но уже не продукты деления, которые были отделены в резервуаре сепаратора справа. Разделение выполняют либо традиционным химическим способом, либо с помощью лазера (на основе лазера CAN), который служит для возбуждения (например) атомных электронов НА в целях химического разделения. В центральном резервуаре D слева имеется главным образом (или только) раствор НА. Элементы, оставшиеся вне жидкости, содержат в основном ПД, которые транспортируются по трубе (компонент R) в резервуар для хранения (компонент S). Такие ПД могут быть вместе помещены в отвержденные материалы для последующего захоронения [ссылки 22 и 23].Referring to FIG. 8, the transmuter and laser monitor and separator system 800 includes two separate tanks separating the separation and transmutation processes into two different tanks. For example, the separator (with attached laser monitor) is on the right, while the transmuter is on the left. The two systems are connected by a transfer pipe and valve, component P, which is used to transfer the precipitated (or separated) transuranium elements (TA) from the separator tank on the right to the transmuter tank on the left. The new carrier liquid (component O) preferably contains only (or contains mainly) HRE, but no longer the fission products that have been separated in the separator vessel on the right. Separation is performed either by conventional chemical means or by a laser (based on the CAN laser) which serves to excite (for example) the atomic electrons of the HA for chemical separation. The central tank D on the left contains mainly (or only) the HA solution. The elements left out of the liquid contain mainly DP, which are transported through a pipe (component R) to a storage tank (component S). Such PDs can be placed together in cured materials for subsequent disposal [Refs 22 and 23].
Когда происходит деление при захвате нейтронов трансурановыми элементами, от ядерного деления обычно ожидают высокоэнергетического выхода (такого как в диапазоне 200 МэВ на деление). С другой стороны, энергия нейтронов ядерного синтеза не превышает 15 МэВ. Как нейтроны ядерного синтеза, так и события деления в центральном резервуаре выделяют тепло в резервуаре. Раствор примешивает это тепло, как правило, за счет конвекционных потоков (либо самих по себе, либо, по необходимости, с помощью приводимого извне двигателя). Переносчик и экстрактор извлеченного тепла, т.е. компонент M, отводит сгенерированное в центральном резервуаре тепло и преобразует его в электрическую энергию. Эти процессы необходимо контролировать как физически (например, температуру, давление раствора в резервуаре), так и химически (например, химические состояния различных молекул, атомов и ионов в растворе посредством мониторинга лазером CAN) в режиме реального времени в целях мониторинга и управления для обратной связи по параметрам резервуара путем управления клапанами и другими регуляторами, а также функционированием CAN.When fission occurs by neutron capture by transuranium elements, a high energy output (such as in the range of 200 MeV per fission) is typically expected from nuclear fission. On the other hand, the energy of nuclear fusion neutrons does not exceed 15 MeV. Both fusion neutrons and fission events in the central reservoir generate heat in the reservoir. The solution mixes this heat, as a rule, due to convection currents (either by itself or, if necessary, with the help of an externally driven engine). The carrier and extractor of the extracted heat, i.e. component M, removes the heat generated in the central reservoir and converts it into electrical energy. These processes need to be controlled both physically (e.g. temperature, pressure of the solution in the tank) and chemically (e.g. the chemical states of various molecules, atoms and ions in the solution through CAN laser monitoring) in real time for monitoring and feedback control purposes. according to the parameters of the tank by controlling valves and other controls, as well as the operation of the CAN.
Типичный ядерный реактор производит следующие ядерные отходы отработанного топлива [ссылки 22 и 23] на 1 т урана, который генерирует мощность 50 ГВт в день. В ходе этой операции ядерные отходы составляют: примерно 2,5 кг трансурановых элементов (Np, Am, Cm) и примерно 50 кг продуктов деления. Количество 2,5 кг НА (низших актиноидов, т.е. трансурановых элементов)A typical nuclear reactor produces the following spent fuel nuclear waste [refs 22 and 23] per 1 ton of uranium, which generates a power of 50 GW per day. During this operation, nuclear waste is: approximately 2.5 kg of transuranium elements (Np, Am, Cm) and approximately 50 kg of fission products. Quantity 2.5 kg of NA (lower actinides, i.e. transuranium elements)
- 8 040189 составляет примерно 100 моль, или приблизительно 6*1025 атомов НА. Это количество соответствует примерно 7х1020 атомов НА в секунду, приблизительно 1021 атомов НА в 1 с. Это преобразуется в мощность лазера примерно 1 кВт, если требуется поглощение одного фотона (эВ) каждым атомом НА на возбуждение лазером каждого атома. Примем η как КПД возбуждения атома НА одним фотоном лазера. Тогда мощность P лазера, поглощаемая всеми атомами НА вышеуказанного количества в секунду, будет составлять- 8 040189 is approximately 100 mol, or approximately 6*10 25 HA atoms. This amount corresponds to approximately 7x10 20 HA atoms per second, approximately 10 21 HA atoms per second. This translates into a laser power of approximately 1 kW if one photon (eV) is required to be absorbed by each HA atom to excite each atom by the laser. Let us take η as the efficiency of excitation of an ND atom by a single laser photon. Then the laser power P, absorbed by all HA atoms of the above amount per second, will be
P ~ (1/η) кВт.P ~ (1/η) kW.
Если η ~ 0,01, то P составляет примерно 100 кВт. Это количество не мало. С другой стороны, если позаимствовать эффективную технологию лазера CAN с большой плотностью потока [ссылка 12], это будет в пределах досягаемости технологий. При типичных химических воздействиях мы предполагаем, что лазер может либо быть близким к непрерывному излучению, либо иметь очень длительный импульс, так что КПД волоконного лазера и его плотность потока будут максимальными. Для соблюдения надлежащих резонансов или конкретных частот, частоты волоконного лазера необходимо настраивать (наиболее вероятно, перед эксплуатацией) на конкретные значения.If η ~ 0.01, then P is approximately 100 kW. This number is not small. On the other hand, if one borrows efficient CAN laser technology with high flux density [Ref. 12], it will be within the reach of technologies. Under typical chemical exposures, we assume that the laser can either be close to continuous emission or have a very long pulse, so that the efficiency of the fiber laser and its flux density will be maximum. To maintain proper resonances or specific frequencies, the fiber laser's frequencies need to be tuned (most likely before use) to specific values.
В качестве дополнительных примерных вариантов осуществления высокоэффективный способ генерации нейтронов применим для полей и процессов, требующих нейтронов с энергией до 14 МэВ, таких как, например, медицинские применения при лечении рака, такие как, например, бор-нейтронзахватная терапия (БНЗТ) и генерация радиоизотопов, испытания на конструкционную целостность зданий, мостов и т.д., материаловедение и испытание микросхем, каротаж нефтяных скважин и т.п.As additional exemplary embodiments, the highly efficient neutron generation method is applicable to fields and processes requiring neutrons up to 14 MeV, such as, for example, medical applications in cancer treatment, such as, for example, boron neutron capture therapy (BNCT) and radioisotope generation. , structural integrity testing of buildings, bridges, etc., materials science and microchip testing, oil well logging, etc.
Представлено два дополнительных варианта осуществления: (1) первый вариант осуществления, направленный на двухрезервуарную стратегию для снижения общей стоимости нейтронов, когда резервуар 1 находится при критическом режиме, а резервуар 2 - при подкритическом, и (2) второй вариант осуществления, направленный на более экологичный трансмутатор с отрицательным показателем высвобождения углерода за счет производства синтетического топлива путем химической конверсии CO2, тогда как тепло для протекания реакции генерируется за счет деления.Two additional embodiments are presented: (1) a first embodiment aimed at a two-tank strategy to reduce the overall cost of neutrons when tank 1 is in critical mode and tank 2 is in sub-critical mode, and (2) a second embodiment is aimed at a more environmentally friendly a carbon negative transmuter through the production of synthetic fuels by chemical conversion of CO 2 , while the heat for the reaction is generated by fission.
В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 9, трансмутатор 900 содержит два соединенных между собой комплекта резервуаров, называемых резервуаром 1 и резервуаром 2. Резервуары 1 и 2, которые по существу аналогичны резервуарам, изображенным на фиг. 2A и 3A, могут включать в себя резервуар, содержащий подвергаемые трансмутации материалы, и расположенный в нем резервуар источника нейтронов, и, как изображено на фиг. 1A и 1B, эти резервуары могут быть окружены дополнительными концентрическими резервуарами. Резервуар 1 предпочтительно содержит смесь Pu и низших актиноидов (НА), включая нептуний, америций и кюрий (Np, Am, Cm), тогда как резервуар 2 содержит смесь только низших актиноидов (НА). Резервуар 1 находится при критическом режиме (Кл = 1), а значит, резервуар 1 не требует внешних нейтронов. Кроме того, резервуар 1 снабжается топливом с использованием отработанного ядерного топлива (Pu и НА) после химического удаления продуктов деления. В резервуаре 1 используют быстрые нейтроны (нейтроны ядерного синтеза в дополнение к незамедленным нейтронам деления с энергией >1 МэВ) для трансмутации низших актиноидов (НА) и плутония (Pu) при повышенной концентрации кюрия (Cm). В качестве альтернативы, в резервуар 1 может быть инжектировано небольшое количество нейтронов для запуска сжигания Pu.In the exemplary embodiment depicted in FIG. 9, transmuter 900 includes two interconnected sets of tanks, called tank 1 and tank 2. Tanks 1 and 2, which are essentially the same as the tanks shown in FIG. 2A and 3A may include a reservoir containing materials to be transmuted and a neutron source reservoir disposed therein, and as shown in FIG. 1A and 1B, these reservoirs may be surrounded by additional concentric reservoirs. Tank 1 preferably contains a mixture of Pu and lower actinides (HA), including neptunium, americium and curium (Np, Am, Cm), while tank 2 contains a mixture of only lower actinides (HA). Tank 1 is in critical mode (C = 1), which means that tank 1 does not require external neutrons. In addition, tank 1 is fueled using spent nuclear fuel (Pu and HA) after the chemical removal of fission products. Tank 1 uses fast neutrons (fusion neutrons in addition to >1 MeV prompt fission neutrons) to transmute lower actinides (HA) and plutonium (Pu) at elevated concentrations of curium (Cm). Alternatively, a small amount of neutrons can be injected into tank 1 to start burning Pu.
Низшие актиноиды (НА) в резервуаре 1, теперь с более высокой концентрацией кюрия (Cm), могут быть отделены и поданы в резервуар 2. Подсоединенный резервуар 2 работает параллельно, сжигая низшие актиноиды (НА) с повышенной концентрацией кюрия (Cm) в подкритическом (Кл < 1) режиме работы, как описано выше. Этот процесс обеспечивает путь безопасного и плавного сжигания всего трансуранового отработанного ядерного топлива (а не только НА) при снижении количества требуемых для этого нейтронов примерно в 100 раз.The lower actinides (HA) in tank 1, now with a higher concentration of curium (Cm), can be separated and fed into tank 2. The connected tank 2 works in parallel, burning lower actinides (HA) with an increased concentration of curium (Cm) in the subcritical ( Cl < 1) operating mode as described above. This process provides a safe and smooth way to burn all transuranic spent nuclear fuel (not just SA) while reducing the number of neutrons required for this by about 100 times.
В дополнительном варианте осуществления резервуар 1 и резервуар 2 подвергают мониторингу в режиме реального времени с помощью лазера и гамма-излучения. Широкополосный или сканирующий лазер используют для мониторинга элементного состава в резервуаре 1 и резервуаре 2 с использованием индуцированной лазером флуоресценции и рассеяния. Гамма-мониторинг может быть либо активным, либо пассивным. В пассивном гамма-мониторинге используется гамма-излучение, генерируемое при ядерном распаде или переходе. Активный гамма-мониторинг использует внешний пучок гаммаизлучения с энергией выше нескольких МэВ и основан на ядерно-резонансной флуоресценции. Как активный, так и пассивный мониторинг обеспечивает информацию об изотопном составе топлива трансмутатора. Информацию, полученную в результате лазерного и гамма-мониторинга, собирают и направляют в компьютер, содержащий логический блок, выполненный с возможностью предсказания и/или регулирования будущих состояний трансмутатора путем регулировки пополнения топливом резервуара 1 или регулировки концентрации НА в резервуаре 2. Для обеспечения возможности подробного лазерного и гамма-мониторинга топливо в резервуаре 1 и в резервуаре 2 растворяют в солевом расплаве, обеспечивающем возможность распространения света. Мониторинг в режиме реального времени является неотъемлемой частью обеспечения общей активной безопасности и эффективности трансмутатора, тогда как подробные сведения о составе трансмутатора позволятIn an additional embodiment, tank 1 and tank 2 are monitored in real time using a laser and gamma radiation. A broadband or scanning laser is used to monitor the elemental composition in tank 1 and tank 2 using laser-induced fluorescence and scattering. Gamma monitoring can be either active or passive. Passive gamma monitoring uses gamma radiation generated by nuclear decay or transition. Active gamma monitoring uses an external beam of gamma radiation with energies above a few MeV and is based on nuclear resonance fluorescence. Both active and passive monitoring provide information on the isotopic composition of the transmuter fuel. Information resulting from laser and gamma monitoring is collected and sent to a computer containing a logic block configured to predict and/or regulate future states of the transmuter by adjusting the replenishment of tank 1 with fuel or adjusting the concentration of HA in tank 2. To enable detailed For laser and gamma monitoring, the fuel in tank 1 and tank 2 is dissolved in a salt melt, which allows light to propagate. Real-time monitoring is an integral part of ensuring the overall active safety and efficiency of the transmuter, while detailed information about the composition of the transmuter will allow
- 9 040189 определить положение регулирующих стержней, пополнение топлива и извлечение продуктов деления. Пассивные признаки включают солевой расплав, расширяющийся с повышением температуры, что приводит к отключению трансмутатора; приемный резервуар отделен от трансмутатора застывшей пробкой, тогда как любой аномальный всплеск температуры приведет к расплавлению пробки и вытеканию под действием силы тяжести всего содержимого трансмутатора в приемный резервуар, состоящий из поглотителей нейтронов.- 9 040189 determine the position of the control rods, the replenishment of fuel and the extraction of fission products. Passive signs include a molten salt expanding with increasing temperature, causing the transmuter to shut down; the receiving reservoir is separated from the transmutator by a solidified plug, while any anomalous temperature spike will cause the plug to melt and the entire contents of the transmuter to flow out under gravity into the receiving reservoir, which is composed of neutron absorbers.
В другом варианте осуществления стенки резервуара 1 и резервуара 2 изготовлены из материалов на основе углерода, например, алмаза. Для защиты стенок от химической эрозии и коррозии, соли, прилегающей к стенке (обращенной к расплавленной соли), позволяют затвердеть, предотвращая непосредственный контакт расплавленной соли со стенками.In another embodiment, the walls of tank 1 and tank 2 are made of carbon based materials such as diamond. To protect the walls from chemical erosion and corrosion, the salt adjacent to the wall (facing the molten salt) is allowed to solidify, preventing the molten salt from coming into direct contact with the walls.
В дополнительном варианте осуществления описанные выше варианты трансмутатора можно применить в способах и процессах восстановления диоксида углерода, таких как предполагающие его использование в качестве теплоносителя и генерацию из него синтетического топлива, чтобы иметь полностью отрицательный показатель высвобождения углерода. В следующем примерном варианте осуществления синтетическое топливо (CH4 - метан) может быть сгенерировано по реакции СО2 + 4Н2-»СН4 + 2Н2О (реакции Сабатье), для которой требуется 200-400°C и присутствие катализатора, например Ni, Cu, Ru. CO2 можно извлекать из атмосферы, океана или получать путем непосредственного улавливания CO2 в источнике выброса, таком как автомобили, здания, вытяжные и дымовые трубы. Диапазон рабочих температур трансмутатора с солевым расплавом составляет 250-1200°C, а следовательно, он идеально подходит для непрерывного обеспечения необходимой температуры, требуемой для протекания реакции Сабатье с получением метана, и для обеспечения эффективного пути стабилизации и снижения концентрации CO2 в атмосфере и океане.In a further embodiment, the transmutator embodiments described above can be applied to carbon dioxide reduction methods and processes, such as those involving its use as a coolant and the generation of synthetic fuel from it, to have an entirely negative carbon release rate. In the following exemplary embodiment, synthetic fuel (CH 4 - methane) can be generated by the reaction of CO 2 + 4H 2 -> CH 4 + 2H 2 O (Sabatier reaction), which requires 200-400 ° C and the presence of a catalyst, for example Ni , Cu, Ru. CO 2 can be extracted from the atmosphere, the ocean, or obtained by directly capturing CO2 at an emitter such as cars, buildings, chimneys and chimneys. The operating temperature range of the molten salt transmuter is 250-1200°C, and therefore it is ideal for continuously providing the necessary temperature required for the Sabatier reaction to produce methane, and for providing an efficient way to stabilize and reduce CO2 concentrations in the atmosphere and ocean.
Обращаясь к фиг. 10, показан частичный вид системы 1000 генерации синтетического топлива, включающей в себя сосуд 1005 трансмутатора, трубопровод 1001 вторичного контура, направление 1002 течения солевого расплава + ТРЭ, теплообменник 1003 и резервуар 1004 для реакции Сабатье. В этом примерном варианте осуществления теплопередающей средой в трубе теплообменника является CO2, который используется непосредственно в резервуаре 1004. В альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг. 11, теплообменная труба теплообменника 2003 системы 2000 генерации синтетического топлива представляет собой замкнутую и независимую систему, а теплопередающая среда может быть заменена расплавленной солью. Показано, что система 2000 генерации синтетического топлива включают в себя сосуд 2005 трансмутатора, трубопровод 2001 вторичного контура, направление 2002 течения солевого расплава + ТРЭ, теплообменник 2003 и резервуар 2004 для реакции Сабатье.Referring to FIG. 10, a partial view of a synthetic fuel generation system 1000 is shown, including a transmutator vessel 1005, a secondary circuit piping 1001, a molten salt + HRE flow path 1002, a heat exchanger 1003, and a Sabatier reaction tank 1004. In this exemplary embodiment, the heat transfer medium in the heat exchanger tube is CO2, which is used directly in reservoir 1004. In the alternative embodiment shown in FIG. 11, the heat exchange tube of the heat exchanger 2003 of the synthetic fuel generation system 2000 is a closed and independent system, and the heat transfer medium can be replaced by molten salt. Synthetic fuel generation system 2000 is shown to include a transmutator vessel 2005, a secondary loop 2001, a molten salt + HRE flow path 2002, a heat exchanger 2003, and a Sabatier reaction tank 2004.
В дополнительном альтернативном варианте осуществления фиг. 12 показывает частичный вид системы 3000 генерации синтетического топлива, имеющей трансмутатор 3005, теплообменник 3001, направление 3002 течения теплопередающей среды и резервуар 3003 для реакции Сабатье. В этом примерном варианте осуществления реагент CO2 из реакции Сабатье является теплопередающей средой. В альтернативном варианте осуществления, представленном на фиг. 13, контур 4001 теплообменника системы 4000 генерации синтетического топлива показан как замкнутый и независимый контур с теплопередающей средой, представляющей собой, например, расплавленную соль. Показана система 4000 генерации синтетического топлива, включающая в себя трансмутатор 4005, теплообменник 4001, направление 4002 течения теплопередающей среды и резервуар 4003 для реакции Сабатье.In a further alternative embodiment of FIG. 12 shows a partial view of a synthetic fuel generation system 3000 having a transmutator 3005, a heat exchanger 3001, a heat transfer medium flow path 3002, and a Sabatier reaction reservoir 3003. In this exemplary embodiment, the reactant CO2 from the Sabatier reaction is the heat transfer medium. In an alternative embodiment shown in FIG. 13, the heat exchanger circuit 4001 of the synthetic fuel generation system 4000 is shown as a closed and independent circuit with a heat transfer medium such as molten salt. A synthetic fuel generation system 4000 is shown including a transmutator 4005, a heat exchanger 4001, a heat transfer medium flow path 4002, and a Sabatier reaction reservoir 4003.
В дополнительном варианте осуществления ионизирующее излучение, возникающее внутри трансмутатора и переносимое солевым расплавом, используют в качестве источника энергии 1-10 эВ для обеспечения проведения различных химических реакций. Источник энергии 1-10 эВ, например, обеспечивает возможность получения аммиака и конверсии CO2 + CH4 ^ CH3COOH.In a further embodiment, ionizing radiation generated within the transmutator and carried by the salt melt is used as an energy source of 1-10 eV to drive various chemical reactions. An energy source of 1-10 eV, for example, makes it possible to produce ammonia and convert CO 2 + CH 4 ^ CH3COOH.
Цепь обработки для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия может включать в себя один или более компьютеров, процессоров, микропроцессоров, контроллеров и/или микроконтроллеров, каждый из которых может представлять собой дискретную микросхему или распределен среди (и части) некоторого числа различных микросхем. Цепь обработки для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия может включать в себя процессор цифровых сигналов (ПЦС), который может быть воплощен в аппаратурных средствах и/или программном обеспечении цепи обработки данных для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия. В некоторых вариантах осуществления ПЦС представляет собой дискретную полупроводниковую микросхему. Цепь обработки для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия может быть соединена с возможностью связи с другими компонентами по приведенным здесь фигурам. Цепь обработки для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия может исполнять хранящиеся в памяти команды программного обеспечения, которые заставляют цепь обработки выполнять множество различных действий и регулировать другие компоненты, представленные на приведенных здесь фигурах.The processing chain for use with embodiments of the present disclosure may include one or more computers, processors, microprocessors, controllers, and/or microcontrollers, each of which may be a discrete chip or distributed among (and part of) a number of different chips. The processing chain for use with embodiments of the present disclosure may include a digital signal processor (DSP), which may be embodied in hardware and/or software of the data processing chain for use with embodiments of the present disclosure. In some embodiments, the implementation of the DSP is a discrete semiconductor chip. A processing circuit for use with embodiments of the present disclosure may be communicatively coupled to other components as shown herein. The processing chain for use with embodiments of the present disclosure may execute stored software instructions that cause the processing chain to perform many different actions and adjust other components shown in the figures herein.
Цепь обработки для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия также может выполнять и другие алгоритмы программного и/или аппаратного обеспечения. Например, цепьThe processing chain for use with embodiments of the present disclosure may also execute other software and/or hardware algorithms. For example, a chain
- 10 040189 обработки для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия может взаимодействовать с цепью связи и выполнять аналогово-цифровые преобразования, кодирование и декодирование, другую обработку цифровых сигналов и другие функции, способствующие преобразованию голосовых, видео- и информационных сигналов в формат (например, синфазный и квадратурный), подходящий для подачи на цепь связи, и могут заставлять цепь связи передавать РЧсигналы беспроводным образом по каналам связи.- 10 040189 processing for use with embodiments of the present disclosure may interact with the communication circuit and perform analog-to-digital conversions, encoding and decoding, other digital signal processing, and other functions that help convert voice, video, and information signals to a format (for example, common-mode and quadrature) suitable for feeding into the communication circuit and can cause the communication circuit to transmit RF signals wirelessly over the communication channels.
Цепь связи для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия может быть воплощена в виде одной или более микросхем и/или компонентов (например, передатчика, приемника, приемопередатчика и/или другой цепи связи), которые выполняют беспроводную связь по каналам связи согласно подходящему протоколу (например, Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth с низким энергопотреблением, ближняя бесконтактная связь (NFC), радиочастотная идентификация (РЧИД), проприетарные протоколы и другие. Вместе со цепью связи может быть включена одна или более антенн, при необходимости, для функционирования с различными протоколами и схемами. В некоторых вариантах осуществления цепь связи для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия может содержать антенну для передачи сигналов по каналам связи. Цепь обработки для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия также может взаимодействовать с цепью связи для выполнения обратных функций, необходимых для приема беспроводной передачи и преобразования ее в цифровые данные, голос и видео. Цепь РЧ связи может включать в себя передатчик и приемник (например, объединенные в виде приемопередатчика) и связанную логику кодера. Считывающее устройство также может включать в себя цепь связи и интерфейсы для проводной связи (например, USB-порт и т.д.), а также цепь для определения географического положения считывающего устройства (например, аппаратное обеспечение глобальной системы позиционирования (GPS)).A communication circuit for use with embodiments of the present disclosure may be embodied in one or more chips and/or components (e.g., a transmitter, receiver, transceiver, and/or other communication circuit) that perform wireless communication over communication channels according to a suitable protocol (e.g., , Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Near Field Communication (NFC), Radio Frequency Identification (RFID), proprietary protocols, etc. One or more antennas can be included along with the communication circuit, as needed to function with different protocols and circuits.In some embodiments, the communication circuit for use with embodiments of the present disclosure may comprise an antenna for transmitting signals over communication channels.The processing circuit for use with embodiments of the present disclosure may also interact with the communication circuit to perform the inverse functions necessary to receive wireless P transmitting and converting it into digital data, voice and video. The RF communication chain may include a transmitter and receiver (eg, combined as a transceiver) and associated encoder logic. The reader may also include a communication circuit and interfaces for wired communication (eg, a USB port, etc.), as well as a circuit for determining the geographic location of the reader (eg, global positioning system (GPS) hardware).
Цепь обработки для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия также может быть выполнена с возможностью исполнения операционной системы и любых программных приложений, которые находятся на считывающем устройстве, обработки видео и графики, а также выполнения других функций, которые не связаны с обработкой передаваемых и принимаемых сообщений. Любое число приложений (также известных как приложения пользовательского интерфейса) могут исполняться цепью обработки на специализированном или относящемся к мобильному телефону считывающем устройстве в любое время, и может включать в себя одно или более приложений, связанных с режимом мониторинга диабета, в дополнение к другим обычно используемым приложениям, например, приложениям для смартфонов, которые не связаны с таким режимом, например, электронная почта, календарь, погода, спорт, игры и т.д.The processing chain for use with embodiments of the present disclosure may also be configured to execute the operating system and any software applications that reside on the reader, process video and graphics, and perform other functions that are not related to processing transmitted and received messages. Any number of applications (also known as user interface applications) may be executed by the processing chain on a dedicated or mobile phone related reader at any time, and may include one or more applications associated with a diabetes monitoring mode, in addition to others commonly used. applications such as smartphone applications that are not associated with this mode, such as email, calendar, weather, sports, games, etc.
Память для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия может совместно использоваться одним или более различными функциональными блоками, имеющимися в считывающем устройстве, или может быть распределена по двум или более из них (например, в виде отдельных блоков памяти, имеющихся в различных микросхемах). Память также может представлять собой отдельную микросхему сама по себе. Память может быть невременной и может быть энергозависимой (например, ОЗУ или RAM, и т.д.) и/или энергонезависимой памятью (например, ПЗУ или ROM, флеш-память, FRAM и т.д.).The memory for use with embodiments of the present disclosure may be shared by one or more different functional blocks present in the reader, or may be distributed across two or more of them (eg, as separate memory blocks present on different chips). The memory may also be a separate chip on its own. The memory may be non-temporal and may be volatile (eg, RAM or RAM, etc.) and/or non-volatile memory (eg, ROM or ROM, flash memory, FRAM, etc.).
Команды компьютерной программы для осуществления операций в соответствии с описанным объектом изобретения могут быть записаны на любом сочетании одного или более языков программирования, включая объектно-ориентированный язык программирования, такой как Java, JavaScript, Smalltalk, C++, C#, Transact-SQL, XML, PHP и т.п., а также традиционные процедурные языки программирования, такие как язык программирования C или сходные языки программирования. Программные команды могут полностью исполняться на пользовательском вычислительном устройстве (например, считывающем устройстве) или частично на пользовательском вычислительном устройстве. Программные команды могут частично находиться на пользовательском вычислительном устройстве, а частично - на удаленном вычислительном устройстве, или же полностью на удаленном вычислительном устройстве или сервере, например, в случаях, когда данные идентифицированной частоты загружают на удаленное устройство для обработки. При последнем сценарии удаленное вычислительное устройство может быть подключено к пользовательскому вычислительному устройству по сети любого типа или может иметь место подключение к внешнему компьютеру.Computer program instructions for performing operations in accordance with the described subject matter may be written in any combination of one or more programming languages, including an object-oriented programming language such as Java, JavaScript, Smalltalk, C++, C#, Transact-SQL, XML, PHP and the like, as well as traditional procedural programming languages such as the C programming language or similar programming languages. The software instructions may be fully executable on the user's computing device (eg, a reader) or partially on the user's computing device. The software instructions may reside partly on the user computing device and partly on the remote computing device, or entirely on the remote computing device or server, such as in cases where data of an identified frequency is downloaded to a remote device for processing. In the latter scenario, the remote computing device may be connected to the user computing device over any type of network, or may be connected to an external computer.
Различные аспекты настоящего объекта изобретения изложены ниже, в обзоре и/или в дополнение к вариантам осуществления, описанным здесь ранее, с упором на взаимосвязь и взаимозаменяемость следующих вариантов осуществления. Иными словами, упор сделан на то, что каждый признак вариантов осуществления может быть скомбинирован с каждым и любым другим признаком, если только явно не указано иное или это логически неправдоподобно.Various aspects of the present subject matter are set forth below, in an overview and/or in addition to the embodiments previously described herein, with emphasis on the relationship and interchangeability of the following embodiments. In other words, emphasis is placed on the fact that each feature of the embodiments may be combined with each and every other feature, unless explicitly stated otherwise or logically implausible.
Согласно вариантам осуществления система трансмутатора для трансмутации долгоживущих радиоактивных трансурановых отходов содержит резервуар источника нейтронов, включающий в себя источник нейтронов, где источник нейтронов содержит множество углеродных нанотрубок (УНТ), насыщенных тритием, множество предымпульсных лазеров, выполненных с возможностью облучения резервуара источника нейтронов проникающей в него лазерной энергией в режиме надпороговойAccording to embodiments, the transmutator system for transmuting long-lived radioactive transuranium waste comprises a neutron source reservoir, including a neutron source, where the neutron source contains a plurality of carbon nanotubes (CNTs) saturated with tritium, a plurality of prepulse lasers configured to irradiate the neutron source reservoir with penetrating into it laser energy in the above-threshold mode
- 11 040189 ионизации для ионизации УНТ и трития и поддержания ионизованного газа углерода и трития почти при плотности твердого тела в течение заданного периода времени, множество концентрических резервуаров, расположенных вокруг резервуара источника нейтронов и содержащих одну или более смесей долгоживущих радиоактивных трансурановых отходов, растворенных в соли FLiBe, лазерную систему, ориентированную для аксиального распространения множества лазерных импульсов в источник нейтронов, и множество скважин, ориентированных для аксиального приема упомянутого множества лазерных импульсов, причем каждая из упомянутого множества скважин включает в себя фольговый элемент из дейтерированного материала, причем при облучении фольгового элемента лазерным импульсом из упомянутого множества лазерных импульсов фольговый элемент производит множество ионов дейтрона, ускоряемых в виде пучка ионов по направлению к центру резервуара источника нейтронов, где пучок дейтронов вступает в реакцию ядерного синтеза с ионизованной тритиевой плазмой почти при плотности твердого тела.- 11 040189 ionization to ionize CNTs and tritium and maintain the ionized gas of carbon and tritium at near solid density for a given period of time, a plurality of concentric tanks located around the neutron source tank and containing one or more mixtures of long-lived radioactive transuranium waste dissolved in salt FLiBe, a laser system oriented for axial propagation of a plurality of laser pulses into a neutron source, and a plurality of boreholes oriented for axial reception of said plurality of laser pulses, each of said plurality of boreholes including a foil element of a deuterated material, moreover, when the foil element is irradiated with a laser pulsed from said plurality of laser pulses, the foil element produces a plurality of deuteron ions, which are accelerated as an ion beam towards the center of the neutron source reservoir, where the deuteron beam undergoes a nuclear reaction nthesis with ionized tritium plasma almost at the density of a solid.
В вариантах осуществления фольговый элемент содержит дейтерированный алмазоподобный материал, а упомянутое множество ионов включает ионы дейтрона и углерода.In embodiments, the foil element comprises a deuterated diamond-like material and said plurality of ions includes deuteron and carbon ions.
В вариантах осуществления упомянутое множество ионов ускоряются за счет когерентного ускорения ионов (CAIL).In embodiments, said plurality of ions are accelerated by coherent ion acceleration (CAIL).
В вариантах осуществления фольговый элемент обладает толщиной один или более нанометров.In embodiments, the foil element has a thickness of one or more nanometers.
В вариантах осуществления импульс от лазера и предымпульсные лазеры синхронизированы так, чтобы сделать возможным отставание пучка дейтронов от ионизации трития.In embodiments, the laser pulse and pre-pulse lasers are synchronized so as to allow the deuteron beam to lag behind the tritium ionization.
В вариантах осуществления упомянутое множество предымпульсных лазеров включает в себя первый комплект предымпульсных лазеров и второй комплект предымпульсных лазеров.In embodiments, said plurality of prepulse lasers includes a first set of prepulse lasers and a second set of prepulse lasers.
В вариантах осуществления первый комплект предымпульсных лазеров выполнен с возможностью срабатывать перед вторым комплектом предымпульсных лазеров.In embodiments, the first set of prepulse lasers is configured to fire before the second set of prepulse lasers.
В вариантах осуществления лазерная система включает в себя множество зеркал, ориентированных для направления отдельных лазерных импульсов из упомянутого множества лазерных импульсов к отдельным скважинам упомянутого множества скважин и в них.In embodiments, the laser system includes a plurality of mirrors oriented to direct individual laser pulses from said plurality of laser pulses to and into individual wells of said plurality of wells.
В вариантах осуществления упомянутое множество концентрических резервуаров сегментированы.In embodiments, said plurality of concentric reservoirs are segmented.
В вариантах осуществления упомянутое множество концентрических резервуаров сегментированы аксиально.In embodiments, said plurality of concentric reservoirs are axially segmented.
В вариантах осуществления упомянутое множество концентрических резервуаров сегментированы азимутально.In embodiments, said plurality of concentric reservoirs are azimuthally segmented.
В вариантах осуществления упомянутое множество сегментированных резервуаров содержит первый концентрический резервуар, расположенный вокруг источника нейтронов и содержащий первую смесь долгоживущих радиоактивных трансурановых отходов, растворенных в соли FLiBe, второй концентрический резервуар, расположенный вокруг первого концентрического резервуара и содержащий вторую смесь долгоживущих радиоактивных трансурановых отходов, растворенных в соли FLiBe, третий концентрический резервуар, расположенный вокруг второго концентрического резервуара и содержащий третью смесь долгоживущих радиоактивных трансурановых отходов, растворенных в соли FLiBe, и четвертый концентрический резервуар, расположенный вокруг третьего концентрического резервуара и содержащий одно из воды или воды и отражающего нейтроны экрана.In embodiments, said plurality of segmented reservoirs comprises a first concentric reservoir located around the neutron source and containing a first mixture of long-lived radioactive transuranium waste dissolved in the FLiBe salt, a second concentric reservoir located around the first concentric reservoir and containing a second mixture of long-lived radioactive transuranium waste dissolved in FLiBe salt, a third concentric tank located around the second concentric tank and containing a third mixture of long-lived radioactive transuranium waste dissolved in the FLiBe salt, and a fourth concentric tank located around the third concentric tank and containing one of water or water and a neutron reflecting screen.
В вариантах осуществления сегментированные первый, второй, третий и четвертый концентрические резервуары сегментированы аксиально.In embodiments, the segmented first, second, third, and fourth concentric reservoirs are axially segmented.
В вариантах осуществления сегментированные первый, второй, третий и четвертый концентрические резервуары сегментированы азимутально.In embodiments, the segmented first, second, third, and fourth concentric reservoirs are azimuthally segmented.
В вариантах осуществления лазерная система включает в себя один из лазера CAN или усилителя на тонких пластинах.In embodiments, the laser system includes one of a CAN laser or thin wafer amplifier.
В вариантах осуществления лазерная система дополнительно включает в себя систему OPCPA, соединенную с лазером CAN или усилителем на тонких пластинах, и генератор, соединенный с системой OPCPA.In embodiments, the laser system further includes an OPCPA system coupled to a CAN laser or thin wafer amplifier and a generator coupled to the OPCPA system.
В вариантах осуществления OPCPA подвергается криогенному охлаждению.In embodiments, the OPCPA is subjected to cryogenic cooling.
В вариантах осуществления упомянутое множество концентрических резервуаров образуют первый комплект резервуаров, причем система трансмутатора дополнительно содержит второй комплект резервуаров, содержащих смесь Pu и низших актиноидов (НА), включая нептуний, америций и кюрий (Np, Am, Cm).In embodiments, said plurality of concentric tanks form a first set of tanks, the transmutator system further comprising a second set of tanks containing a mixture of Pu and lower actinides (HA) including neptunium, americium, and curium (Np, Am, Cm).
В вариантах осуществления второй комплект резервуаров выполнен с возможностью работы в критическом состоянии.In embodiments, the implementation of the second set of tanks is made with the ability to work in critical condition.
В вариантах осуществления стенки одного из первого комплекта резервуаров или второго комплекта резервуаров изготовлены из материалов на основе углерода.In embodiments, the walls of one of the first set of tanks or the second set of tanks are made from carbon-based materials.
В вариантах осуществления материалы на основе углерода представляют собой алмаз.In embodiments, the carbon-based materials are diamond.
Следует отметить, что все признаки, элементы, компоненты, функции и этапы, описанные применительно к любому приведенному здесь варианту осуществления, подразумеваются свободно комбинируемыми и заменяемыми с теми, которые взяты из любого другого варианта осуществления.It should be noted that all features, elements, components, functions, and steps described in connection with any embodiment provided herein are intended to be freely combinable and interchangeable with those taken from any other embodiment.
- 12 040189- 12 040189
Если определенный признак, элемент, компонент, функция или этап описан(а) применительно только к одному варианту осуществления, то следует понимать, что этот признак, элемент, компонент, функцию или этап можно использовать с каждым другим вариантом осуществления, описанным здесь, если только явно не указано иное. Поэтому этот абзац служит в качестве предшествующей основы и письменного основания для введения в формулу изобретения в любой момент пунктов, в которых сочетаются признаки, элементы, компоненты, функции и этапы из различных вариантов осуществления, или в которых признаки, элементы, компоненты, функции и этапы из одного варианта осуществления замещены признаками, элементами, компонентами, функциями и этапами из другого варианта осуществления, даже если в следующем описании в явном виде не указано в конкретном случае, что такие сочетания или замещения возможны. В явном виде подтверждается, что явное перечисление всех возможных сочетаний и замещений является чрезмерно обременительным, особенно с учетом того, что допустимость каждого и всех таких сочетаний и замещений может быть легко признана специалистами в данной области техники.If a particular feature, element, component, function, or step is described in relation to only one embodiment, then it should be understood that that feature, element, component, function, or step can be used with every other embodiment described here, unless not explicitly stated otherwise. Therefore, this paragraph serves as the foregoing basis and written basis for introducing into the claims, at any time, claims that combine features, elements, components, functions, and steps from various embodiments, or in which features, elements, components, functions, and steps from one embodiment are replaced by features, elements, components, functions, and steps from another embodiment, even though the following description does not expressly state in a particular case that such combinations or substitutions are possible. It is explicitly acknowledged that an explicit listing of all possible combinations and substitutions is unnecessarily burdensome, especially since the permissibility of each and all such combinations and substitutions can be readily recognized by those skilled in the art.
В той степени, в которой раскрытые здесь варианты осуществления включают в себя или функционируют в сочетании с памятью, накопителем и/или машиночитаемым носителем, эти память, накопитель и/или машиночитаемый носитель являются невременными. Следовательно, в той степени, в которой память, накопитель и/или машиночитаемый носитель охватываются одним или более пунктами формулы изобретения, эти память, накопитель и/или машиночитаемый носитель являются лишь невременными.To the extent that the embodiments disclosed herein include or operate in conjunction with a memory, storage, and/or computer-readable medium, that memory, storage, and/or computer-readable medium is non-transitory. Therefore, to the extent that a memory, storage device, and/or computer-readable medium is covered by one or more of the claims, that memory, storage device, and/or computer-readable medium is only non-transitory.
Упоминание здесь и в прилагаемой формуле изобретения элемента в единственном числе не исключает множества таких элементов, если из контекста четко не следует иное.Mention here and in the appended claims of an element in the singular does not exclude a plurality of such elements, unless the context clearly indicates otherwise.
Хотя варианты осуществления допускают различные модификации и альтернативные формы, их конкретные примеры были показаны на чертежах и подробно описаны здесь. Однако следует понимать, что эти варианты осуществления не ограничены конкретной раскрытой формой, а напротив, эти варианты осуществления должны охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативы, попадающие в пределы сути раскрытия. Кроме того, любые признаки, функции, этапы или элементы вариантов осуществления могут быть перечислены в формуле изобретения или добавлены в формулу изобретения, также как и отрицательные признаки, которые характеризуют объем формулы изобретения с помощью признаков, функций, этапов или элементов, которые не входят в этот объем.While the embodiments are susceptible to various modifications and alternative forms, specific examples have been shown in the drawings and are described in detail herein. However, it should be understood that these embodiments are not limited to the specific form disclosed, but rather, these embodiments are to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit of the disclosure. In addition, any features, functions, steps, or elements of the embodiments may be listed in the claims or added to the claims, as well as negative features that characterize the scope of the claims with features, functions, steps, or elements that are not included in the claims. this volume.
Список литературыBibliography
[Ссылка 1] https://www.gao.gov/key_issues/disposal_of_highlevel_nuclear_waste/issue_summary[Link 1] https://www.gao.gov/key_issues/disposal_of_highlevel_nuclear_waste/issue_summary
Accessed Oct. 23, 2018.Accessed Oct. 23, 2018.
[Ссылка 2] Gulik, V., & Tkaczyk, А. Н., Cost optimization of ADS design: Comparative study of externally driven heterogeneous and homogeneous two-zone subcritical reactor systems.[Reference 2] Gulik, V., & Tkaczyk, A. N., Cost optimization of ADS design: Comparative study of externally driven heterogeneous and homogeneous two-zone subcritical reactor systems.
Nuclear Engineering and Design, 270, 133-142 (2014).Nuclear Engineering and Design, 270, 133-142 (2014).
[Ссылка 3] Weston M. Stacey, Solving the Spent Nuclear Fuel Problem by Fissioning Transuranics in Subcritical Advanced Burner Reactors Driven by Tokamak Fusion Neutron Sources, Nuclear Technology, (2017). DOI: 10.1080/00295450.2017.1345585[Reference 3] Weston M. Stacey, Solving the Spent Nuclear Fuel Problem by Fissioning Transuranics in Subcritical Advanced Burner Reactors Driven by Tokamak Fusion Neutron Sources, Nuclear Technology, (2017). DOI: 10.1080/00295450.2017.1345585
[Ссылка 4] Sheu, R. J., et al. “Depletion analysis on long-term operation of the conceptual Molten Salt Actinide Recycler & Transmuter (MOSART) by using a special[Reference 4] Sheu, R. J., et al. “Depletion analysis on long-term operation of the conceptual Molten Salt Actinide Recycler & Transmuter (MOSART) by using a special
- 13 040189 sequence based on SCALE6/TRITON.” Annals of Nuclear Energy 53 (2013): 1-8.- 13 040189 sequence based on SCALE6/TRITON.” Annals of Nuclear Energy 53 (2013): 1-8.
[Ссылка 5] Tajima T. and Necas A., “Systems And Methods For Frc Based Transmutator And Radioisotope Generator,” U.S. Patent Application No. 62/544,666, August 11, 2017.[Reference 5] Tajima T. and Necas A., “Systems And Methods For Frc Based Transmutator And Radioisotope Generator,” U.S. Patent Application No. 62/544,666, August 11, 2017.
[Ссылка 6] Tajima, Toshiki, Dietrich Habs, and Xueqing Yan. “Laser acceleration of ions for radiation therapy.” Reviews of Accelerator Science and Technology 2.01 (2009): 201228.[Reference 6] Tajima, Toshiki, Dietrich Habs, and Xueqing Yan. “Laser acceleration of ions for radiation therapy.” Reviews of Accelerator Science and Technology 2.01 (2009): 201228.
[Ссылка 7] Kishimoto, Y., and Tajima, T., Strong Coupling between Clusters and Radiation, High Field Science, eds. T. Tajima, K. Mima, and H. Baldis (Kluwer, NY, 2000), pp. 83-96.[Reference 7] Kishimoto, Y., and Tajima, T., Strong Coupling between Clusters and Radiation, High Field Science, eds. T. Tajima, K. Mima, and H. Baldis (Kluwer, NY, 2000), pp. 83-96.
[Ссылка 8] Kishimoto, Y., Masaki, T., and Tajima, T., High energy ions and nuclear fusion in laser-cluster interaction, Phys, of Plasmas 9, 589-601(2002).[Reference 8] Kishimoto, Y., Masaki, T., and Tajima, T., High energy ions and nuclear fusion in laser-cluster interaction, Phys, of Plasmas 9, 589-601(2002).
[Ссылка 9] Yan, X.Q., Tajima, T., Hegelich, B.M., Yin, L., and Habs, D., Theory of laser ion acceleration from a foil target of nanometer thickness, Applied Phys. В 98, 711 (2010).[Reference 9] Yan, X.Q., Tajima, T., Hegelich, B.M., Yin, L., and Habs, D., Theory of laser ion acceleration from a foil target of nanometer thickness, Applied Phys. B 98, 711 (2010).
[Ссылка 10] Mako, F., and T. Tajima. “Collective ion acceleration by a reflexing electron beam: Model and scaling.” The Physics of fluids 27, no. 7: 1815-1820 (1984).[Reference 10] Mako, F., and T. Tajima. “Collective ion acceleration by a reflexing electron beam: Model and scaling.” The Physics of fluids 27, no. 7: 1815-1820 (1984).
[Ссылка 11] Steinke, S., Henig, A., Schnurer, M., Sokollik, T., Nickles, P.V., Jung, D., Kiefer, D., Horlein, R., Schreiber, J., Tajima, T. and Yan, X.Q., Efficient ion acceleration by collective laser-driven electron dynamics with ultra-thin foil targets. Laser and Particle Beams, 28(1), pp.215-221 (2010).[Reference 11] Steinke, S., Henig, A., Schnurer, M., Sokollik, T., Nickles, P.V., Jung, D., Kiefer, D., Horlein, R., Schreiber, J., Tajima, T. and Yan, X.Q., Efficient ion acceleration by collective laser-driven electron dynamics with ultra-thin foil targets. Laser and Particle Beams, 28(1), pp.215-221 (2010).
[Ссылка 12] Mourou, G., Brocklesby, B., Tajima, T. and Limpert, J., The future is fibre accelerators. Nature Photonics, 7(4), p.258 (2013).[Reference 12] Mourou, G., Brocklesby, B., Tajima, T. and Limpert, J., The future is fiber accelerators. Nature Photonics, 7(4), p.258 (2013).
[Ссылка 13] Mourou, G., S. Mimov, E. Khazanov, and A. Sergeev. “Single cycle thin film compressor opening the door to Zeptosecond-Exawatt physics.” The European Physical Journal Special Topics 223, no. 6: 1181-1188 (2014).[Reference 13] Mourou, G., S. Mimov, E. Khazanov, and A. Sergeev. “Single cycle thin film compressor opening the door to Zeptosecond-Exawatt physics.” The European Physical Journal Special Topics 223, no. 6:1181-1188 (2014).
[Ссылка 14] Zhou, M.L., Yan, X.Q., Mourou, G., Wheeler, J.A., Bin, J.H., Schreiber, J. and Tajima, T., 2016. Proton acceleration by single-cycle laser pulses offers a novel monoenergetic and stable operating regime. Physics of Plasmas, 23(4), p.043112 (2016).[Reference 14] Zhou, M.L., Yan, X.Q., Mourou, G., Wheeler, J.A., Bin, J.H., Schreiber, J. and Tajima, T., 2016. Proton acceleration by single-cycle laser pulses offers a novel monoenergetic and stable operating regime. Physics of Plasmas, 23(4), p.043112 (2016).
[Ссылка 15] Tajima, T., “Laser driven compact ion accelerator,” U.S. Patent 6,867,419, issued March 15, 2005.[Reference 15] Tajima, T., “Laser driven compact ion accelerator,” U.S. Patent 6,867,419, issued March 15, 2005.
[Ссылка 16] Esirkepov, T., M. Yamagiwa, and T. Tajima. “Laser ion-acceleration scaling laws seen in multiparametric particle-in-cell simulations.” Physical review letters 96, no. 10(2006): 105001.[Reference 16] Esirkepov, T., M. Yamagiwa, and T. Tajima. “Laser ion-acceleration scaling laws seen in multiparametric particle-in-cell simulations.” Physical review letters 96, no. 10(2006): 105001.
[Ссылка 17] Tajima T., Mourou G. and Necas A., “Systems And Methods For Liquid Phase Based Transmutation With Can Laser Based Monitoring,” U.S. Patent Application No.[Reference 17] Tajima T., Mourou G. and Necas A., “Systems And Methods For Liquid Phase Based Transmutation With Can Laser Based Monitoring,” U.S. Patent Application No.
- 14 040189- 14 040189
62/665,287, May 1,2018.62/665,287, May 1,2018.
[Ссылка 18] D. Strickland and G. Mourou, “Compression of Amplified Chirped Optical[Reference 18] D. Strickland and G. Mourou, “Compression of Amplified Chirped Optical
Pulses,” Opt. Commun. 56, 219-221 (December 1985).Pulses,” Opt. commun. 56, 219-221 (December 1985).
[Ссылка 19] G. Mourou and J. Nees “Selectively Triggered High-Contrast Laser”, U.S.[Reference 19] G. Mourou and J. Nees “Selectively Triggered High-Contrast Laser”, U.S.
Patent No. 5,541,947, issued July 30, 1996.Patent No. 5,541,947 issued July 30, 1996.
[Ссылка 20] A. Dubietis, G. Jonusauskas, and A. Piskarskas, “Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crystal,” Opt.[Reference 20] A. Dubietis, G. Jonusauskas, and A. Piskarskas, “Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crystal,” Opt.
Commun. 88(4-6), 437-440 (1992).commun. 88(4-6), 437-440 (1992).
[Ссылка 21] R. Budrinuas, T. Stanislauskas, J. Adamonis, A. Alecknavicius, G. Veitas,[Reference 21] R. Budrinuas, T. Stanislauskas, J. Adamonis, A. Alecknavicius, G. Veitas,
G. Stanislovas-Balickas, A. Michailova, and A. Varanaci-Iusi, 53 W average power CEP- stabilized OPCPA, system delivering 5.5 TW few cycle pulses at 1 kHz repetition rate, Vol. 25,G. Stanislovas-Balickas, A. Michailova, and A. Varanaci-Iusi, 53 W average power CEP- stabilized OPCPA, system delivering 5.5 TW few cycle pulses at 1 kHz repetition rate, Vol. 25,
No. 5 I 6 Mar 2017 | OPTICS EXPRESS 5797no. 5 I 6 Mar 2017 | OPTICS EXPRESS 5797
[Ссылка 22] S. Backus, C. Durfee, G. Mourou, H. C. Kapteyn, Μ. M. Mumane, 0.2[Reference 22] S. Backus, C. Durfee, G. Mourou, H. C. Kapteyn, M. M. Mumane, 0.2
Terawatt laser system at 1 kHz, Opt. Lett. 22,1256 (1997).Terawatt laser system at 1 kHz, Opt. Lett. 22.1256 (1997).
[Ссылка 23] A. Giesen and J. Speiser, “Fifteen years of work on thin-disk lasers: results and scaling laws”, IEEE J. Sei. Top. Quantum Electron. 13 (3), 598 (2007).[Reference 23] A. Giesen and J. Speiser, “Fifteen years of work on thin-disk lasers: results and scaling laws”, IEEE J. Sei. top. Quantum Electron. 13 (3), 598 (2007).
Claims (21)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US62/727,413 | 2018-09-05 | ||
US62/774,427 | 2018-12-03 | ||
US62/876,999 | 2019-07-22 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA040189B1 true EA040189B1 (en) | 2022-04-28 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Norreys et al. | Preparations for a European R&D roadmap for an inertial fusion demo reactor | |
US20210358649A1 (en) | Systems and methods for laser driven neutron generation for a liquid-phase based transmutation | |
US11901095B2 (en) | System for electrostatic accelerator driven neutron generation for a liquid-phase based transmutation of radioactive transuranic waste | |
EA040189B1 (en) | SYSTEMS AND METHODS FOR LASER-ACTIVATED NEUTRON GENERATION FOR LIQUID PHASE-BASED TRANSMUTATION | |
Hora et al. | Nonlinear force driven plasma blocks igniting solid density hydrogen boron: Laser fusion energy without radioactivity | |
WO2002103709A2 (en) | Method and apparatus for the transmutation of nuclear waste with tandem production of tritium | |
JPWO2020051376A5 (en) | ||
Bailly-Grandvaux | Laser-driven strong magnetic fields and high discharge currents: measurements and applications to charged particle transport | |
Marhauser et al. | Method for energy recovery of spent ERL beams | |
Khoramdel et al. | Enhancement of fusion energy gain due to the injection of solid boron to fuel capsule utilising the deuteron beam radiation | |
Henderson | Spallation neutron sources and accelerator-driven systems | |
JP2018044851A (en) | Processing system and processing method for shortening lifetime of long-life fission product by nuclear transmutation | |
WO2024155695A1 (en) | Lithium flouride powered nuclear fission subcritical reactor | |
Sahlin | Theoretical aspects of collective ion acceleration in relativistic electron beam deuterated polyethylene target interaction | |
Langendorf et al. | w18_plxa Final Report Viewgraphs [Slides] | |
Burggraf et al. | Laser-accelerated protons for the study of fission in exotic nuclei | |
CEA | Laser-driven strong magnetic fields and high discharge currents: measurements and applications to charged particle transport | |
JPWO2020051380A5 (en) | ||
Hertzberg | Review of controlled fusion research using laser heating | |
Cerullo et al. | Energetic and economic balance for an inertial fusion power plant | |
Eliezer | Laser-fusion (for pedestrians) | |
Benford | Electron beam heating for fusion | |
Hohenberger et al. | Direct drive: Simulations and results from the National Ignition Facility | |
JP2008249725A (en) | Method and device for generating chemical fusion energy with recoil lithium | |
Eerkens | On the possibility of laser-assisted production and detection of low-energy neutrino beams |