RU2003191C1 - Способ трансмутации изотопов - Google Patents

Abstract

Использование: утилизаци  радиоактивных отходов . Сущность изобретени : утилизацию осуществл ют методом траншутации изотопов, причем дл  реализации трансмутации используют магнитотормозное гамма - излучение, критическа  энерги  спектра которого превышает порог фото дерных реакций (у. хп) - в качестве трансмутируемых изотопов используют долгоживущие радионуклиды - продукты делени   дра трансурановых актинидов, а образующимис  нейтронами облучают  дра U - 238 или (и) Th - 232, размещенные в веществе- замедлителе нейтронов вокруг  дер трансмутируе- мого изотопа 2дп ф-лы, 3 табд 6 ил.

Description

Изобретение относитс  к области  дерной физики и может быть использовано в  дерной технологии и атомной энергетике дл  уничтожени  радиоактивных отходов (РАО), воспроизводства  дерного топлива и создани  на этой основе замкнутого  дерного топливного цикла (безотходной  дерной технологии), а также дл  производства дел щихс  материалов и радиоактивных изотопов.

Известен способ превращени  (транс- мутации) трансурановых изотопов - актинидов посредством бомбардировки протонами высоких энергий и облучени  образующимис  при этом нейтронами. Способ характеризуетс  недостаточно высокой скоростью трансмутации из-за низкой плотности и интенсивности ускор емых пучков протонов, низкой энергетической ценой актэ трансмутации, большим энерговыделением а среде при бомбардировке  дер протонами .

Известен способ трансмутации актинидов посредством облучени  нейтронами, образующимис  в мишени под действием рел тивистских электронов. Способ характеризуетс  низкой скоростью трансмутации вследствие недостаточно высокой интенсивности и низкой спектральной плотности тормозного излучени  электронов, высокой энергетической ценой актэ трансмутации из-за низкого коэффициента конверсии электронов в нейтроны, большим энерговыделением в мишени - конверторе вследствие больших ионизационных потерь электронов при торможении в веществе.

В св зи с низкой производительностью и большой энергоемкостью эти способы не могут быть реализованы без дополнительного размножени  нейтронов в подкритиче- ской среде Они применимы лишь дл  трансмутации дел щихс  актинидов и не решают проблемы уничтожени  РАО, поскольку при делении образуютс  осколки - долгоживущие радионуклиды средних масс.

Целью изобретени   вл етс  увеличение производительности и снижение удельной энергоемкости процесса трансмутзции изотопов, уничтожение РАО от действующих АЭС, воспроизводство  дерного топлива , производство дел щихс  изотопов из Th - 232, отвалов U - 238 и создание на этой основе замкнутого  дерного топливного цикла (безотходной  дерной технологии), а также производство радиоактивных изотопов , в том числе трансурановых, дл  медицинских , космических и технических применений.

Дл  достижени  цели используют изотопические мишени, изготовленные из содержащихс  в отработанном  дерном топливе долгоживущих радиоактивных изотопов - продуктов делени  и трансурановых актинидов, устанавливают вокруг мишеней замедлитель нейтронов, в котором размещают U - 238 и/или Th - 232, облучают мишени магнитотормозным гамма-излучением , содержащим гамма-кванты с энергией выше порога реакции ( у,л) на  драх каждого из изотопов, а образующиес  фотонейтроны используют дл  облучени  U - 238 и/или Th - 232.

На фиг. 1 изображена схема, иллюстрирующа  применение способа дл  уничтожени  РАО - продуктов делени  Sr - 90, Cs - 137 и трансурановых актинидов и-236и Ри

-240: на фиг,2 - схемы трансмутации Sr - 90 в  дра стабильных изотопов и U - 236 - в

 дра дел щихс  изотопов с помощью реакции (у ,хп); на фиг.З - схема, иллюстрирующа  применение способа дл  производства  дерного топлива и компенсации энергозат- рзт на уничтожение РАО за счет получени  дел щихс  изотопов из Th -232 и отвалов U

-238.

Способ осуществл ют следующим образом .

На траектории электронов, ускор емых до ультрарел тивистских энергий, устанавливают системы с однородным и/или пространственно-периодическим магнитным полем. По периферии устанавливают изото

пические мишени, изготовленные из содержащихс  в отработанном  дерном топливе долгоживущих радиоактивных изотопов - продуктов делени , изотопов урана и трансурановых актинидов, предварительно разделенных по элементам и по массам  дер, размеща  их в медианной плоскости магнитов с однородным полем и/или на оси систем с пространственно - периодическим полем. Мишени окружают замедлителем

нейтронов и блоками из U-238, Th-232.

Электроны ускор ют до такой энергии Е. чтобы при пропускании через установленные на их орбите магнитные системы с выбранными значени ми пол  Н критичеека  энерги  Ес спектра возникающего мзг- нитотормозного излучени , равна 

Ее - 0,665 -Е2-Н(1)

где Ее, в кэВ, Е в гэВ, Н в Тл, достигала величины энергетического порога Е уп фото дерной реакции (у ,г) дл  каждого из под- лежащих трансмутации изотопов. 6оз«икшее гамма-излучение вывод т с участков орбиты из магнитных систем в периферийную область пространства и

направл ют на установленные вокруг магнитных систем изотопические мишени.

Долгоживущие радиоактивные продукты делени  уничтожают, направл   гамма- излучение на мишени из радионуклидов Sr-90, Cs-137 и др..осуществл   их трансмутацию в  дра стабильных изотопов. Четные изотопы урана и трансурановых актинидов трансмутируют в нечетные дел щиес  изотопы урана и плутони , обеспечива  воспроизводство  дерного топлива и компенсиру  энергозатраты на уничтожение РАО. Производство  дерного топлива и компенсацию этих энергозатрат осуществл ют также, облуча  размещенные вокруг мишеней из радионуклидов в веществе - замедлителе нейтронов блоки U - 238 и/или Th - 232 образующимис  в мишен х фотонейтронами ,

Дл  радионуклидов с массой 90-150 и дл   дер трансурановых актинидов величины Е уп составл ют 5-10 Мэв, что соответствует значени м параметра Е2 -Н (1-1т5) 104. При соблюдении этого услови  спектральна  плотность генерируемого гамма-излучени в области гигантского дипольного резонанса в сечении реакций (у, хп) становитс  достаточной дл  того, чтобы нар ду с его высокой интенсивностью и пространственной плотностью обеспечить скорость трансмутации радионуклидов , существенно выше достигаемой в прототипе и достаточную дл  технического применени .

Магнитные системы могут быть установлены на замкнутой траектории в циклическом ускорителе, накопителе электронов или на выведенном пучке линейного ускорител , ускорител  с рециркул цией электронного пучка. Оптимальным  вл етс  вариант, когда в накопительном кольце обеспечивают услови  дл  многократного обращени  пучка ускоренных электронов через магнитные структуры при величинах Н, удовлетвор ющих условию (1). В этом случае минимизируетс  вклад стадии ускорени  электронов в энергозатраты, достигаетс  максимальна  интенсивность излучени  и, следовательно, реализуетс  максимальна  производительность способа при минимальных энергетических потер х. При этом можно облучать значительное число мишеней одновременно и реализовать оба варианта геометрии магнитного пол  (фиг.1).

При использовании систем с однород- мым полем излучение распростран етс  в

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

плоскости ларморовской орбиты электронов в 2  геометрии, и на пучке из одной магнитной системы могут быть размещены несколько мишеней. Энерги  электронов должна составл ть в этом случае 40-60 гзВ, а напр женность пол  - 4-6 Тл.

При использовании систем с пространственно-периодическим магнитным полем, генерируемое гамма-излучение имеет малую угловую расходимость, и на пучке из каждой магнитной системы можно разместить только одну мишень. При этом технически возможно увеличить Н до 8-12 Тл, что позвол ет снизить Е до 30-40 гэВ.

Размер изотопической мишени в направлении падени  квантов должен составл ть не менее 2, а в поперечном направлении 2 Ay -ft, где Ау- длина пробега в веществе мишени у- квантов с энергией Е0у , лежащей в области гигантского резонанса реакции (у. п) дл  трансмутиру- емых  дер, ft - средний косинус угла рассе ни  у - квантов, усредненный по числу комптоновских рассе ний при условии, что Е у Eyh , где Еу - энерги  рассе нного кванта.

При соблюдении указанных условий, среднем значении тока не менее 100 тА, способ позвол ет перевести (трансмутиро- вать) любой долгоживущий радионуклид в форму стабильного или дел щегос  изотопа со скоростью, превышающей скорость его накоплени  в любом из действующих реакторов АЭС; снизить удельные энергозатраты на трансмутацию долгоживущих радионуклидов в несколько раз по отношению к энергии, выдел ющейс  при их образовании; компенсировать указанные энергозатраты за счет воспроизводства дел щихс  изотопов из U-238 и Th-232 при их облучении в потоке фотонейтронов, а также непосредственно при трансмутации недел щихс  трансурановых изотопов в дел щиес .

При указанных параметрах технического осуществлени  способ в 50-100 раз более производителен и в 3-7 раз менее энергоемок по сравнению с прототипом.

(56) Steinberg M. In Nuclear Technologies in a Sustainable Enerqy System, 203, Sprinqer - Veriaq Berlin Heidelberg New York, 1983.

C.D.Bowman et. al. Preprint LA-UR-91- 260T. Los Alamos, 1991.

Максимычев А.В, и др. Препринт ИАЭ 5575/14, М.: 1992.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   СПОСОБ ТРАНСМУТАЦИИ ИЗОТОПОВ посредством облучени , отличающийс  тем. что используют изотопические мише- 5 ни, изготовленные из содержащихс  в отработанном дерномтопливе долгоживущих радиоактивных изотопов - продуктов делени  и трансурановых акти10

   нидов, вокруг мишеней устанавливают замедлитель нейтронов, в котором размещают уран-238 и/или торий-232, облучают мишени мэгнитотормоэным гамма- излучением, содержащим гамма-кванты с энергией выше порога реакции (х,п) на  драх каждого из изотопов, а образующиес  фотонейтроны используют дл  облучени  урана-238 и/или тори -232.

   ФИ|. т

   8687

   ,n- Sr- -ytn- Sr

   Стй5. Ствб.Ста б.

   I /

   ее Х /as

   Rb jf,pn-Ь/Rb - ytpn

   49 сут. (в мин.

   ass

   Y - )f,n 407 CtjT.

   риг. 2

   V