RU2624824C1 - Method of nuclear energy conversion into thermal and device for its implementation (variants) - Google Patents

Method of nuclear energy conversion into thermal and device for its implementation (variants) Download PDF

Info

Publication number
RU2624824C1
RU2624824C1 RU2016109041A RU2016109041A RU2624824C1 RU 2624824 C1 RU2624824 C1 RU 2624824C1 RU 2016109041 A RU2016109041 A RU 2016109041A RU 2016109041 A RU2016109041 A RU 2016109041A RU 2624824 C1 RU2624824 C1 RU 2624824C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
target
contents
unit
ion beam
energy
Prior art date
Application number
RU2016109041A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Юрьевич Быков
Вячеслав Михайлович Мосяж
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Финансовый партнер"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Финансовый партнер" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Финансовый партнер"
Priority to RU2016109041A priority Critical patent/RU2624824C1/en
Priority to PCT/RU2017/000127 priority patent/WO2017160184A1/en
Priority to SE1851249A priority patent/SE544185C2/en
Priority to DE112017001303.8T priority patent/DE112017001303T5/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2624824C1 publication Critical patent/RU2624824C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00—Reactor types
    • G21C1/30—Subcritical reactors ; Experimental reactors other than swimming-pool reactors or zero-energy reactors
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21D—NUCLEAR POWER PLANT
    • G21D1/00—Details of nuclear power plant
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
    • G21G1/00—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes
    • G21G1/02—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes in nuclear reactors
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
    • G21G1/00—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes
    • G21G1/04—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators
    • G21G1/10—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators by bombardment with electrically charged particles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: invention provides for energy generation with the disposal of spent nuclear fuel, small actinides, industrial radioactive and chemical waste. The energy generation is carried out by irradiating a deep subcritical target based on actinides with a beam of relativistic ions with the introduction of beam sweep operations of accelerated ions and mixing of the target contents carried out by the scanning and mixing units.
EFFECT: increased efficiency of nuclear energy conversion into thermal energy.
4 cl, 3 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к способу и устройствам преобразования ядерной энергии в тепловую, и предназначено для производства тепловой и электрической энергии с утилизацией отработавшего ядерного топлива, малых актинидов, промышленных отходов, включая радиоактивные и химические.The invention relates to the field of nuclear energy, and in particular to a method and devices for converting nuclear energy into heat, and is intended for the production of thermal and electric energy with the disposal of spent nuclear fuel, small actinides, industrial wastes, including radioactive and chemical ones.

В патенте РФ №2 238597 G21C 1/30 от 2003 г. «Способ преобразования ядерной энергии в тепловую энергию» предлагается облучать пучком релятивистских протонов глубоко подкритическую мишень из тяжелых химических элементов (свинец, висмут, торий и обедненный уран, а также их композиции). При этом содержимое мишени используют одновременно в качестве топлива и теплоносителя. Авторы отмечают ранее установленный факт, что с повышением энергии первичных частиц достигается более глубокое расщепление ядер мишени. Однако этому техническому решению присущи недостатки, к числу которых относятся низкая эффективность преобразования ядерной энергии в тепловую, неприемлемо высокие риски получения радиоактивных материалов, пригодных для ядерного терроризма, проблема утилизации потока нейтронов, порождаемых в материале мишени первично ускоренными частицами.In RF patent No. 2 238597 G21C 1/30 of 2003, “A method for converting nuclear energy into thermal energy”, it is proposed to irradiate with a beam of relativistic protons a deeply subcritical target of heavy chemical elements (lead, bismuth, thorium and depleted uranium, as well as their composition) . The contents of the target are used simultaneously as fuel and coolant. The authors note the previously established fact that with an increase in the energy of the primary particles, a deeper fission of the target nuclei is achieved. However, this technical solution has inherent disadvantages, including the low efficiency of converting nuclear energy into heat, unacceptably high risks of producing radioactive materials suitable for nuclear terrorism, the problem of utilizing the neutron flux generated in the target material by primarily accelerated particles.

В патенте РФ №2 413314 от 2008 г. «Способ и комплекс преобразования ядерной энергии в тепловую» техническое решение заключается в ускорении пучка многозарядных ионов изотопов урана, тория, висмута и свинца до энергии, обеспечивающей образование потока каскадных нуклонов в глубоко подкритической мишени, куда направляют такой пучок. При этом для повышения интенсивности потока вторичных частиц и с целью его последующей утилизации предлагается активную зону мишени частично или полностью формировать из отработавшего ядерного топлива. К недостаткам этого технического решения относится низкая эффективность преобразования ядерной энергии в тепловую.In RF patent No. 2 413314 from 2008, “Method and complex for converting nuclear energy into heat”, the technical solution consists in accelerating a beam of multiply charged isotopes of uranium, thorium, bismuth and lead to energy that ensures the formation of a cascade nucleon flux in a deeply subcritical target, where direct such a beam. Moreover, in order to increase the intensity of the stream of secondary particles and for the purpose of its subsequent disposal, it is proposed to partially or completely form the target core from spent nuclear fuel. The disadvantages of this technical solution include the low efficiency of the conversion of nuclear energy into thermal energy.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ преобразования ядерной энергии в тепловую, представленный в патенте РФ №2557616 от 26.06.2015 МПК G21C 1/30.The closest in technical essence to the proposed method is a method of converting nuclear energy into heat, presented in the patent of the Russian Federation No. 2557616 dated 06/26/2015 IPC G21C 1/30.

Ближайшим по технической сущности к предложенным устройствам является техническое решение по первому варианту устройства, представленному в патенте РФ №2557616 от 26.06.2015 МПК G21C 1/30 «Способ преобразования ядерной энергии в тепловую и устройство для его осуществления (варианты)».The closest in technical essence to the proposed devices is the technical solution for the first embodiment of the device, presented in RF patent No. 2557616 dated 06/26/2015 IPC G21C 1/30 "Method for converting nuclear energy into thermal energy and a device for its implementation (options)".

Недостатком известного способа является низкая эффективность преобразования ядерной энергии в тепловую вследствие неравномерности преобразования энергии в объеме мишени.The disadvantage of this method is the low efficiency of the conversion of nuclear energy into heat due to the uneven conversion of energy in the target volume.

Недостатком известного устройства является необходимость замены мишени при ее использовании в течение достаточно длительного времени вследствие снижения эффективности энерговыработки из-за неизбежного уменьшения доли делящегося материала в активной зоне мишени.A disadvantage of the known device is the need to replace the target when it is used for a sufficiently long time due to a decrease in the efficiency of energy production due to the inevitable decrease in the fraction of fissile material in the active zone of the target.

Техническим эффектом при осуществлении предложенного способа являются повышение эффективности преобразования ядерной энергии в тепловую, снижение себестоимости энерговыработки.The technical effect in the implementation of the proposed method is to increase the efficiency of conversion of nuclear energy into heat, reducing the cost of energy production.

Техническим эффектом при реализации предложенных устройств является снижение себестоимости энерговыработки, увеличение коэффициента использования установленной мощности.The technical effect in the implementation of the proposed devices is to reduce the cost of energy production, increase the utilization of installed capacity.

Технический результат по способу преобразования ядерной энергии в тепловую достигают тем, что создают и ускоряют пучок ионов, облучают им материал глубоко подкритической мишени, получают в ней поток вторичных частиц, включающий два и более поколения ядерных фрагментов, и высвобождают внутриядерную энергию в мишени с размерами, обеспечивающими передачу ей кинетической энергии пучка и потока вторичных частиц, компенсируют убыль материала мишени, при облучении мишени осуществляют перемещение пучка ионов по ее поверхности в телесном угле полного поглощения ею потока вторичных частиц и одновременно перемешивают содержимое мишени.The technical result of the method of converting nuclear energy into heat is achieved by creating and accelerating an ion beam, irradiating the material of a deeply subcritical target with it, receiving a stream of secondary particles in it, including two or more generations of nuclear fragments, and releasing intranuclear energy in the target with dimensions providing the kinetic energy of the beam and the stream of secondary particles to it, compensate for the loss of the target material, when the target is irradiated, the ion beam moves over its surface in solid angle its complete absorption of the stream of secondary particles and at the same time mix the contents of the target.

Технический результат в устройстве преобразования ядерной энергии в тепловую достигают тем, что в первом варианте устройства, содержащем расположенные последовательно и соосно ускоритель пучка ионов и блок транспортировки пучка, а также ориентированную вертикально глубоко подкритическую мишень из жидкого расплава, включающего тяжелые химические элементы, в жаропрочном, радиационно- и коррозионностойком корпусе с открытым верхним торцом, блок теплового трансформера и резервный блок, устройство дополнительно оснащено блоком электромагнитной развертки пучка ионов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и блоком перемешивания содержимого мишени, при этом блок развертки пучка ионов расположен соосно между блоком транспортировки пучка и мишенью, а блок перемешивания содержимого мишени выполнен с возможностью электромагнитного контакта с ее материалом.The technical result in the device for converting nuclear energy into thermal energy is achieved in that in the first embodiment of the device, comprising an ion beam accelerator arranged in series and coaxial and a beam transport unit, as well as a vertically oriented deeply subcritical target from a molten melt including heavy chemical elements, in heat-resistant, radiation- and corrosion-resistant housing with an open upper end, a thermal transformer unit and a backup unit, the device is additionally equipped with an electric unit agnitnoy scanning an ion beam in two mutually perpendicular planes, and stirring the contents target block, wherein the ion beam scanner is disposed coaxially between the beam transport block and the target block and stirring the contents of the target is configured to contact with the electromagnetic her pictures.

Во втором варианте устройства, содержащем расположенные последовательно и соосно ускоритель пучка ионов и блок транспортировки пучка, а также ориентированную вертикально глубоко подкритическую мишень, включающую тяжелые химические элементы, в жаропрочном радиационно- и коррозионностойком корпусе с открытым верхним торцом и связанные с ней блок теплового трансформера и резервный блок, мишень имеет сыпучее содержимое, устройство дополнительно оснащено блоком электромагнитной развертки пучка ионов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и блоком перемешивания содержимого мишени, а в нижней части корпуса мишени выполнено отверстие, при этом блок развертки пучка ионов расположен соосно между блоком транспортировки пучка и мишенью, а блок перемешивания содержимого мишени выполнен с возможностью механического контакта с содержимым мишени через оба отверстия в ее корпусе.In a second embodiment of the device, comprising an ion beam accelerator arranged sequentially and coaxially and a beam transport unit, as well as a vertically oriented, deeply subcritical target, including heavy chemical elements, in a heat-resistant radiation and corrosion-resistant casing with an open upper end and associated heat transformer unit and backup unit, the target has bulk contents, the device is additionally equipped with an electromagnetic scan unit of the ion beam in two mutually perpendicular planes speeds and the mixing unit of the target contents, and an opening is made in the lower part of the target body, while the ion beam scanning unit is located coaxially between the beam transporting unit and the target, and the target content mixing unit is made with the possibility of mechanical contact with the target contents through both holes in its body .

При этом сыпучее содержимое мишени может быть выполнено в виде тепловыделяющих элементов обтекаемой формы.In this case, the bulk contents of the target can be made in the form of streamlined fuel elements.

В предложенном способе преобразования ядерной энергии в тепловую под телесным углом полного поглощения потока вторичных частиц понимают угол, внутри которого осуществляют перемещение первичного пучка ускоренных ионов посредством блока его развертки с тем, чтобы создаваемый таким пучком поток вторичных частиц не выходил за пределы объема содержимого мишени. Характеристики телесного угла, за пределы которого не выходит поток вторичных частиц, образующийся в материале мишени, при фиксированном направлении первичного пучка к ее внешней поверхности экспериментально определены и опубликованы, в частности (В.С. Барашенков, В.Д. Тонеев. Взаимодействие высокоэнергетических частиц и атомных ядер с ядрами. М.: Атомиздат, 1972, гл. 3). Это позволяет расчетным путем определить телесный угол перемещения первичного пучка, в пределах которого поток вторичных частиц еще поглощается материалом мишени.In the proposed method for converting nuclear energy into thermal energy, the solid angle of complete absorption of the stream of secondary particles is understood as the angle inside which the primary beam of accelerated ions is moved by means of its sweep so that the stream of secondary particles created by such a beam does not go beyond the volume of the target. The characteristics of the solid angle, beyond which the stream of secondary particles formed in the target material does not go out, with a fixed direction of the primary beam to its outer surface, have been experimentally determined and published, in particular (V. S. Barashenkov, V. D. Toneev. Interaction of high-energy particles and atomic nuclei with nuclei. M: Atomizdat, 1972, Ch. 3). This allows the calculation to determine the solid angle of movement of the primary beam, within which the stream of secondary particles is still absorbed by the target material.

Совместное и одновременное использование операций развертки пучка и перемешивания содержимого мишени, а также средств их реализации является необходимым и достаточным условием достижения указанного технического эффекта. Развертка пучка и непрерывное перемешивание содержимого мишени способствуют повышению эффективности соответствующего преобразования его нуклидного состава под пучком и в потоке вторичных частиц, уменьшению амплитуды колебаний значений сопутствующей энерговыработки с соразмерным снижением энергонапряженности при регулярно осуществляемой компенсации убыли содержимого мишени (посредством резервного блока). Это обеспечивает достижение стационарного режима энерговыработки устройством и его поддержание, в принципе, неограниченно долго.The joint and simultaneous use of beam sweep and mixing of the contents of the target, as well as means for their implementation, is a necessary and sufficient condition for achieving the specified technical effect. Sweep of the beam and continuous mixing of the contents of the target increase the efficiency of the corresponding conversion of its nuclide composition under the beam and in the stream of secondary particles, decrease the amplitude of fluctuations in the values of the concomitant energy production with a commensurate decrease in energy intensity with regular compensation for the loss of target content (through the backup unit). This ensures the achievement of a stationary mode of energy production by the device and its maintenance, in principle, for an unlimited time.

Предложенные способ и устройства поясняют Фиг. 1-3.The proposed method and device is illustrated in FIG. 1-3.

На Фиг. 1 представлен общий вид первого варианта устройства преобразования ядерной энергии в тепловую, реализующего предложенный способ.In FIG. 1 shows a General view of the first embodiment of a device for converting nuclear energy into thermal energy, which implements the proposed method.

На Фиг. 2 представлен общий вид второго варианта устройства, реализующего предложенный способ.In FIG. 2 presents a General view of a second embodiment of a device that implements the proposed method.

На Фиг. 3 представлена укрупненная циклограмма работы обоих вариантов устройства в стационарном режиме.In FIG. 3 shows an enlarged sequence diagram of the operation of both versions of the device in stationary mode.

Цифрами на фигурах чертежей обозначены:The numbers in the figures of the drawings indicate:

1 - ускоритель пучка ионов,1 - ion beam accelerator,

2 - блок транспортировки пучка,2 - block transportation beam

3 - блок развертки пучка,3 - beam scanner

4 - глубоко подкритическая мишень полного поглощения,4 - deeply subcritical target of complete absorption,

5 - блок перемешивания содержимого мишени,5 - block mixing the contents of the target,

6 - резервный блок,6 - standby unit

7 - тепловой трансформер,7 - thermal transformer,

8 - запорное устройство,8 - locking device

9 - трубопровод подпитки мишени,9 - pipeline feeding target,

10, 11, 12, 13 - трубопроводы теплоносителя,10, 11, 12, 13 - coolant pipelines,

14 - открытый верхний торец мишени,14 - open upper end of the target,

15 - отверстие в нижней части мишени.15 - hole in the lower part of the target.

В обоих вариантах устройства (см. Фиг. 1 и 2) выход ускорителя линейного обратной волны 1 (УЛОВ, см. А.С. Богомолов, Т.С. Бакиров. Ионные ускорители для использования в индустрии. М.: Куна, 2012, 87 с. ) соосно сопрягают со входом блока транспортировки пучка 2. К выходу последнего также соосно подключают вход блока развертки пучка 3. Ориентированную вертикально мишень 4 размещают соосно ниже выхода блока развертки пучка 3 на удалении, необходимом для снижения негативного воздействия ионизирующего излучения от нее на оборудование этого блока.In both versions of the device (see Figs. 1 and 2), the output of the linear backward wave accelerator 1 (CUT, see AS Bogomolov, TS Bakirov. Ionic accelerators for use in industry. M: Kuna, 2012, 87 sec.) Coaxially mate with the input of the beam transport unit 2. The output of the beam scanner 3 is also coaxially connected to the output of the latter. A vertically oriented target 4 is placed coaxially below the output of the beam scanner 3 at a distance necessary to reduce the negative effect of ionizing radiation from it by equipment of this unit.

Форму и размеры мишени 4 выбирают из условия обеспечения полного поглощения в ее содержимом развернутого первичного пучка и потока вторичных частиц для изначально задаваемых параметров получения и извлечения образующегося там избыточного тепла.The shape and dimensions of the target 4 are selected from the condition of ensuring complete absorption in its contents of the unfolded primary beam and the stream of secondary particles for the initially set parameters for the production and extraction of excess heat generated there.

Различие обоих вариантов устройства друг от друга обусловлено их предназначением и проявляется в конструкции и составе мишени 4, блока перемешивания содержимого мишени 5, резервного блока 6 и теплового трансформера 7.The difference between the two variants of the device from each other is due to their purpose and is manifested in the design and composition of the target 4, the mixing unit of the contents of the target 5, the backup unit 6 and the heat transformer 7.

Первый вариант устройства (см. Фиг. 1) включает мишень 4 с содержимым в виде жидкого расплава, включающего актинидные элементы, и ориентирован на утилизацию отработавшего ядерного топлива, малых актинидов, прочих долгоживущих радионуклидов, а также других промышленных радиоактивных и химических отходов, и сопряженную с ней генерацию электрической и тепловой энергии, в том числе для внешних потребителей.The first version of the device (see Fig. 1) includes target 4 with the contents in the form of a liquid melt, including actinide elements, and is focused on the disposal of spent nuclear fuel, small actinides, other long-lived radionuclides, as well as other industrial radioactive and chemical wastes, and the associated with it the generation of electric and thermal energy, including for external consumers.

Для гомогенизации жидкого расплава, включающего тяжелые химические элементы, используют блок перемешивания 5 с возможностью электромагнитного контакта с содержимым мишени 4. Примерами реализации такого блока могут служить устройства, представленные, например, в патентах РФ 2571971, 2567970, 2453395.For homogenization of a liquid melt, including heavy chemical elements, a mixing block 5 is used with the possibility of electromagnetic contact with the contents of the target 4. Examples of the implementation of such a block are devices presented, for example, in RF patents 2571971, 2567970, 2453395.

Второй вариант устройства (см. Фиг. 2) на основе мишени 4 с сыпучим содержимым предназначен преимущественно для крупномасштабной промышленной тепло- и электрогенерации, в том числе в составе ядерно-технологических комплексов широкой номенклатуры с соразмерным выжиганием отработавшего ядерного топлива и малых актинидов, включение которых в содержимое мишени 4 способствует повышению энерговыработки устройства.The second version of the device (see Fig. 2) based on target 4 with bulk content is intended primarily for large-scale industrial heat and power generation, including as part of a wide range of nuclear technological complexes with a commensurate burning of spent nuclear fuel and small actinides, the inclusion of which into the contents of the target 4 helps to increase the energy production of the device.

Перемешивание сыпучего содержимого мишени 4 осуществляют посредством соответствующего блока, имеющего механический контакт с материалом мишени через верхнее 14 и нижнее 15 отверстия в ее корпусе. Примером реализации такого блока может служить устройство, конструкция которого представлена в монографии А.Я. Столяревский. Ядерно-технологические комплексы на основе высокотемпературных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 36.Mixing the bulk contents of the target 4 is carried out by means of a corresponding unit having mechanical contact with the target material through the upper 14 and lower 15 holes in its body. An example of the implementation of such a block is a device whose design is presented in the monograph by A.Ya. Stolyarevsky. Nuclear technology complexes based on high-temperature reactors. M .: Energoatomizdat, 1988, p. 36.

В обоих вариантах устройства (см. Фиг. 1, 2) резервный блок 6 и блок теплового трансформера 7 имеют возможность механического контакта с содержимым мишени 4.In both versions of the device (see Fig. 1, 2), the backup unit 6 and the thermal transformer unit 7 have the possibility of mechanical contact with the contents of the target 4.

При этом резервный блок 6 располагают над мишенью 4 для обеспечения естественной подачи его материала при открытом запорном устройстве 8 для компенсации убыли содержимого мишени 4. Отметим в этой связи, что основное состояние запорного устройства 8 - «закрыто».In this case, the backup unit 6 is located above the target 4 to ensure a natural supply of its material with the open locking device 8 to compensate for the loss of the contents of the target 4. Note in this regard that the main state of the locking device 8 is “closed”.

Агрегатное состояние содержимого резервного блока соответствует таковому для содержимого мишени в обоих вариантах устройства (жидкий расплав в первом, сыпучее содержимое - во втором). Соответственно этому осуществляется и отвод избыточного тепла из мишени через трубопроводы теплоносителя 10-13. В первом варианте устройства отвод тепла обеспечивается посредством жидкометаллического теплоносителя, в качестве которого для первого контура теплового трансформера 7 может использоваться само содержимое мишени. Во втором варианте устройства для отвода тепла из мишени используется газообразный теплоноситель, предпочтительно гелий.The aggregate state of the contents of the backup unit corresponds to that for the contents of the target in both versions of the device (liquid melt in the first, bulk content in the second). Accordingly, the removal of excess heat from the target through the pipelines of the coolant 10-13 is carried out. In the first embodiment of the device, heat is removed by means of a liquid metal coolant, for which the contents of the target itself can be used for the first circuit of the heat transformer 7. In a second embodiment of the device, a gaseous heat carrier, preferably helium, is used to remove heat from the target.

Предложенный способ реализуют в двух вариантах устройства следующим образом.The proposed method is implemented in two versions of the device as follows.

В первом варианте устройства (см. Фиг. 1) пучок релятивистских ионов из ускорителя 1 через блоки транспортировки 2 и развертки пучка 3 направляют через открытый верхний торец 14 в мишень 4.In the first embodiment of the device (see Fig. 1), the beam of relativistic ions from the accelerator 1 through the transport units 2 and the sweep of the beam 3 is sent through the open upper end 14 to the target 4.

Ионы пучка инициируют в атомных ядрах содержимого мишени 4 каскадные процессы их разрушения с сопутствующим, как правило, выделением внутриядерной энергии. Порождаемый ими вторичный поток частиц обеспечивает основную энерговыработку в мишени 4 посредством деления ядер актинидных элементов. На излете этого потока, представленного преимущественно нейтронами, немалая его доля поглощается ядрами актинидов, способствуя повышению до известных пределов калорийности содержимого мишени 4. Другая часть этого потока нейтрализуется осколками ядер актинидов с последующей их трансмутацией. Далее посредством блока перемешивания содержимого мишени 5 часть исходных и трансмутированных ядер продуктов деления (в составе смеси с актинидами) перемещается в верхнюю часть мишени, где разрушается (тоже, как правило, с выделением энергии) первичным пучком и в потоке вторичных частиц высокой энергии. Благодаря регулярно осуществляемой посредством резервного блока 6 компенсации убыли содержимого мишени 4 в ней достигается таким образом и поддерживается, в принципе, неопределенно долго равновесная пропорция между продуктами разрушения атомных ядер и актинидами.Beam ions initiate cascade processes of their destruction in the atomic nuclei of the contents of target 4 with, as a rule, accompanying release of intranuclear energy. The secondary stream of particles generated by them provides the main energy production in target 4 by fissioning the nuclei of actinide elements. At the end of this flux, which is predominantly represented by neutrons, a considerable portion of it is absorbed by actinide nuclei, contributing to an increase in the caloric content of target 4 to known limits. Another part of this flux is neutralized by fragments of actinide nuclei with their subsequent transmutation. Then, through the mixing unit of the contents of the target 5, part of the initial and transmuted nuclei of fission products (in the mixture with actinides) is transferred to the upper part of the target, where it is destroyed (also, as a rule, with the release of energy) by the primary beam and in the stream of secondary high-energy particles. Due to regularly compensated by the backup unit 6, the loss of the contents of the target 4 in it is achieved in this way and, in principle, an equilibrium proportion between the products of the destruction of atomic nuclei and actinides is maintained for an indefinitely long time.

Образующиеся в мишени излишки тепла посредством циркуляционных петель, включающих трубопроводы теплоносителя 10-13 теплового трансформера 7, выводят и затем либо целиком преобразуют в электрическую энергию с последующей передачей соответствующей ее доли внешним потребителям, либо частично используют для разнообразных технологических целей в виде высоко- и низкопотенциальной тепловой энергии.Excess heat generated in the target by means of circulation loops, including coolant pipelines 10-13 of the heat transformer 7, is removed and then either completely converted into electrical energy with subsequent transfer of its share to external consumers, or partially used for various technological purposes in the form of high and low potential thermal energy.

Во втором варианте устройства (см. Фиг. 2.) реализация способа преобразования ядерной энергии в тепловую осуществляется аналогично описанному для первого устройства.In the second embodiment of the device (see Fig. 2.), the implementation of the method of converting nuclear energy into thermal energy is carried out similarly as described for the first device.

Работа устройств осуществляется в соответствии с циклограммой (см. Фиг. 3).The operation of the devices is carried out in accordance with the sequence diagram (see. Fig. 3).

В ходе штатной эксплуатации первого варианта устройства полностью исключается извлечение из мишени 4 ее содержимого в форме жидких и/или твердых радиоактивных отходов. Радиоактивные материалы, возникающие при эксплуатации второго варианта устройства в виде исчерпавшего ресурс механической прочности сыпучего содержимого его мишени 4, направляют либо на рефабрикацию с последующей их загрузкой в подобную мишень, либо превращают в жидкий расплав для последующего использования в качестве содержимого мишени первого варианта устройства.During normal operation of the first variant of the device, the extraction from the target 4 of its contents in the form of liquid and / or solid radioactive waste is completely excluded. Radioactive materials arising from the operation of the second embodiment of the device in the form of the exhausted mechanical strength resource of the granular contents of its target 4 are either sent for refurbishment and then loaded into such a target, or converted into liquid melt for subsequent use as the target contents of the first embodiment of the device.

По окончании эксплуатационного ресурса обоих устройств или при досрочном выводе их из эксплуатации по иным причинам радиоактивные материалы блоков 4-7 и инфраструктуры 8-13 могут послужить в качестве топлива аналогичных устройств, в том числе следующего поколения.At the end of the operational life of both devices or when they are prematurely decommissioned for other reasons, the radioactive materials of blocks 4-7 and infrastructure 8-13 can serve as fuel for similar devices, including the next generation.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет создать и развернуть ядерную энергетику, отвечающую требованиям МАГАТЭ: практическая неограниченность запасов топливного сырья, естественная безопасность ядерных энергетических установок, обеспечение режима нераспространения, неизменность радиационного фона Земли.Thus, the use of the invention allows to create and deploy nuclear energy that meets the requirements of the IAEA: the practical unlimited reserves of fuel raw materials, the natural safety of nuclear power plants, ensuring the non-proliferation regime, the invariance of the Earth’s radiation background.

Claims (5)

1. Способ преобразования ядерной энергии в тепловую, заключающийся в том, что создают и ускоряют пучок ионов, облучают им материал глубоко подкритической мишени, получают поток вторичных частиц, включающий два и более поколения ядерных фрагментов, и высвобождают внутриядерную энергию в мишени с размерами, обеспечивающими передачу ей кинетической энергии пучка и потока вторичных частиц, компенсируют убыль материала мишени, отличающийся тем, что при облучении мишени осуществляют перемещение пучка ионов по ее поверхности в телесном угле полного поглощения ею потока вторичных частиц и одновременно перемешивают содержимое мишени.1. A method of converting nuclear energy into thermal energy, which consists in creating and accelerating an ion beam, irradiating a material of a deeply subcritical target with it, obtaining a stream of secondary particles including two or more generations of nuclear fragments, and releasing intranuclear energy in the target with dimensions that provide the transfer of the kinetic energy of the beam and the stream of secondary particles to it, compensate for the loss of the target material, characterized in that when the target is irradiated, the ion beam moves over its surface in the solid angle n lnogo its absorption flux of secondary particles and simultaneously mix the contents of the target. 2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее расположенные последовательно и соосно ускоритель пучка ионов и блок транспортировки пучка, а также ориентированную вертикально глубоко подкритическую мишень из жидкого расплава, включающего тяжелые химические элементы, в жаропрочном радиационно- и коррозионностойком корпусе с открытым верхним торцом, блок теплового трансформера и резервный блок, отличающееся тем, что устройство дополнительно оснащено блоком электромагнитной развертки пучка ионов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и блоком перемешивания содержимого мишени, при этом блок развертки пучка ионов расположен соосно между блоком транспортировки пучка и мишенью, а блок перемешивания содержимого мишени выполнен с возможностью электромагнитного контакта с ее материалом.2. A device for implementing the method according to claim 1, comprising an ion beam accelerator arranged in series and coaxially and a beam transport unit, as well as a vertically oriented deeply subcritical target from a liquid melt including heavy chemical elements in a heat-resistant radiation and corrosion-resistant housing with an open upper the end face, the thermal transformer unit and the backup unit, characterized in that the device is additionally equipped with an electromagnetic scan unit of the ion beam in two mutually perpendicular x planes and a block for mixing the contents of the target, while the block for scanning the ion beam is located coaxially between the block for transporting the beam and the target, and the block for mixing the contents of the target is made with the possibility of electromagnetic contact with its material. 3. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее расположенные последовательно и соосно ускоритель пучка ионов и блок транспортировки пучка, а также ориентированную вертикально глубоко подкритическую мишень, включающую тяжелые химические элементы, в жаропрочном радиационно- и коррозионностойком корпусе с открытым верхним торцом и связанные с ней блок теплового трансформера и резервный блок, отличающееся тем, что мишень имеет сыпучее содержимое, устройство дополнительно оснащено блоком электромагнитной развертки пучка ионов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и блоком перемешивания содержимого мишени, а в нижней части корпуса мишени выполнено отверстие,3. A device for implementing the method according to claim 1, comprising an ion beam accelerator arranged in series and coaxially and a beam transport unit, as well as a vertically oriented deeply subcritical target, including heavy chemical elements, in a heat-resistant radiation and corrosion-resistant housing with an open upper end and associated with it a heat transformer unit and a backup unit, characterized in that the target has free-flowing contents, the device is additionally equipped with an electromagnetic scan unit of the ion beam in Vuh mutually perpendicular planes and stirring the contents of the target block, and in the lower part of the target body is a hole, при этом блок развертки пучка ионов расположен соосно между блоком транспортировки пучка и мишенью, а блок перемешивания содержимого мишени выполнен с возможностью механического контакта с содержимым мишени через оба отверстия в ее корпусе. in this case, the ion beam scan unit is located coaxially between the beam transport unit and the target, and the target contents mixing unit is made with the possibility of mechanical contact with the target contents through both holes in its body. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что сыпучее содержимое мишени выполнено в виде тепловыделяющих элементов обтекаемой формы.4. The device according to p. 3, characterized in that the bulk content of the target is made in the form of streamlined fuel elements.
RU2016109041A 2016-03-14 2016-03-14 Method of nuclear energy conversion into thermal and device for its implementation (variants) RU2624824C1 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109041A RU2624824C1 (en) 2016-03-14 2016-03-14 Method of nuclear energy conversion into thermal and device for its implementation (variants)
PCT/RU2017/000127 WO2017160184A1 (en) 2016-03-14 2017-03-10 Method for converting nuclear energy into heat energy and device for implementing same (variants)
SE1851249A SE544185C2 (en) 2016-03-14 2017-03-10 A method for conversion of nuclear energy into thermal energy and a device for implementing the method
DE112017001303.8T DE112017001303T5 (en) 2016-03-14 2017-03-10 Method for converting nuclear energy into heat energy and device therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109041A RU2624824C1 (en) 2016-03-14 2016-03-14 Method of nuclear energy conversion into thermal and device for its implementation (variants)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624824C1 true RU2624824C1 (en) 2017-07-07

Family

ID=59312918

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016109041A RU2624824C1 (en) 2016-03-14 2016-03-14 Method of nuclear energy conversion into thermal and device for its implementation (variants)

Country Status (4)

Country Link
DE (1) DE112017001303T5 (en)
RU (1) RU2624824C1 (en)
SE (1) SE544185C2 (en)
WO (1) WO2017160184A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5037601A (en) * 1990-08-23 1991-08-06 Dauvergne Hector A Glass-pool, gas-cycle nuclear power plant
RU2238597C1 (en) * 2003-03-03 2004-10-20 Острецов Игорь Николаевич Method for nuclear-to-heat energy conversion
RU2413314C2 (en) * 2008-07-09 2011-02-27 Алексей Сергеевич Богомолов Method and complex of conversion of nuclear energy to heat energy
RU2557616C1 (en) * 2014-12-10 2015-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "Инжектор" Method of conversion of nuclear energy into heat energy and device for its implementation (versions)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004191190A (en) * 2002-12-11 2004-07-08 Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho High-temperature generating method and system by nuclear transformation processing
US20090242165A1 (en) * 2008-03-25 2009-10-01 Beitelman Leonid S Modulated electromagnetic stirring of metals at advanced stage of solidification
CA2794769A1 (en) * 2010-03-29 2011-10-06 Jacobs E&C Limited Accelerator-driven nuclear system with control of effective neutron multiplication coefficent
KR101515825B1 (en) * 2010-08-31 2015-05-04 더 텍사스 에이 앤드 엠 유니버시티 시스템 Accelerator driven sub-critical core
EP2792755B1 (en) 2013-04-16 2015-06-10 ABB Technology Ltd A method and a control system for controlling a melting and refining process
RU2567970C1 (en) 2014-08-05 2015-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук Device for mixing melted aluminium alloy (versions)

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5037601A (en) * 1990-08-23 1991-08-06 Dauvergne Hector A Glass-pool, gas-cycle nuclear power plant
RU2238597C1 (en) * 2003-03-03 2004-10-20 Острецов Игорь Николаевич Method for nuclear-to-heat energy conversion
RU2413314C2 (en) * 2008-07-09 2011-02-27 Алексей Сергеевич Богомолов Method and complex of conversion of nuclear energy to heat energy
RU2557616C1 (en) * 2014-12-10 2015-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "Инжектор" Method of conversion of nuclear energy into heat energy and device for its implementation (versions)

Also Published As

Publication number Publication date
SE1851249A1 (en) 2018-10-12
DE112017001303T5 (en) 2018-11-22
SE544185C2 (en) 2022-02-22
WO2017160184A1 (en) 2017-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Aksenov et al. On the limit of neutron fluxes in the fission-based pulsed neutron sources
Lomonaco et al. An intrinsically safe facility for forefront research and training on nuclear technologies—Burnup and transmutation
RU2624824C1 (en) Method of nuclear energy conversion into thermal and device for its implementation (variants)
Takahashi et al. Concepts of accelerator based transmutation systems
US11901095B2 (en) System for electrostatic accelerator driven neutron generation for a liquid-phase based transmutation of radioactive transuranic waste
US20210358649A1 (en) Systems and methods for laser driven neutron generation for a liquid-phase based transmutation
Golovkina et al. Power plant based on subcritical reactor and proton linac
Ripani et al. Study of an intrinsically safe infrastructure for training and research on nuclear technologies
Revol An accelerator-driven system for the destruction of nuclear waste
RU2557616C1 (en) Method of conversion of nuclear energy into heat energy and device for its implementation (versions)
US9613726B2 (en) Systems and methods for reducing the storage time of spent nuclear fuel
Nevinitsa et al. Analysis of the possibilities of developing a molten-salt blanket for a subcritical demonstration reactor
Pudjorahardjo et al. High power particle accelerator for driving the nuclear waste transmutation system at nuclear power plant
Konashi et al. New transmutation method by using moving target
Nakamura et al. Transmutation of fission products through accelerator
Ado et al. Subcritical power reactor with irradiation by a beam of accelerated protons
Sinha Physics study of DD/DT neutron driven experimental subcritical assembly
Lantz et al. Neutron-induced fission studies at the IGISOL facility
Isaacs PARTITIONING/TRANSMUTATION AND WASTE DISPOSAL: Wbich Comes First?
Salvatores et al. Challenges and potential benefits of partitioning and transmutation (P&T)
WASTE ACCELERATOR-DRIVEN TRANSMUTATION OF WASTE (ATW)
Ursu et al. New developments in direct nuclear fission energy conversion devices
Polański et al. Simulation of energy deposition and neutron spectrum of subcritical assembly irradiated with proton beam with MCNPX transport code
Adams et al. Accelerator-driven thorium cycle: New technology makes it feasible
Shayer Possibility of transmutation of {sup 90} Sr and {sup 137} Cs in a high-intensity photon flux accelerator device

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20200513