RU2388087C2 - Method of converting radiation energy of radioactive wastes to electrical energy - Google Patents
Method of converting radiation energy of radioactive wastes to electrical energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2388087C2 RU2388087C2 RU2008114630/06A RU2008114630A RU2388087C2 RU 2388087 C2 RU2388087 C2 RU 2388087C2 RU 2008114630/06 A RU2008114630/06 A RU 2008114630/06A RU 2008114630 A RU2008114630 A RU 2008114630A RU 2388087 C2 RU2388087 C2 RU 2388087C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- energy
- radioactive
- electrical energy
- nuclear
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для создания технологии получения электрической энергии из энергии излучения радионуклидов, преимущественно для утилизации отработанного топлива ядерных реакторов и иных материалов, так называемых радиоактивных отходов.The invention relates to energy and can be used to create a technology for producing electrical energy from radionuclide radiation energy, mainly for the disposal of spent fuel from nuclear reactors and other materials, the so-called radioactive waste.
В современных условиях растущего энергопотребления, по-видимому, трудно найти альтернативу дальнейшему развитию ядерной энергетики. Атомная энергетика позволяет повысить уровень энергетической безопасности, сберегает органическое сырье и стабилизирует электроэнергетику в целом, позволяет уменьшить выбросы парниковых газов.Under the current conditions of growing energy consumption, it seems difficult to find an alternative to the further development of nuclear energy. Nuclear energy can improve energy security, conserve organic raw materials and stabilize the energy industry as a whole, and reduce greenhouse gas emissions.
Отрицательной стороной ядерной энергетики является накопленное количество отработанного топлива ядерных реакторов. В настоящее время газообразные и жидкие радиоактивные отходы, очищенные от высокоактивных примесей, сбрасывают в атмосферу или водоемы. Высокоактивные жидкие радиоактивные отходы хранят в виде солевых концентратов в специальных резервуарах в поверхностных слоях земли, выше уровня грунтовых вод. Твердые радиоактивные отходы захораниваются в стальных или иных контейнерах в подземных выработках, соляных пластах, на дне океанов.The negative side of nuclear power is the accumulated amount of spent fuel from nuclear reactors. Currently, gaseous and liquid radioactive waste, purified from highly active impurities, is discharged into the atmosphere or water bodies. Highly active liquid radioactive waste is stored in the form of salt concentrates in special tanks in the surface layers of the earth, above the groundwater level. Solid radioactive waste is disposed of in steel or other containers in underground workings, salt formations, at the bottom of the oceans.
Из уровня техники известно, что с помощью полупроводниковых элементов энергию радиоактивных излучений можно преобразовать в электрическую энергию (GB 1356341, опубл. 1974 г.) /1/. Радиоактивное излучение, попадая на полупроводниковый элемент, индуцирует в нем ЭДС, которая при присоединении элемента к нагрузке приводит к возникновению в цепи электрического тока.From the prior art it is known that using semiconductor elements, the energy of radioactive radiation can be converted into electrical energy (GB 1356341, publ. 1974) / 1 /. Radioactive radiation, falling on a semiconductor element, induces an emf in it, which, when the element is connected to the load, leads to the appearance of an electric current in the circuit.
Практическое использование этого решения предложено в известном способе превращения энергии радиоактивного излучения в электрическую энергию (RU 2130657, опубл. 1999 г.) /2/ и заключается в том, что батареи из полупроводниковых фотоэлементов размещают на понтонах, расположенных на поверхностях загрязненных радионуклидами озер, рек, морей, океана, либо на поверхности загрязненного радионуклидами грунта, либо на поверхности зданий, сооружений, транспорта при загрязнении радионуклидами атмосферы. Как видно из описания к патенту /2/, преимущественное назначение известного способа состоит в защите атмосферы от радиоактивного излучения. При этом полупроводниковые фотоэлементы, подвергаясь воздействию излучения, быстро выходят из строя и требуют замены.Practical use of this solution is proposed in the known method of converting radioactive radiation energy into electrical energy (RU 2130657, publ. 1999) / 2 / and consists in the fact that batteries from semiconductor photocells are placed on pontoons located on the surfaces of lakes and rivers contaminated with radionuclides , seas, oceans, or on the surface of radionuclide-contaminated soil, or on the surface of buildings, structures, vehicles when radionuclide-contaminated atmosphere. As can be seen from the description of the patent / 2 /, the primary purpose of the known method is to protect the atmosphere from radioactive radiation. In this case, semiconductor photocells, when exposed to radiation, quickly fail and require replacement.
Задача настоящего изобретения заключается в создании эффективной технологии утилизации отработанного топлива или радиоактивных отходов ядерных реакторов с уменьшенным вредным воздействием излучения на полупроводниковые фотоэлементы.The objective of the present invention is to create an effective technology for the disposal of spent fuel or radioactive waste from nuclear reactors with reduced harmful effects of radiation on semiconductor solar cells.
Для решения поставленной задачи способ преобразования энергии радиоактивных излучений в электрическую энергию включает размещение фотоэлектрических преобразователей вблизи источника радиоактивного излучения, при этом между источниками радиоактивного излучения и фотоэлектрическими преобразователями размещают рабочую газовую среду, представляющую собой смесь Ar-N2, находящуюся под давлением 1-5 атм и излучающую преимущественно в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на переходах С→В и В→А молекулы азота N2 соответственно.To solve this problem, a method of converting radioactive radiation energy into electrical energy involves placing photovoltaic converters near a radiation source, while a working gas medium, which is an Ar-N 2 mixture under pressure 1-5 atm, is placed between the radiation sources and photoelectric converters and emitting mainly in the wavelength ranges of 350-410 and 750-1050 nm at transitions C → B and B → A of the nitrogen molecule N 2, respectively.
Предпосылки для решения поставленной задачи следующие. Поскольку радиация является жестким излучением, ее можно использовать как источник энергии в ядерно-оптических преобразователях (ЯОП) с дальнейшей конверсией оптического излучения в электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей. При этом сами отходы не требуют специальной переработки и выдержки во временных хранилищах. А электричество с помощью фотоэлементов может вырабатываться в постоянном режиме в течение многих лет практически без смены источника излучения, если уровень остаточной радиоактивности и период полураспада достаточно высоки.The prerequisites for solving the task are as follows. Since radiation is hard radiation, it can be used as an energy source in nuclear-optical converters (NRFs) with further conversion of optical radiation into electricity using photoelectric converters. At the same time, the waste itself does not require special processing and aging in temporary storage facilities. And electricity using photocells can be generated continuously for many years, practically without changing the radiation source, if the level of residual radioactivity and half-life are quite high.
Активная среда в ЯОП, обычно являющаяся специально подобранной по составу и давлению газовой смесью, возбуждается жестким излучением. Жестким принято называть такое корпускулярное или электромагнитное излучение, которое ионизует и возбуждает газ, но слабо взаимодействует непосредственно с электронами образовавшейся плазмы. Роль такого излучения могут играть электронные и ионные пучки, продукты ядерных реакций, потоки коротковолновых фотонов (вплоть до γ-квантов, получаемых в ядерном взрыве). "Жесткие частицы" (электроны, ионы, фотоны) ионизуют атомы и молекулы газовой смеси, создавая неравновесную плазму с повышенной степенью ионизации.The active medium in a nuclear reactor, which is usually a specially selected gas mixture in terms of composition and pressure, is excited by hard radiation. It is customary to call hard such a particle or electromagnetic radiation that ionizes and excites a gas, but weakly interacts directly with the electrons of the formed plasma. The role of such radiation can be played by electron and ion beams, products of nuclear reactions, fluxes of short-wavelength photons (up to gamma rays obtained in a nuclear explosion). "Hard particles" (electrons, ions, photons) ionize the atoms and molecules of the gas mixture, creating a nonequilibrium plasma with an increased degree of ionization.
При возбуждении жестким ионизатором газов последовательность процессов следующая: быстрая заряженная частица или коротковолновый фотон ионизуют газ; образовавшиеся низкоэнергетичные электроны плазмы формируют в столкновениях максвелловское распределение и рекомбинируют. Такая плазма называется рекомбинационно-неравновесной или переохлажденной (Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б, T.XI-4 "Газовые и плазменные лазеры". Под ред. С.И.Яковленко. М.: Физматлит, 2005 г.).When excited by a rigid gas ionizer, the sequence of processes is as follows: a fast charged particle or a short-wavelength photon ionizes the gas; The resulting low-energy plasma electrons form a Maxwell distribution in collisions and recombine. Such a plasma is called recombination-nonequilibrium or supercooled (Encyclopedia of low-temperature plasma. Series B, T.XI-4 "Gas and Plasma Lasers". Edited by S.I. Yakovlenko. M.: Fizmatlit, 2005).
Основным источником проникающей радиации отработанного топлива ядерных реакторов является γ-излучение Cs137 (период полураспада 30 лет) с энергией Еγ=662 кэВ и задача создания источника энергии на основе ЯОП сведена к поиску радиолитически и термически устойчивой, а также химически инертной среды с достаточно высоким КПД преобразования ядерной энергии в оптическое излучение в удобном для фотоэлектрических преобразований диапазоне спектра. В результате в качестве рабочей газовой среды предлагается смесь Ar-N2 при давлении 1-5 атм, излучающая преимущественно в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на переходах С→В и В→А молекулы азота N2 соответственно.The main source of penetrating radiation from spent fuel from nuclear reactors is Cs 137 gamma radiation (half-life of 30 years) with an energy of E γ = 662 keV, and the task of creating an energy source based on nuclear fuel is reduced to finding a radiolytically and thermally stable, as well as chemically inert, medium with enough high efficiency of conversion of nuclear energy into optical radiation in the spectral range convenient for photoelectric transformations. As a result, an Ar – N 2 mixture at a pressure of 1–5 atm is proposed as a working gas medium, emitting mainly in the wavelength ranges of 350–410 and 750–1050 nm at transitions C → B and B → A of the nitrogen molecule N 2, respectively.
Обозначение «С→В и В→А переходы» является общепринятым для указанной молекулы (табл.7.2, справочник А.А.Радциг, Б.М.Смирнов. Справочник по атомной и молекулярной физике. М., Атомиздат, 1980 г.), но при необходимости для большей степени его возможно идентифицировать и следующимThe designation “C → B and B → A transitions” is generally accepted for the indicated molecule (Table 7.2, reference book A. A. Radzig, B. M. Smirnov. Reference book on atomic and molecular physics. M., Atomizdat, 1980) but, if necessary, for a greater degree it is possible to identify it by the following
образом: С 3Пu → В 3Пg и В 3Пg → А 3Σ+ u.way: C 3 P u → B 3 P g and B 3 P g → A 3 Σ + u .
Смесь Ar-N2, находящаяся под давлением 1-5 атм, обуславливает направление релаксационных потоков энергии в определенном направлении, а точнее резонансную передачу большей части энергии от метастабильных атомов аргона Ar*, которые образуются, главным образом, в результате прямого возбуждения электронным ударом вторичных электронов или диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов Ar2 +, на электронно-возбужденное состояние азота С 3Пu. В результате последующего радиационного каскада C 3Пu → B 3Пg → А 3Σ+ u происходит широкополосное излучение в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на соответствующих электронно-колебательно-вращательных переходах, которое приводит к наилучшему совпадению спектра оптического излучения и спектра поглощения фотоэлектрического преобразователя, обуславливая возможность использования фотоэлектрических преобразователей.A mixture of Ar-N 2 , under a pressure of 1-5 atm, determines the direction of relaxation energy fluxes in a certain direction, or rather, the resonant transfer of most of the energy from metastable argon atoms Ar *, which are formed mainly as a result of direct excitation by electron impact of secondary electrons or dissociative recombination of molecular ions Ar 2 + , to the electronically excited state of nitrogen With 3 P u . As a result of the subsequent radiation cascade C 3 P u → B 3 P g → A 3 Σ + u , broadband radiation occurs in the wavelength ranges of 350-410 and 750-1050 nm at the corresponding electronic-vibrational-rotational transitions, which leads to the best coincidence of the spectrum optical radiation and the absorption spectrum of the photoelectric converter, making it possible to use photoelectric converters.
Под воздействием излучения в этой газовой смеси происходит наработка электронно-возбужденных атомов и молекул. Оптическое излучение возбужденных молекул попадает на вход фотоэлектрических преобразователей, что приводит к возникновению электрической энергии на их выходе. Состав и давление газовой смеси подобраны экспериментально, исходя из максимального совпадения спектра оптического излучения возбужденных молекул и спектра поглощения фотоэлектрического преобразователя. Соотношение пропорций компонентов газовой смеси Ar-N2 определяется конструкцией установки, давлением и чистотой используемой смеси, а потому является предметом НИОКР при создании конструкции конкретной установки и будет примерно следующим: [Ar]:[N2]≈10:1.Under the influence of radiation in this gas mixture, the production of electronically excited atoms and molecules occurs. The optical radiation of the excited molecules goes to the input of the photoelectric converters, which leads to the appearance of electrical energy at their output. The composition and pressure of the gas mixture were selected experimentally, based on the maximum coincidence of the spectrum of the optical radiation of the excited molecules and the absorption spectrum of the photoelectric converter. The ratio of the proportions of the components of the gas mixture Ar-N 2 is determined by the design of the installation, the pressure and purity of the mixture used, and therefore is the subject of R&D when creating the design of a specific installation and will be approximately as follows: [Ar]: [N 2 ] ≈10: 1.
Новый технический результат, который может быть достигнут при реализации заявленного способа, заключается в повышении КПД преобразования ядерной энергии в оптическое излучение и уменьшении вредного воздействия излучения на полупроводниковые фотоэлементы.A new technical result that can be achieved by implementing the inventive method is to increase the efficiency of conversion of nuclear energy into optical radiation and reduce the harmful effects of radiation on semiconductor solar cells.
Заявленный способ может быть реализован с помощью изображенного на чертеже устройства, выполненного в виде контейнера. Фотоэлектрические преобразователи 1 размещены вблизи радиоактивного источника γ-излучения - радиоактивных отходов 2. Между источником излучения - радиоактивными отходами и фотоэлектрическими преобразователями - размещена рабочая газовая среда - смесь Ar-N2, находящаяся под давлением 1-5 атм и излучающая преимущественно в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на переходах С→В и В→А молекулы азота N2 соответственно. Радиоактивные отходы могут быть размещены внутри емкости с оптически активной средой.The claimed method can be implemented using the device shown in the drawing, made in the form of a container. Photoelectric converters 1 are placed near a radioactive source of γ-radiation - radioactive waste 2. Between the radiation source - radioactive waste and photoelectric converters - there is a working gas medium - Ar-N 2 mixture, which is under pressure 1-5 atm and emits mainly in the wavelength ranges 350-410 and 750-1050 nm at transitions C → B and B → A of the nitrogen molecule N 2, respectively. Radioactive waste can be placed inside a container with an optically active medium.
Ожидаемая удельная электрическая мощность энергосъема с отработанного топлива составляет w=1 Вт/кг, а полная постоянная электрическая мощность одной сборки радиусом 40 м из 200 контейнеров диаметром 0.5 м и высотой 3 м - Р=1 МВт. При этом получение электрической энергии не зависит от местоположения источника γ-излучения, а воздействие вредного излучения на полупроводниковые структуры уменьшено.The expected specific electric power of energy extraction from spent fuel is w = 1 W / kg, and the total constant electric power of one assembly with a radius of 40 m from 200 containers with a diameter of 0.5 m and a height of 3 m is P = 1 MW. Moreover, the production of electric energy does not depend on the location of the source of γ-radiation, and the effect of harmful radiation on semiconductor structures is reduced.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008114630/06A RU2388087C2 (en) | 2008-04-14 | 2008-04-14 | Method of converting radiation energy of radioactive wastes to electrical energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008114630/06A RU2388087C2 (en) | 2008-04-14 | 2008-04-14 | Method of converting radiation energy of radioactive wastes to electrical energy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008114630A RU2008114630A (en) | 2009-10-20 |
| RU2388087C2 true RU2388087C2 (en) | 2010-04-27 |
Family
ID=41262615
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008114630/06A RU2388087C2 (en) | 2008-04-14 | 2008-04-14 | Method of converting radiation energy of radioactive wastes to electrical energy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2388087C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2595772C1 (en) * | 2015-07-17 | 2016-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Radioisotope photo-thermoelectric generator |
| RU169881U1 (en) * | 2016-06-20 | 2017-04-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Электросервис" | RADIO ISOTOPIC POWER SUPPLY |
| RU2650885C1 (en) * | 2017-08-03 | 2018-04-18 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского | Nuclear reactor with direct transformation of energy outside the active zone |
| RU2756478C1 (en) * | 2020-11-17 | 2021-10-01 | Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия радиационной, химической и биологической защиты имени Маршала Советского Союза С.К. Тимошенко" Министерства обороны Российской Федерации | Method for converting the energy of ionizing radiation from a radioactively contaminated area into electricity by radiation shields |
| RU207579U1 (en) * | 2021-08-30 | 2021-11-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | RADIO ISOTOPE ELECTRIC POWER SOURCE |
-
2008
- 2008-04-14 RU RU2008114630/06A patent/RU2388087C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2595772C1 (en) * | 2015-07-17 | 2016-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Radioisotope photo-thermoelectric generator |
| RU169881U1 (en) * | 2016-06-20 | 2017-04-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Электросервис" | RADIO ISOTOPIC POWER SUPPLY |
| RU2650885C1 (en) * | 2017-08-03 | 2018-04-18 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского | Nuclear reactor with direct transformation of energy outside the active zone |
| RU2756478C1 (en) * | 2020-11-17 | 2021-10-01 | Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия радиационной, химической и биологической защиты имени Маршала Советского Союза С.К. Тимошенко" Министерства обороны Российской Федерации | Method for converting the energy of ionizing radiation from a radioactively contaminated area into electricity by radiation shields |
| RU207579U1 (en) * | 2021-08-30 | 2021-11-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | RADIO ISOTOPE ELECTRIC POWER SOURCE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008114630A (en) | 2009-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2388087C2 (en) | Method of converting radiation energy of radioactive wastes to electrical energy | |
| US11302456B2 (en) | Radiation powered devices comprising diamond material and electrical power sources for radiation powered devices | |
| Hora et al. | Laser-optical path to nuclear energy without radioactivity: Fusion of hydrogen–boron by nonlinear force driven plasma blocks | |
| Prelas et al. | A critical review of fusion systems for radiolytic conversion of inorganics to gaseous fuels | |
| Wang et al. | 14C levels in tree rings located near Qinshan Nuclear Power Plant, China | |
| US20160093411A1 (en) | Isotope energy conversion and spent nuclear fuel storage systems | |
| Lightfoot et al. | Nuclear fission fuel is inexhaustible | |
| Schott et al. | Photon intermediate direct energy conversion using a 90Sr beta source | |
| RU2694362C1 (en) | Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission of atomic nuclei and/or energy of thermonuclear neutrons) into electrical energy and a device for its implementation | |
| Karelin et al. | Salvaging of nuclear waste by nuclear-optical converters | |
| RU2584184C1 (en) | Space-based photovoltaic module design | |
| JP3238365U (en) | A tandem type CVD diamond semiconductor thin film battery device used for green hydrogen production by the water electrolysis method. | |
| JP3243275U (en) | A safety metal container device with a tandem CVD diamond semiconductor nuclear battery. | |
| Liakos | Gamma-ray-driven photovoltaic cells via a scintillator interface | |
| RU2756478C1 (en) | Method for converting the energy of ionizing radiation from a radioactively contaminated area into electricity by radiation shields | |
| JP3242297U (en) | A safety metal container device with a CVD diamond semiconductor nuclear battery. | |
| Hora et al. | Nuclear energy without radioactivity | |
| Henshaw | Modelling of nitric acid production in the Advanced Cold Process Canister due to irradiation of moist air | |
| Ali et al. | Solar Cells and Optoelectronic Devices in Space | |
| WO2009134457A1 (en) | Solid state power converter | |
| Izrael | Energy development and its effect on the environment | |
| Mohammadian Pourtalari | Nuclear Fusion of Hydrogen-Boron: A Clean Energy for the Future | |
| Ayers et al. | High power beta electron device-Beyond betavoltaics | |
| Steinfelds et al. | Development and testing of a nanotech nuclear battery for powering MEMS devices | |
| US20120261639A1 (en) | Structures for radiation detection and energy conversion using quantum dots |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100415 |