RU2755811C1 - Method for controlled nuclear fission and nuclear reactor - Google Patents

Method for controlled nuclear fission and nuclear reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2755811C1
RU2755811C1 RU2021104164A RU2021104164A RU2755811C1 RU 2755811 C1 RU2755811 C1 RU 2755811C1 RU 2021104164 A RU2021104164 A RU 2021104164A RU 2021104164 A RU2021104164 A RU 2021104164A RU 2755811 C1 RU2755811 C1 RU 2755811C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fission
reactor
neutrons
neutron
zone
Prior art date
Application number
RU2021104164A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Васильевич Дробышевский
Александр Владимирович Корженевский
Сергей Александрович НЕКРАСОВ
Сергей Николаевич Столбов
Original Assignee
Юрий Васильевич Дробышевский
Александр Владимирович Корженевский
Сергей Александрович НЕКРАСОВ
Сергей Николаевич Столбов
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 Юрий Васильевич Дробышевский, Александр Владимирович Корженевский, Сергей Александрович НЕКРАСОВ, Сергей Николаевич Столбов filed Critical Юрий Васильевич Дробышевский
Priority to RU2021104164A priority Critical patent/RU2755811C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2755811C1 publication Critical patent/RU2755811C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00Reactor types
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C5/00Moderator or core structure; Selection of materials for use as moderator
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

FIELD: nuclear science.
SUBSTANCE: invention relates to a method for controlled nuclear fission and a reactor for its implementation. Fast neutrons are slowed down and a field of thermal neutrons is formed, and thermal neutrons are selected and returned to the fission zone. The fission zone of the reactor is performed without a moderator, the fissile material is introduced with a concentration of 235U comparable to or less than the concentration in natural uranium, the flux of thermal neutrons is deeply introduced through the channels in the fissile material before the interaction, increasing the return path of fast neutrons in it, the flux is moved relative to the fissile material of the fission zone reactor. The reactor contains a decelerating focusing structure, a fission zone, an energy pickup device, and the fission zone of the reactor does not contain moderators, the decelerating focusing structure has spacer grids, neutron interception sections, one or more neutron return sections, whose selection plates are oriented into the channels between the plates with a spacer grid with fissile matter of the fission zone.
EFFECT: simplification, growth of the specific power in the reactor and ensuring energy efficiency, safety and environmental acceptability, expanding the technical capabilities of nuclear reactors and the range of areas of their technical application.
5 cl, 4 dwg, 2 tbl

Description

Область техникиTechnology area

Группа изобретений относится к области ядерной физики, в частности к физике процессов получения энергии и полезного применения ядерных реакторов деления.The group of inventions relates to the field of nuclear physics, in particular to the physics of energy production processes and the useful application of nuclear fission reactors.

Предшествующий уровень техникиPrior art

Из уровня техники известен способ получения энергии в процессе управляемого деления ядер, (описанный в патенте US 2708656, от 17.03.1955) в котором в качестве делящегося вещества используется природный или обогащенный уран. Процесс деления осуществляется с помощью тепловых нейтронов, образуемых в процессе замедления быстрых нейтронов деления. В качестве замедлителя используют обычную воду, тяжелую воду или графит. Энергия деления ядер преобразуется в тепловую энергию, передаваемую теплоносителю, в качестве которого используют воду или жидкие металлы. Недостатками способа являются низкая эффективность использования топлива, риск крупномасштабных аварий и малая экологическая приемлемость способа из-за нерешенной проблемы полезного использования отработанного топлива.A method of obtaining energy in the process of controlled fission of nuclei (described in patent US 2708656, dated 17.03.1955) is known from the prior art, in which natural or enriched uranium is used as a fissile substance. The fission process is carried out with the help of thermal neutrons generated in the process of slowing down fast fission neutrons. Plain water, heavy water, or graphite are used as moderators. Nuclear fission energy is converted into thermal energy, transferred to the coolant, which is used as water or liquid metals. The disadvantages of this method are low fuel efficiency, the risk of large-scale accidents and low environmental acceptability of the method due to the unsolved problem of the useful use of spent fuel.

Известен способ получения энергии (RU 2088981 от 01.02.1996), в котором в процессе работы реактора нарабатывается в режиме бриддинга и выжигается Pu-239 на быстрых нейтронах. Облученное топливо выгружают и перерабатывают. При переработке производят выделение образовавшегося при облучении топлива из имеющегося воспроизводящего вещества (U-238) смеси, делящегося вещества (Pu-239) и очищают уран от продуктов деления, затем формируют топливную смесь повторно в ее исходных обогащенных концентрациях. Глубина выгорания определяется величиной исходного обогащения топлива рабочим изотопом с учетом периодического возобновления в открытом топливном цикле. Топливо имеет избыточную критичность состава на тепловых нейтронах. Недостатками способа являются низкая эффективность использования топлива, риск крупномасштабных аварий и малая экологическая приемлемость способа, так как в процессе химической переработки облученного топлива часть радионуклидов попадает в окружающую среду.There is a known method of generating energy (RU 2088981 dated 02/01/1996), in which during the operation of the reactor, it is produced in the bridging mode and burned out Pu-239 on fast neutrons. The irradiated fuel is discharged and processed. During reprocessing, the fuel formed during irradiation is separated from the existing fertile substance (U-238) mixture, fissile substance (Pu-239) and uranium is purified from fission products, then the fuel mixture is re-formed in its original enriched concentrations. The burnup depth is determined by the value of the initial fuel enrichment with the working isotope, taking into account the periodic renewal in the open fuel cycle. The fuel has excessive thermal neutron composition criticality. The disadvantages of this method are low efficiency of fuel use, the risk of large-scale accidents and low environmental acceptability of the method, since in the process of chemical processing of irradiated fuel part of the radionuclides enters the environment.

Известен способ получения энергии (УФН том 163, №8) в котором предлагается реактор на базе нейтронно-делительной волны на быстрых и на тепловых нейтронах реализуемый в концепции реактора с испаряющейся активной зоной. Недостатками являются малая эффективность использования топлива, низкое энерговыделение.There is a known method of obtaining energy (UFN volume 163, No. 8) in which a reactor based on a neutron-fission wave on fast and on thermal neutrons is proposed, which is implemented in the concept of a reactor with an evaporating core. The disadvantages are low fuel efficiency, low energy release.

Известен способ управляемого деления ядер котором замедляют быстрые нейтроны и формируют поле тепловых нейтронов, проводят селектирование и возврат тепловых нейтронов в зону деления, снимают энергию деления, (Патент RU 2075116 от 30.12.1994) принятый нами за прототип. Способ характеризуется высокой глубиной выгорания делящегося вещества.A known method of controlled fission of nuclei which slows down fast neutrons and forms a field of thermal neutrons, carry out selection and return of thermal neutrons to the fission zone, remove the fission energy, (Patent RU 2075116 from 12/30/1994) adopted by us as a prototype. The method is characterized by a high burn-up rate of fissile matter.

К недостаткам относится некоторая сложность процесса.The disadvantages include some complexity of the process.

Из уровня техники также известен реактор для получения энергии в процессе управляемого деления ядер, принятый нами за прототип содержащий анизотропный замедлитель, выполненный в виде замедляюще-фокусирующей структуры формирования направленного потока нейтронов из замедлителя с каналами между ними, делящееся вещество и зону деления с областью тепловых и областью быстрых нейтронов устройство перемещения делящегося вещества, устройство преобразования выделяющейся энергии с контуром теплоносителя (Патент RU 2075116 от 30.12.1994). Реактор характеризуется высокой глубиной выгорания делящегося вещества.The state of the art also knows a reactor for generating energy in the process of controlled fission of nuclei, which we adopted as a prototype containing an anisotropic moderator, made in the form of a moderating-focusing structure for the formation of a directed neutron flux from the moderator with channels between them, fissile matter and a fission zone with a region of thermal and in the area of fast neutrons, a device for moving fissile matter, a device for converting the released energy with a coolant circuit (Patent RU 2075116 from 12/30/1994). The reactor is characterized by a high fissile material burnup.

К недостаткам относится некоторая сложность процесса.The disadvantages include some complexity of the process.

В способе и устройстве, принятом за прототип, производят глубокое выжигание ядерного топлива в процессе в процессе периодического нахождения его в области быстрых нейтронов, в области тепловых нейтронов и в зоне охлаждения, при постоянном вводе воспроизводящего ядерного топлива из U238, Th232 или их смеси, взамен их выгоревшей части.In the method and device adopted as a prototype, deep burning of nuclear fuel is performed during the process of periodically finding it in the region of fast neutrons, in the region of thermal neutrons and in the cooling zone, with constant introduction of fertile nuclear fuel from U 238 , Th 232 or their mixture , instead of their burnt out part.

Но, для некоторых технических задач необходимо достичь высокого выгорания топлива в исходном его составе без ввода восполняющего воспроизводящего вещества.But, for some technical problems, it is necessary to achieve high fuel burnup in its original composition without introducing a replenishing fertile substance.

Раскрытие изобретенийDisclosure of inventions

Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является разработка способа и ядерного реактора, для получения энергии в процессе управляемого деления ядерного делящегося вещества с высокой глубиной его выгорания.The task to be solved by the claimed group of inventions is the development of a method and a nuclear reactor for generating energy in the process of controlled fission of nuclear fissile matter with a high burnup depth.

Техническим результатом, достигаемым при реализации группы изобретений, является упрощение, рост удельной мощности в реакторе, и обеспечение энергетической эффективности, безопасности и экологической приемлемости, что позволяет повысить качество и расширить технические возможности ядерных реакторов и спектр областей их технического применения.The technical result achieved when implementing a group of inventions is to simplify, increase the specific power in the reactor, and ensure energy efficiency, safety and environmental acceptability, which makes it possible to improve the quality and expand the technical capabilities of nuclear reactors and the range of areas of their technical application.

Указанный технический результат достигается в способе управляемого деления ядер в котором замедляют быстрые нейтроны и формируют поле тепловых нейтронов, проводят селектирование и возврат тепловых нейтронов в зону деления, характеризующемся тем, что зону деления реактора выполняют без замедлителя, делящееся вещество вводят с концентрацией 235U сравнимой или меньшей, концентрации в природном уране, глубоко вводят поток тепловых нейтронов по каналам в делящемся веществе до взаимодействия увеличивая обратный пробег быстрых нейтронов в нем, перемещают поток относительно делящегося вещества зоны деления реактора.The specified technical result is achieved in a method of controlled fission of nuclei in which fast neutrons are slowed down and a field of thermal neutrons is formed, selection and return of thermal neutrons to the fission zone is carried out, characterized in that the fission zone of the reactor is performed without a moderator, the fissile substance is introduced with a concentration of 235 U comparable or lower, concentration in natural uranium, deeply introduce the flux of thermal neutrons through the channels in the fissile substance before the interaction, increasing the return path of fast neutrons in it, move the flux relative to the fissile substance of the fission zone of the reactor.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что выполняют ядерный реактор, содержащий замедляюще фокусирующую структуру, зону деления, устройство энергосъема, характеризующийся тем, что зона деления реактора не содержит замедлителей, замедляюще фокусирующая структура имеет дистанцирующие решетки имеет участки перехвата нейтронов, один или более участок возврата нейтронов, чьи селектирующие пластины ориентированы в каналы между пластин с дистанцирующей решеткой с делящимся веществом зоны деления.The specified technical result is also achieved due to the fact that a nuclear reactor is carried out containing a slowing focusing structure, a fission zone, an energy pickup device, characterized in that the fission zone of the reactor does not contain moderators, the slowing focusing structure has spacer gratings has sections for intercepting neutrons, one or more a neutron return section, whose selection plates are oriented into the channels between the plates with a spacer lattice with fissile matter of the fission zone.

Возможен ядерный реактор, характеризующийся тем, что содержит устройство привода, которое обеспечивает относительное перемещение участка возврата нейтронов замедляюще фокусирующей структуры относительно пластин с делящимся веществом зоны деления.A nuclear reactor is possible, characterized in that it contains a drive device that provides a relative movement of the neutron return section of the slowing focusing structure relative to the plates with fissile matter in the fission zone.

Возможен ядерный реактор, характеризующийся тем, что устройство энергосъема выполнено в виде контура теплоносителя зоны деления который содержит термосифон с устройством теплообмена размещенном выше зоны деления, устройство сорбционной очистки теплоносителя размещено за устройством теплообмена контура.A nuclear reactor is possible, characterized in that the energy pickup device is made in the form of a coolant contour of the fission zone, which contains a thermosyphon with a heat exchange device located above the fission zone, a device for sorption cleaning of the coolant is located behind the heat exchange device of the loop.

Возможен ядерный реактор, характеризующийся тем, что контур теплоносителя выполнен открытым с ускоряющим соплом, имеет емкость с теплоносителем, компрессор, каналы съема энергии с селектирующих пластин, каналы съема энергии с пластин с делящимся веществом зоны деления и каналы съема энергии с ускоряющего сопла.A nuclear reactor is possible, characterized by the fact that the coolant circuit is made open with an accelerating nozzle, has a container with a coolant, a compressor, channels for removing energy from the selection plates, channels for removing energy from the plates with fissile material of the fission zone and channels for removing energy from the accelerating nozzle.

Сущность данного способа заключается в том, что веществом замедлителя быстрые нейтроны замедляют, передавая их избыточную энергию ядрам его вещества. Затем, нейтроны, попавшие в область захвата по углам и двигающиеся вдоль каналов из глубины замедлителя, выводят в направлении делящегося вещества, причем зону деления реактора выполняют без замедлителя, делящееся вещество вводят с концентрацией 235U сравнимой или меньшей, концентрации в природном уране.The essence of this method is that fast neutrons are slowed down by the moderator substance, transferring their excess energy to the nuclei of its substance. Then, neutrons entering the capture area at the corners and moving along the channels from the depth of the moderator are removed in the direction of the fissile material, and the fission zone of the reactor is performed without a moderator, the fissile material is introduced with a concentration of 235 U comparable or lower than the concentration in natural uranium.

При этом глубоко вводят поток тепловых нейтронов по каналам в делящемся веществе до взаимодействия с ним увеличивая обратный пробег быстрых нейтронов в нем, перемещают поток относительно делящегося вещества зоны деления реактора, снимают энергию деления.At the same time, a flux of thermal neutrons is deeply introduced through the channels in the fissile substance before interacting with it, increasing the return path of fast neutrons in it, the flux is moved relative to the fissile substance of the fission zone of the reactor, and the fission energy is removed.

На обогащенном уране активная зона реактора на базе ЗФС энергонапряженная, может иметь небольшие размеры, но полезно используется лишь 1 из 2.5 нейтронов.On enriched uranium, the PFS reactor core is energetically intensive, can be small, but only 1 out of 2.5 neutrons is used useful.

Особый интерес представляет работа реактора на дешевом обедненном уране.Of particular interest is the operation of the reactor using cheap depleted uranium.

У исходного обедненного урана выход нейтронов при делении ядер достигает величины: ηtn = 0.74, ηfn = 1.12. Но базой является то, что при долговременном облучении тепловыми нейтронами исходного делящегося вещества из 238U в нем идет наработка 239Pu с высоким сечением его деления, и равновесная концентрация 239Pu, в долговременных составах, мала.

Figure 00000001
(13). А выход нейтронов из топливного состава формируемого в этом случае на тепловых нейтронах, мал, но положителен:For the initial depleted uranium, the neutron yield from nuclear fission reaches the value: η tn = 0.74, η fn = 1.12. But the basis is that during long-term irradiation with thermal neutrons of the initial fissile material from 238 U, it produces 239 Pu with a high fission cross section, and the equilibrium concentration of 239 Pu, in long-term compositions, is low.
Figure 00000001
(13). And the yield of neutrons from the fuel composition formed in this case on thermal neutrons is small, but positive:

Figure 00000002
Figure 00000002

Это является не недостатком, а преимуществом данного реактора, поскольку при эффективном возврате тепловых нейтронов нет необходимости бессмысленно выжигать нейтроны системой СУЗ для обеспечения его безопасной работы.This is not a disadvantage, but an advantage of this reactor, since with the effective return of thermal neutrons there is no need to pointlessly burn out neutrons by the CPS system to ensure its safe operation.

Ввод исходного делящегося вещества с концентрацией близкой или несколько меньшей, чем концентрация 235U в природном уране позволяет в процессе начальной стадии работы реактора сформировать состав для последующей длительной работы с высокой глубиной выгорания топлива в нем - долговременный стационарный состав.The introduction of the initial fissile material with a concentration close to or slightly lower than the concentration of 235 U in natural uranium allows, during the initial stage of the reactor operation, to form a composition for subsequent long-term operation with a high fuel burnup in it - a long-term stationary composition.

Так, например, при условном режиме CANDU (когда исходный состав природный уран, внешняя зона отсутствует, ЗФС полностью возвращает быстрый поток нейтронов, тепловыми) при стартовом составе 0.5% по 235U, в таблице 1 показан состав, сформированный в режиме долговременной работы при потоке нейтронов: Ff = 3.7⋅1013 см-2с-1, Ft = 1013 см-2с-1, Fact = 1, Nfull/Nact = 1.So, for example, under the conditional CANDU mode (when the initial composition is natural uranium, the outer zone is absent, the PFS completely returns a fast neutron flux, thermal) with a starting composition of 0.5% at 235 U each, Table 1 shows the composition formed in the long-term operation mode with a flux neutrons: F f = 3.7⋅10 13 cm - 2 s - 1 , F t = 10 13 cm - 2 s - 1 , F act = 1, N full / N act = 1.

Таблица 1 Стационарный состав на базе обедненного уранаTable 1 Stationary composition based on depleted uranium

Ft = 1013 см-2с-1, Ff = 1013 см-2с-1, Nfull/Nact = 1F t = 10 13 cm- 2 s- 1 , F f = 10 13 cm- 2 s- 1 , N full / N act = 1

ИзотопIsotope 238U 238 U 242Pu 242 Pu 240Pu 240 Pu 239Pu 239 Pu 243Am 243 Am 236U 236 U 244Cm 244 Cm Содержание, %Content, % 98.01098.010 0.8790.879 0.3150.315 0.2820.282 0.2310.231 0.0920.092 следыtraces

Выход нейтронов из состава: ηt = 1.075 на тепловых и ηf =1.368 на быстрых нейтронах динамика его формирования показана на фиг. 4.The yield of neutrons from the composition: η t = 1.075 for thermal and η f = 1.368 for fast neutrons, the dynamics of its formation is shown in Fig. 4.

В процессе работы реактора в ходе захвата топливным составом быстрых и тепловых нейтронов и последующих β-распадов идет последовательное выгорание (деление) всех образующихся в процессе работы актинидов. Зона деления реактора не содержит замедлителей, замедляюще фокусирующая структура имеет дистанцирующие решетки имеет участки перехвата нейтронов, один или более участок возврата нейтронов, чьи селектирующие пластины ориентированы в каналы между пластин с дистанцирующей решеткой с делящимся веществом зоны деления.During the operation of the reactor, during the capture of fast and thermal neutrons by the fuel composition and subsequent β-decays, there is a sequential burnout (fission) of all actinides formed during the operation. The fission zone of the reactor does not contain moderators, the decelerating focusing structure has spacer grids, it has sections for intercepting neutrons, one or more sections for neutron return, whose selection plates are oriented into channels between the plates with a spacer lattice with fissile material of the fission zone.

В реакторе шаг пластин замедляюще- фокусирующей структуры формирования направленного потока нейтронов совпадает с шагом тепловыделяющих элементов.In the reactor, the pitch of the plates of the slowing-focusing structure for the formation of a directed neutron flux coincides with the pitch of the fuel elements.

Сформированный селектирующими пластинами ЗФС поток тепловых нейтронов имеет расходимость (до 5'-10'), при высокой плотности потока. Он, между пластин, расширяясь глубоко проникает в активную зону реактора до взаимодействия с делящимся веществом и до взаимодействия с наработанным плутонием-239 и с другими актинидами. В результате увеличивается обратный пробег рожденных быстрых нейтронов из глубины активной зоны реактора, растет эффективное отношение размеров быстрой зоны реактора к тепловой зоне. При этом идет наработка плутония-239, растут характерные размеры активной зоны, общая масса делящегося вещества в реакторе и ресурс работы реактора.The thermal neutron flux formed by the PFS selection plates has a divergence (up to 5'-10 ') at a high flux density. Between the plates, it expands deeply into the reactor core before interacting with fissile material and before interacting with the produced plutonium-239 and other actinides. As a result, the return path of generated fast neutrons from the depth of the reactor core increases, and the effective ratio of the dimensions of the fast reactor zone to the thermal zone increases. At the same time, plutonium-239 is being produced, the characteristic dimensions of the core, the total mass of fissile material in the reactor and the service life of the reactor are growing.

Важно, что при долговременном облучении тепловыми нейтронами исходного делящегося вещества из 238U или 232Th в нем идет наработка 239Pu или 233U с высоким сечением их деления, но из-за реального соотношения их сечений захвата и деления на тепловых нейтронах равновесные концентрации этих изотопов в долговременных составах, малы.

Figure 00000001
и
Figure 00000003
It is important that during long-term thermal neutron irradiation of the initial fissile material from 238 U or 232 Th, it produces 239 Pu or 233 U with a high fission cross section, but because of the real ratio of their capture and fission cross sections on thermal neutrons, the equilibrium concentrations of these isotopes in long-term formulations, are small.
Figure 00000001
and
Figure 00000003

В то же время, равновесные концентрации этих изотопов при облучении исходных делящихся веществ быстрыми нейтронами много больше:At the same time, the equilibrium concentrations of these isotopes upon irradiation of the initial fissile substances with fast neutrons are much higher:

Figure 00000004
и
Figure 00000005
Figure 00000004
and
Figure 00000005

То есть, основное деление идет при взаимодействии с тепловыми нейтронами реактора, а наработка делящихся изотопов должна идти при взаимодействии с быстрыми нейтронами этого реактора поэтому увеличение обратного пробега быстрых нейтронов, увеличивает наработку плутония-239. Реактор содержит устройство привода, которое обеспечивает относительное перемещение участка возврата нейтронов замедляюще фокусирующей структуры относительно пластин с делящимся веществом зоны деления. При этом поток тепловых нейтронов последовательно перемещается с участков, где идет выгорание наработанного плутонием-239, на участки где идет его наработка.That is, the main fission occurs when interacting with thermal neutrons of the reactor, and the production of fissile isotopes should occur when interacting with fast neutrons of this reactor, therefore, an increase in the return path of fast neutrons increases the production of plutonium-239. The reactor contains a drive device that provides a relative movement of the neutron return section of the slowing focusing structure relative to the fissile plates of the fission zone. In this case, the flux of thermal neutrons sequentially moves from the areas where the accumulated plutonium-239 is burned out, to the areas where it is being produced.

Возможен вариант, когда делящееся вещество зоны деления выполнено в виде дисковых пластин, селектирующие пластины участка возврата нейтронов замедляюще фокусирующей структуры выполнены секторами колец профилированы и ориентированы в каналы между пластин с делящимся веществом зоны деления.A variant is possible when the fissile matter of the fission zone is made in the form of disk plates, the selection plates of the neutron return section of the slowing down focusing structure are made by the sectors of the rings, profiled and oriented into the channels between the plates with fissile matter of the fission zone.

Возможен вариант, когда делящееся вещество зоны деления выполнено в виде плоских пластин, селектирующие пластины участка возврата нейтронов замедляюще фокусирующей структуры выполнены соосно оси реактора и ориентированы в каналы между пластин с делящимся веществом зоны деления.A variant is possible when the fissile matter of the fission zone is made in the form of flat plates, the selection plates of the neutron return section of the moderating focusing structure are made coaxially with the axis of the reactor and are oriented into the channels between the plates with fissile matter of the fission zone.

Возможен вариант, когда устройство энергосъема выполнено в виде контура теплоносителя зоны деления который содержит термосифон с устройством теплообмена размещенном выше зоны деления, устройство сорбционной очистки теплоносителя размещено за устройством теплообмена контура. Возможно применение термоэлектирических энергопреобразователей.A variant is possible when the energy pickup device is made in the form of a coolant contour of the dividing zone, which contains a thermosyphon with a heat exchange device located above the dividing zone, the sorption cleaning device of the coolant is placed behind the heat exchange device of the loop. It is possible to use thermoelectric power converters.

В качестве теплоносителя активной зоны реактора может быть использован гелий, натрий и широкий класс других жидких и газообразных веществ. Желательно чтобы при этом сечение рассеяния ими нейтронов было мало и вещество не являлось замедлителем, чтобы спектр выходящих из активной зоны нейтронов не был «серым».Helium, sodium and a wide class of other liquid and gaseous substances can be used as the coolant of the reactor core. It is desirable that in this case the neutron scattering cross section by them is small and the substance is not a moderator, so that the spectrum of neutrons emerging from the active zone is not "gray".

При работе реактора с относительно тонкостенными пластинами с делящимся веществом и с защитным покрытием при рабочей температуре возможна диффузия и выход продуктов деления из материала. Целесообразна их последующая концентрация в сорбенте чтобы уменьшить их концентрацию в активной зоне и в теплоносителе.When a reactor operates with relatively thin-walled plates with fissile material and with a protective coating at the operating temperature, diffusion and release of fission products from the material are possible. Their subsequent concentration in the sorbent is expedient in order to reduce their concentration in the core and in the coolant.

При этом собственно устройство сорбционной очистки теплоносителя может быть размещено за устройством теплообмена контура, как вне активной зоны реактора, так и в ней для трансмутации накапливаемых в сорбенте осколков деления актинидов.In this case, the device itself for the sorption cleaning of the coolant can be placed behind the heat exchange device of the circuit, both outside the reactor core, and in it for transmutation of actinide fission fragments accumulated in the sorbent.

Теплоноситель движется вдоль поверхности пластин с делящимся веществом. При этом если область высокого энерговыделения является тонкой, а энергосъем ведется вдоль всей области энерговыделения, то максимальное энерговыделение в подобном устройстве, может быть крайне высоким.The coolant moves along the surface of the fissile plates. Moreover, if the region of high energy release is thin, and the energy output is carried out along the entire region of energy release, then the maximum energy release in such a device can be extremely high.

Так для примера, если: ширина пристеночного потока отселектированных нейтронов, а значит и толщина энергонапряженного слоя составляет hs ≤ 0.1 мм;So, for example, if: the width of the near-wall flux of the selected neutrons, and hence the thickness of the energy-stressed layer, is h s ≤ 0.1 mm;

- перепад температур на теплоносителе ΔTmax = 100 К;- temperature difference across the coolant ΔT max = 100 K;

- коэффициент конвективной теплоотдачи от поверхности αmax = 10000 Вт/м2К;- coefficient of convective heat transfer from the surface α max = 10000 W / m 2 K;

То есть при этом, максимальное выделение энергии и энергосъем в тонком слое делящегося вещества, снимаемые с его поверхности, может достигать величины:That is, in this case, the maximum energy release and energy output in a thin layer of fissile matter, removed from its surface, can reach the value:

Figure 00000006
. Что в высоконапряженном ядерном реакторе при узких направленных потоках тепловых нейтронов до 3×1016 см-2сек-1, возможно.
Figure 00000006
... That in a highly stressed nuclear reactor with narrow directed fluxes of thermal neutrons up to 3 × 10 16 cm -2 sec -1 is possible.

Поэтому возможен вариант, когда устройство энергосъема выполнено так что, контур теплоносителя выполнен открытым с ускоряющим соплом, имеет емкость с теплоносителем, компрессор, каналы съема энергии с селектирующих пластин, каналы съема энергии с пластин с делящимся веществом зоны деления и каналы съема энергии с ускоряющего сопла. В этом случае ядерный реактор является источником энергии ракетного ядерного двигателя. Теплоносителем может быть водород или гелий что позволяет увеличить удельный импульс и удельную тягу двигателя.Therefore, an option is possible when the energy collection device is made so that the coolant circuit is made open with an accelerating nozzle, has a container with a coolant, a compressor, channels for removing energy from the selection plates, channels for removing energy from the plates with fissile material of the fission zone and channels for removing energy from the accelerating nozzle ... In this case, the nuclear reactor is the source of energy for the nuclear rocket engine. The coolant can be hydrogen or helium, which makes it possible to increase the specific impulse and specific thrust of the engine.

Возможно использование воздуха.Use of air is possible.

Для этого замедлитель выполняют структурированным и анизотропным в виде пакета протяженных профилированных пластин, с каналами между ними. Для чего замедляюще-селектирующая структура выполнена в виде группы изогнутых пластин переменной кривизны, причем таких, что образованные между ними криволинейные каналы на краях участков с минимальной кривизной ориентированы в направлении тепловыделяющих элементов, выполненных в виде плоских пластин с протекающим между ними теплоносителем. При этом активная зона реактора выполнена анизотропной с каналами между пластин с делящимся веществом, замедляюще фокусирующая структура содержит селектирующие пластины ориентированные в каналы между пластин с делящимся веществом активной зоны.For this, the retarder is made structured and anisotropic in the form of a package of extended profiled plates with channels between them. For this, the retarding-selective structure is made in the form of a group of curved plates of variable curvature, such that the curved channels formed between them at the edges of the sections with minimum curvature are oriented in the direction of the fuel elements made in the form of flat plates with a coolant flowing between them. In this case, the reactor core is made anisotropic with channels between the plates with fissile material, the decelerating focusing structure contains selection plates oriented into the channels between the plates with fissile material of the core.

Возможность реализации способа обусловлена тем, что поведение нейтронов в замедлителе, вне замедлителя и на границе раздела сред существенно различаются.The possibility of implementing the method is due to the fact that the behavior of neutrons in the moderator, outside the moderator and at the interface between the media are significantly different.

Прежде всего, обратим внимание на то, что для полного внешнего отражения нейтронов от поверхности необходимо, чтобы поперечная компонента кинетической энергии нейтрона касательно двигающегося вдоль поверхности была меньше средней потенциальной энергии отталкивания нейтронов в среде, которая может быть определена и как граничная энергия нейтронов в среде.First of all, let us pay attention to the fact that for the total external reflection of neutrons from the surface, it is necessary that the transverse component of the kinetic energy of a neutron tangentially moving along the surface is less than the average potential energy of neutron repulsion in the medium, which can also be defined as the boundary energy of neutrons in the medium.

Угол полного внешнего отражения нейтронов определяется отношением граничной скорости нейтрона vгр на поверхности вещества к скорости v0 = 2200 м/с тепловых нейтронов реактора

Figure 00000007
.The angle of total external reflection of neutrons is determined by the ratio of the boundary neutron velocity v gr on the surface of the substance to the velocity v 0 = 2200 m / s of thermal neutrons of the reactor
Figure 00000007
...

Можно представить следующую таблицу для граничной энергии Eгр, граничной длины волны λгр, и поперечной граничной скорости нейтронов vгр для разных веществ на поверхности замедлителя:The following table can be presented for the boundary energy E g , the boundary wavelength λ g , and the transverse boundary velocity of neutrons v g for different substances on the surface of the moderator:

Таблица 2table 2

ВеществоSubstance Eгр, нэВE gr , neV λгр, нмλ gr , nm vгр, м/сv gr , m / s AlAl 0.540.54 123123 3.223.22 CuCu 1.681.68 69.869.8 5.675.67 C (графит плотность 2 г/см3)C (graphite density 2 g / cm 3 ) 1.731.73 68.768.7 5.675.67 BeBe 2.432.43 5858 6.816.81 BeO (2.9 г/см3)BeO (2.9 g / cm 3 ) 2.622.62 55.855.8 7.087.08 D2O (1.105 г/см3)D 2 O (1.105 g / cm 3 ) 1.661.66 70.270.2 5.635.63 Нерж. сталь 1Х18Н10Т St. steel 1Х18Н10Т 1.821.82 67.067.0 5.905.90 СтеклоGlass 0.90.9 95.395.3 4.154.15 СвинецLead 0.870.87 96.996.9 4.084.08

Этот угол равен ϕs = 10' для поверхности из графита, ϕs = 12' для поверхности из бериллия, ϕs = 10.7' для поверхности из железа, ϕs = 11.5' для поверхности из никеля и ϕs = 5.0' для поверхности из аллюминия. Угол полного отражения нейтронов можно увеличить снижением температуры замедлителя вплоть до 4.2K, или увеличить до единиц градусов нанесением на поверхность суперзеркальных покрытий.This angle is ϕ s = 10 'for a graphite surface, ϕ s = 12' for a beryllium surface, ϕ s = 10.7 'for an iron surface, ϕ s = 11.5' for a nickel surface, and ϕ s = 5.0 'for a surface from aluminum. The angle of total neutron reflection can be increased by lowering the moderator temperature down to 4.2K, or increased to several degrees by applying supermirror coatings to the surface.

Суперзеркала представляют собой структуры из слоев с различными оптическими потенциалами, нанесенными на какую либо подложку. Например, это может быть многослойная система из широкого барьера и тонких периодических слоев из FeCo-Si.Supermirrors are structures of layers with different optical potentials deposited on a substrate. For example, it can be a multilayer system of a wide barrier and thin periodic layers of FeCo-Si.

Можно записать и условия отражения нейтронов через показатель преломления нейтронов на поверхности вещества:

Figure 00000008
It is also possible to write down the conditions for neutron reflection through the refractive index of neutrons on the surface of a substance:
Figure 00000008

Где:

Figure 00000009
; - дебройлевская длина волны нейтрона со скоростью vn;Where:
Figure 00000009
; - de Broglie wavelength of a neutron with a velocity v n ;

N - концентрация ядер; b - длина когерентного рассеяния ядер вещества; μ - магнитный момент нейтрона; B - магнитная индукция поля действующего на нейтрон внутри ферромагнетика; E - энергия нейтрона.N is the concentration of nuclei; b is the length of coherent scattering of matter nuclei; μ is the magnetic moment of the neutron; B is the magnetic induction of the field acting on the neutron inside the ferromagnet; E is the neutron energy.

Возможны нейтронные поляризующие суперзеркала, например, из CoFe(V)TiZr, эффективность отражения нейтронов, которыми, зависит от величины и направления наложенного на зеркало магнитного поля.Possible neutron polarizing supermirrors, for example, from CoFe (V) TiZr, the efficiency of neutron reflection, which depends on the magnitude and direction of the magnetic field superimposed on the mirror.

Существенно то, что нейтрон, выходящий из поверхности вещества получает дополнительную энергию равную Eгр и при этом получает дополнительную поперечную скорость равную vгр отклоняющую траекторию от поверхности, а нейтрон входящий в вещество, теряет эти энергию и скорость. Поэтому плоский протяженный равномерный канал не обладает селектирующими нейтроны свойствами. По этой же причине не обладает такими свойствами и протяженный канал, имеющий постоянную кривизну его поверхности, если при этом величина граничной энергии на поверхности постоянна.It is essential that the neutron leaving the surface of the substance receives additional energy equal to E gr and at the same time receives an additional transverse velocity equal to v gr deflecting the trajectory from the surface, and the neutron entering the substance loses this energy and speed. Therefore, a flat extended uniform channel does not possess neutron-selective properties. For the same reason, an extended channel, which has a constant curvature of its surface, does not possess such properties, if the value of the boundary energy on the surface is constant.

Для того чтобы щелевой канал получил способность селективно захватывать движущиеся в нем нейтроны, он должен иметь переменную, спадающую к его выходу кривизну этой поверхности. Или с другой стороны, радиус кривизны этой поверхности или граничная энергия на ней должны непрерывно расти в направлении выхода из канала.In order for the slot channel to gain the ability to selectively capture the neutrons moving in it, it must have a variable curvature of this surface that decreases towards its exit. Or, on the other hand, the radius of curvature of this surface or the boundary energy on it must continuously increase in the direction of the exit from the channel.

В этом случае в структуре, в каждой точке профилированной поверхности канала существует область захвата нейтронов по углам Ksel Δϕs (смотри рис. 2).In this case, in the structure, at each point of the profiled surface of the channel, there is a region of neutron capture at the angles K sel Δϕ s (see Fig. 2).

И потому подобная поверхность обладает способностью захватывать и выводить в выделенном направлении нейтроны как на всей плоскости селектирующей нейтроны пластины, так и во всем объеме анизотропной селектирующей структуры замедлителя. Кроме того важно, что весь этот поток обладает малым разбросом по углам, и он имеет на выходе высокую плотность потока нейтронов в тонком пристеночном слое hs каждой селектирующей пластины.Therefore, such a surface has the ability to capture and remove neutrons in a preferred direction both on the entire plane of the neutron-selective plate and throughout the entire volume of the anisotropic selective moderator structure. In addition, it is important that this entire flux has a small angular spread, and at the output it has a high neutron flux density in the thin wall layer h s of each selection plate.

И в резко анизотропной структуре ЗФС в виде пакета селектирующих пластин, у каждого нейтрона после рассеяния есть вероятность попасть в угловую область захвата нейтронов, какой-либо из селектирующих пластин внутри пакета структуры. Результатом движения нейтронов у поверхности пластин, радиус кривизны R которых гладко растет, является серия последовательных отражений: пристеночный нейтрон, первый раз отразившись от поверхности пластины, испытывает ряд последующих отражений.And in a sharply anisotropic structure of the PFS in the form of a packet of selection plates, each neutron after scattering has a probability of getting into the angular region of neutron capture, any of the selection plates inside the packet of the structure. The result of the movement of neutrons near the surface of the plates, the radius of curvature R of which increases smoothly, is a series of successive reflections: a near-wall neutron, having reflected for the first time from the surface of the plate, experiences a series of subsequent reflections.

Важно, что при рассеянии нейтронов на ядрах замедлителя, в среднем, угол отклонения нейтронов от исходной траектории близок к прямому углу.It is important that when neutrons are scattered by moderator nuclei, on average, the angle of deflection of neutrons from the initial trajectory is close to the right angle.

Рассматривая селекцию нейтронов замедляющее - селектирующей структурой с криволинейными каналами селекции, прежде всего, обратим внимание на закономерности определяющие отражение нейтронов от поверхности этих каналов. И если угол внешнего поверхностного отражения нейтронов равен ϕs, а радиус кривизны поверхности равен ≈ R, то длина хорды, по которой движется отраженный нейтрон, будет Ls ≈ R·sin(ϕs), а расстояние между хордой и поверхностью канала, будет hs ≈ R· (1 - cos(ϕs)).Considering the selection of neutrons by a moderating - selection structure with curvilinear selection channels, first of all, let us pay attention to the regularities that determine the reflection of neutrons from the surface of these channels. And if the angle of external surface reflection of neutrons is ϕ s , and the radius of curvature of the surface is equal to ≈ R, then the length of the chord along which the reflected neutron moves will be L s ≈ R · sin (ϕ s ), and the distance between the chord and the channel surface will be h s ≈ R · (1 - cos (ϕ s )).

А поэтому величина ϕs преимущественно влияет на количество отражений уже отселектированных структурой нейтронов от поверхности каналов до выхода из них.Therefore, the value of ϕ s mainly affects the number of reflections of neutrons already selected by the structure from the surface of the channels before leaving them.

Можно также показать, что коэффициент эффективности захвата нейтронов в ходе селекции Ksel может быть представлен, как

Figure 00000010
. Здесь поверхность селектирующей пластины ЗФС задается в координатах (x,y). Где R'x - производная изменения радиуса кривизны R селектирующей пластины вдоль ее длины, и y'x - производная профиля селектирующей пластины вдоль ее длины.It can also be shown that the coefficient of the neutron capture efficiency in the course of selection K sel can be represented as
Figure 00000010
... Here, the surface of the PFS selection plate is set in coordinates (x, y). Where R ' x is the derivative of the change in the radius of curvature R of the selection plate along its length, and y' x is the derivative of the profile of the selection plate along its length.

Важно, что коэффициент эффективности захвата нейтронов в ходе селекции Ksel не зависит от ϕs, но при этом существенно определяется кривизной селектирующих пластин.It is important that the efficiency of neutron capture in the course of selection K sel does not depend on ϕ s , but in this case it is essentially determined by the curvature of the selection plates.

Для примера, если поверхность пластины формирующей канал может быть описана как парабола

Figure 00000011
, при p = 0.005 м, то радиус кривизны этой параболы может быть представлен, как
Figure 00000012
, и если пластина имеет длину около Lp = 150 мм, то радиус ее кривизны на краю достигает R = 3 м. И при этом соответственно увеличивается длина траектории нейтронов между отражениями до Ls ≤ 2 см, причем ширина пристеночного потока отселектированных нейтронов hs ≤ 0.01 мм, остается узкой, что определяет высокую плотность потока нейтронов в нем.For example, if the surface of a plate forming a channel can be described as a parabola
Figure 00000011
, for p = 0.005 m, then the radius of curvature of this parabola can be represented as
Figure 00000012
, and if the plate has a length of about L p = 150 mm, then the radius of its curvature at the edge reaches R = 3 m.And at the same time, the length of the neutron trajectory between reflections increases accordingly to L s ≤ 2 cm, and the width of the near-wall flux of selected neutrons h s ≤ 0.01 mm, remains narrow, which determines a high neutron flux density in it.

Изменяется вдоль длины канала и коэффициент эффективности захвата нейтронов в процесс селекции Ksel , при длине области селекции в 150 мм, он на значительной части его длины (см. рис 2) он больше чем Ksel ≥ 10, или Δϕs ≥ 10·ϕs, что существенно влияет на рост эффективности селекции нейтронов одиночной пластиной структуры.Changes along the channel length and the efficiency of neutron capture in the selection process K sel , with a selection area of 150 mm, it is greater than K sel ≥ 10 over a significant part of its length (see Fig. 2), or Δϕ s ≥ 10 · ϕ s , which significantly affects the increase in the efficiency of neutron selection by a single plate of the structure.

В этом случае можно оценить плотность пристеночного потока нейтронов выходящего из одиночной пластины ЗФС, как

Figure 00000013
.In this case, the density of the near-wall neutron flux emerging from a single PFS plate can be estimated as
Figure 00000013
...

Считая, для примера, что плотность диффузного потока тепловых нейтронов в структуре, например, равна n0 = 5×1013 см-2сек-1 , а Ksel ≈ 20, получим при толщине потока hs ≈ 0.01 мм, что Ks ≈ 60, и что плотность пристеночного потока нейтронов выходящих из одиночного канала селектирующей структуры, выросла до nout ≈ 1.2×1016 см-2сек-1.Assuming, for example, that the density of the diffuse flux of thermal neutrons in the structure, for example, is equal to n 0 = 5 × 10 13 cm -2 s -1 , and K sel ≈ 20, we obtain at a flux thickness h s ≈ 0.01 mm that K s ≈ 60, and that the density of the near-wall neutron flux emerging from a single channel of the selective structure increased to n out ≈ 1.2 × 10 16 cm -2 s -1 .

Замедление быстрых нейтронов происходит в глубине ЗФС и поток нейтронов, которые вернулись в зону деления, является тепловым. В спектре нейтронов тепловой активной зоны промежуточные нейтроны отсутствуют.The deceleration of fast neutrons occurs in the depth of the PPS and the flow of neutrons that have returned to the fission zone is thermal. There are no intermediate neutrons in the neutron spectrum of the thermal core.

Сформированные узкие высокоплотные потоки тепловых нейтронов направляют на делящееся вещество, в результате чего в нем идут процессы, захвата деления, тепловых нейтронов и рассеяния нейтронов. В результате деления выделяется ядерная энергия, и рождаются быстрые нейтроны. Быстрые нейтроны, пройдя сквозь делящееся вещество, частично взаимодействуют с ним и уходят в замедляюще-селектирующую структуру где их термализуют на его веществе, селектируют и вновь направляют в виде узкого плотного потока тепловых нейтронов на делящееся вещество. Цикл их жизни замыкается.Formed narrow high-density fluxes of thermal neutrons are directed to the fissile substance, as a result of which the processes of capture of fission, thermal neutrons and neutron scattering take place in it. As a result of fission, nuclear energy is released, and fast neutrons are born. Fast neutrons, having passed through the fissile substance, partially interact with it and go into the moderating-selection structure where they are thermalized on its substance, selected and again directed in the form of a narrow dense flux of thermal neutrons to the fissile substance. The cycle of their life is closed.

Реализация способа возможна в ядерном реакторе, содержащем замедляюще фокусирующую структуру, зону деления, устройство энергосъема, характеризующемся тем, что зона деления реактора не содержит замедлителей, замедляюще фокусирующая структура имеет дистанцирующие решетки имеет участки перехвата нейтронов, один или более участок возврата нейтронов, чьи селектирующие пластины ориентированы в каналы между пластин с дистанцирующей решеткой с делящимся веществом зоны деления.The implementation of the method is possible in a nuclear reactor containing a slowing focusing structure, a fission zone, an energy pickup device, characterized by the fact that the fission zone of the reactor does not contain moderators, the slowing focusing structure has spacing gratings, has neutron interception sections, one or more neutron return sections, whose selection plates oriented in the channels between the plates with a spacer grid with fissile material of the fission zone.

Процесс управления реактором может быть многоканален:The reactor control process can be multichannel:

1) это, прежде всего управление процессами селекции в ЗФС;1) it is, first of all, the management of selection processes in the PFS;

2) управление отношением объемов быстрой зоны реактора к объему тепловой зоны реактора уменьшением зоны возврата в пакете ЗФС и увеличением глубины ввода тепловых нейтронов до взаимодействия, в зону деления;2) control of the ratio of the volumes of the fast zone of the reactor to the volume of the thermal zone of the reactor by reducing the return zone in the PFS package and increasing the depth of introduction of thermal neutrons before the interaction, into the fission zone;

3) обычное поглощение избыточных, с точки зрения процесса деления, нейтронов, на поглотителе в аварийном режиме работы реактора; поглощение избыточных нейтронов возможно также и в дополнительных фокусных областях устройства формирования направленного потока нейтронов;3) the usual absorption of excess, from the point of view of the fission process, neutrons at the absorber in the emergency operation of the reactor; absorption of excess neutrons is also possible in additional focal areas of the device for forming a directed neutron flux;

6) управление эффективностью теплосъема при температурной зависимости процесса;6) control of the efficiency of heat removal with the temperature dependence of the process;

7) управление перемещением зоны локализации областей тепловых нейтронов в делящемся веществе.7) control of the movement of the zone of localization of regions of thermal neutrons in fissile matter.

Краткое описание фигур чертежейBrief Description of the Figures of the Drawings

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1. - схематический вид реактора глубокого выгорания топлива.in fig. 1. is a schematic view of a deep fuel burnup reactor.

на фиг. 2. - схематический вид реактора ракетного двигателя.in fig. 2. is a schematic view of a rocket engine reactor.

на фиг. 3. - селектирование нейтронов в криволинейном канале селекции.in fig. 3. - selection of neutrons in a curvilinear selection channel.

на фиг. 4. - Динамика изменения критичности состава на обедненном уране.in fig. 4. - Dynamics of changes in the criticality of the composition on depleted uranium.

Реактор деления содержит анизотропно-структурированную замедляющее- селектирующую структуру (ЗФС) для формирования направленного потока нейтронов 1, включающую замедляющее вещество 2, профилированные пластины для селекции нейтронов 3, каналы теплоносителя системы энергосъема 4, участок перехвата нейтронов ЗФС 5, участок возврата нейтронов ЗФС 6, активная зона реактора 7, пластины активной зоны реактора 8, теплоноситель 9, контур теплоносителя активной зоны в виде термосифона 10, устройство теплообмена 11, устройство сорбционной очистки теплоносителя 12, экранирующая ЗФС рубашка 13, элементы системы СУЗ 14, бак с теплоносителем 15, компрессор 16, сопло двигателя 17.The fission reactor contains an anisotropically structured moderating-selective structure (PFS) for the formation of a directed neutron flux 1, including a moderating substance 2, profiled plates for neutron selection 3, channels of the coolant of the energy collection system 4, a section for intercepting neutrons PFS 5, a section for neutron return MFS 6, reactor core 7, reactor core plates 8, coolant 9, core coolant loop in the form of a thermosyphon 10, heat exchange device 11, device for sorption cleaning of coolant 12, shielding PFS jacket 13, CPS system elements 14, tank with coolant 15, compressor 16 , engine nozzle 17.

Осуществление группы изобретенийImplementation of a group of inventions

Работа устройства рассмотрена на примере варианта, показанного на фиг. 1.The operation of the device is considered on the example of the variant shown in Fig. 1.

Быстрые нейтроны реактора, термализуют в анизотропно-структурированной замедляющее- фокусирующей структуре (ЗФС) для формирования направленного потока нейтронов на замедляющем веществе 2, выполненном в виде профилированных пластин для селекции нейтронов 3 формируя диффузное поле тепловых нейтронов. Энергия торможения быстрых нейтронов снимается теплоносителем протекающим по каналам теплоносителя системы энергосъема ЗФС 4. Тепловые нейтроны, после замедления сепарируют по углам их распространения, на профилированных пластинах для селекции нейтронов 3 и при этом выделяют их потоки, двигающиеся в направлении минимальной кривизны поверхности пластин. Замедляюще фокусирующая структура содержит участки перехвата нейтронов ЗФС 5 размещенные в торцевых областях ЗФС для уменьшения потерь нейтронов и участки возврата нейтронов ЗФС 6 направленные в активную зону реактора 7. Пластины с делящимся веществом активной зоны реактора 8 и профилированные пластины для селекции нейтронов 3 выполнены с равным или кратным шагом, так, чтобы потоки тепловых нейтронов селектированные ЗФС были направлены в зазоры между пластинами с делящимся веществом 8. Теплоноситель 9 контура теплоносителя активной зоны 10 выполненного в виде термосифона снимает энергию выделяющуюся при делении и затем передает ее через устройство теплообмена 11 внешним устройствам энергопреобразования. Контур теплоносителя активной зоны 10 содержит устройство сорбционной очистки теплоносителя 12, компрессор (не показан). Экранирующая ЗФС рубашка 13, также выполненная в виде ЗФС, служит для уменьшения потерь нейтронов, перехватывая ту их часть, которая не захвачена основной ЗФС. Система СУЗ 14 служат для управления работой реактора, устройство перемещения зоны локализации областей тепловых нейтронов, в делящемся веществе не показаны.Fast neutrons of the reactor are thermalized in an anisotropically structured moderating-focusing structure (PFS) to form a directed neutron flux on moderating substance 2, made in the form of profiled plates for neutron selection 3, forming a diffuse field of thermal neutrons. The braking energy of fast neutrons is removed by the coolant flowing through the channels of the coolant of the PPS energy collection system 4. After deceleration, thermal neutrons are separated at the angles of their propagation on profiled plates for neutron selection 3 and at the same time their fluxes are released, moving in the direction of the minimum curvature of the plate surface. The decelerating focusing structure contains sections for intercepting neutrons PPS 5 located in the end areas of the PPS to reduce neutron losses and sections for neutron return PPS 6 directed to the reactor core 7. Plates with fissile material of the reactor core 8 and profiled plates for neutron selection 3 are made with equal or a multiple step, so that the fluxes of thermal neutrons selected by the PPS were directed into the gaps between the plates with fissile material 8. The coolant 9 of the coolant circuit of the core 10 made in the form of a thermosyphon removes the energy released during fission and then transfers it through the heat exchange device 11 to external energy conversion devices. The coolant circuit of the core 10 contains a device for sorption cleaning of the coolant 12, a compressor (not shown). Shielding PPS shirt 13, also made in the form of PPS, serves to reduce neutron losses by intercepting that part of them that is not captured by the main PPS. The CPS system 14 is used to control the operation of the reactor, the device for moving the zone of localization of the regions of thermal neutrons is not shown in the fissile material.

При реализации реактора как устройства энергообеспечения ЯРД контур теплоносителя содержит бак с теплоносителем 15, за ним стоит компрессор 16, на выходе размещено сопло двигателя 17 преобразующее энергию нагретого в зоне деления реактора теплоносителя в скорость потока.When the reactor is implemented as a power supply device for a nuclear reactor, the coolant circuit contains a tank with a coolant 15, behind it is a compressor 16, at the outlet there is an engine nozzle 17 that converts the energy of the coolant heated in the reactor's division zone into a flow rate.

Для замедления и селекции тепловых нейтронов всем объемом структуры необходимо, чтобы:

Figure 00000014
, где σs и σa - сечения рассеяния и поглощения нейтронов; Ns - число последовательных перерассеяний теплового нейтрона на ядрах вещества до поглощения; ω - угол расходимости селектированного потока вдоль плоскости селекции. Для графита:
Figure 00000015
В пределе тепловой нейтрон может быть отселектирован в выделенном направлении и пройти через фокусную ее область за время жизни до 1.3⋅103/300 ≈ 4 раз (технологическое альбедо 4).To slow down and select thermal neutrons with the entire volume of the structure, it is necessary that:
Figure 00000014
, where σ s and σ a are neutron scattering and absorption cross sections; N s is the number of successive rescattering of a thermal neutron on the nuclei of matter before absorption; ω is the angle of divergence of the selected flow along the selection plane. For graphite:
Figure 00000015
In the limit of thermal neutron can be been accumulated in the preferred direction and pass through the focal region of its lifetime before 1.3⋅10 3/300 ≈ 4 times (4 technological albedo).

Длина селекции нейтронов в структуре:

Figure 00000016
Length of selection of neutrons in the structure:
Figure 00000016

Расстояние между пластинами, при котором весь вошедший в торец быстрый поток термализован и вышел обратно тепловым:

Figure 00000017
.The distance between the plates at which the entire fast flow entering the end is thermalized and returned as thermal:
Figure 00000017
...

В базовом варианте ЗФС может быть выполнена в виде:In the basic version, the FSL can be performed in the form:

- конструкции в виде пакета замедляющее-селектирующих элементов из графита с теплоносителем из гелия-4 в каналах между ними и содержащей во внешней кольцевой полости теплоноситель из тяжелой воды,- structures in the form of a package of retarding-selective elements made of graphite with a helium-4 coolant in the channels between them and containing a coolant from heavy water in the outer annular cavity,

- варианта включающего выполнение замедляющее-селектирующих элементов из дейтерированного фторопласта-40 - (CF2-CF2-CD2-CD2)n (радиационная стойкость материала до 108 рад) с теплоносителем из гелия-4 в каналах между ними.- a variant including the implementation of deuterated PTFE-40 - (CF 2 -CF 2 -CD 2 -CD 2 ) n (radiation resistance of the material up to 10 8 rad) with a helium-4 coolant in the channels between them.

При этом длина торможения быстрых реакторных 1 МэВных нейтронов структурой составляет (в зависимости от вещества из которого она выполнена) от 8 см до 16 см.In this case, the length of deceleration of fast reactor 1 MeV neutrons by the structure is (depending on the substance from which it is made) from 8 cm to 16 cm.

Принимаем, как и в эксперименте, профиль пластин селективных элементов в виде части эллипсов, оси которых: а = 300 мм, b = 30 мм, а максимум эффективности селекции Ksel = 15, лежит на участке длины от 10 до 200 мм.We accept, as in the experiment, the profile of the plates of the selective elements in the form of a part of ellipses, the axes of which are: a = 300 mm, b = 30 mm, and the maximum selection efficiency K sel = 15, lies in the section of length from 10 to 200 mm.

Диффузионная длина тепловых нейтронов в веществе ЗФС ≈ 68 см, но при этом существенно, что, - число последовательных перерассеяний теплового нейтронов на ядрах вещества до захвата селектирующей структурой и вывода, мало:

Figure 00000018
.The diffusion length of thermal neutrons in the PPS substance is ≈ 68 cm, but it is essential that, is the number of successive rescattering of thermal neutrons on the nuclei of the substance before being captured by the selective structure and extracted, is small:
Figure 00000018
...

И в результате длина селекции (размеры области ЗФС) в которой, идет захват нейтронов структурой -

Figure 00000019
. Принимаем длину (ширину) селектирующих пластин - Lplast = 200 мм, тогда, толщина селектированного пристеночного потока, hs ≈13 мк, а его фазовая плотность -
Figure 00000020
,And as a result, the selection length (the size of the PPS region) in which neutrons are captured by the structure -
Figure 00000019
... We accept the length (width) of the selection plates - L plast = 200 mm, then, the thickness of the selected wall flow, h s ≈ 13 microns, and its phase density -
Figure 00000020
,

при потоке в реакторе

Figure 00000021
.with flow in the reactor
Figure 00000021
...

При эффективной работе быстрый, входящий в ЗФС и выходящий из него тепловой потоки нейтронов сохраняются, но для этого шаг между селектирующими пластинами в приосевой области должен быть:

Figure 00000022
.With efficient operation, the fast heat fluxes of neutrons entering and exiting the PPS are preserved, but for this, the step between the selection plates in the axial region must be:
Figure 00000022
...

При работе на обогащенном уране активная зона реактора на базе ЗФС может иметь небольшие размеры и мощность, но полезно используется лишь 1 из 2.5 нейтронов.When operating on enriched uranium, the PFS reactor core can be small in size and power, but only 1 in 2.5 neutrons is useful.

Особый интерес представляет работа реактора на дешевом обедненном уране.Of particular interest is the operation of the reactor using cheap depleted uranium.

Базой является то, что равновесная концентрация 239Pu при долговременном облучении 238U тепловыми нейтронами, к которой стремится процесс cPu239=0.27% а критичность стремится к ηt=1.058.The basis is that the equilibrium concentration of 239 Pu under long-term irradiation of 238 U by thermal neutrons, to which the process with Pu239 = 0.27% tends, and the criticality tends to η t = 1.058.

При этом, размещенная в приосевой области ЗФС сборка плоских ТВЭЛ должна иметь диаметр сравнимый, как минимум с удвоенной диффузионной длиной тепловых нейтронов в веществе сборки, например,

Figure 00000023
- для сборки из UO2.At the same time, an assembly of flat fuel rods placed in the axial region of the PFS should have a diameter comparable, at least with the doubled diffusion length of thermal neutrons in the material of the assembly, for example,
Figure 00000023
- for assembly from UO 2 .

При этом выполнение активной зоны реактора анизотропной с каналами между пластин с делящимся веществом, когда замедляюще фокусирующая структура содержит селектирующие пластины ориентированные в каналы между пластин с делящимся веществом активной зоны, позволяет увеличить характерные размеры активной зоны. In this case, making the reactor core anisotropic with channels between the plates with fissile material, when the decelerating focusing structure contains selection plates oriented into the channels between the plates with fissile material of the core, it makes it possible to increase the characteristic dimensions of the core.

Таким образом, что при этом, увеличивается обратный пробег быстрых нейтронов из глубины активной зоны реактора, растет эффективное отношение размеров быстрой зоны реактора к тепловой зоне. При этом идет наработка плутония, растут характерные размеры активной зоны, общая масса делящегося вещества в реакторе и ресурс работы реактора.Thus, in this case, the return run of fast neutrons from the depth of the reactor core increases, and the effective ratio of the dimensions of the fast reactor zone to the thermal zone increases. At the same time, plutonium is being produced, the characteristic dimensions of the core, the total mass of fissile material in the reactor and the service life of the reactor grow.

Claims (5)

1. Способ управляемого деления ядер, в котором замедляют быстрые нейтроны и формируют поле тепловых нейтронов, проводят селектирование и возврат тепловых нейтронов в зону деления, отличающийся тем, что зону деления реактора выполняют без замедлителя, делящееся вещество вводят с концентрацией 235U, сравнимой или меньшей концентрации в природном уране, глубоко вводят поток тепловых нейтронов по каналам в делящемся веществе до взаимодействия, увеличивая обратный пробег быстрых нейтронов в нем, перемещают поток относительно делящегося вещества зоны деления реактора. 1. A method of controlled fission of nuclei, in which fast neutrons are slowed down and a field of thermal neutrons is formed, selection and return of thermal neutrons to the fission zone is carried out, characterized in that the fission zone of the reactor is performed without a moderator, the fissile substance is introduced with a concentration of 235 U comparable or less concentration in natural uranium, deeply introduce the flux of thermal neutrons through the channels in the fissile substance before interaction, increasing the return path of fast neutrons in it, move the flux relative to the fissile substance of the fission zone of the reactor. 2. Ядерный реактор, содержащий замедляюще фокусирующую структуру, зону деления, устройство энергосъема, отличающийся тем, что зона деления реактора не содержит замедлителей, замедляюще фокусирующая структура имеет дистанцирующие решетки, имеет участки перехвата нейтронов, один или более участок возврата нейтронов, чьи селектирующие пластины ориентированы в каналы между пластин с дистанцирующей решеткой с делящимся веществом зоны деления.2. A nuclear reactor containing a slowing focusing structure, a fission zone, an energy pickup device, characterized in that the fission zone of the reactor does not contain moderators, the slowing focusing structure has spacer grids, has sections for neutron interception, one or more sections for neutron return, whose selection plates are oriented into the channels between the plates with the spacer grid with the fissile material of the fission zone. 3. Ядерный реактор по п.2, отличающийся тем, что содержит устройство привода, которое обеспечивает относительное перемещение участка возврата нейтронов замедляюще фокусирующей структуры относительно пластин с делящимся веществом зоны деления.3. Nuclear reactor according to claim 2, characterized in that it comprises a drive device that provides relative movement of the neutron return section of the slowing focusing structure relative to the fissile plates of the fission zone. 4. Ядерный реактор по п.2, отличающийся тем, что устройство энергосъема выполнено в виде контура теплоносителя зоны деления, который содержит термосифон с устройством теплообмена, размещенным выше зоны деления, устройство сорбционной очистки теплоносителя размещено за устройством теплообмена контура.4. Nuclear reactor according to claim 2, characterized in that the energy pickup device is made in the form of a coolant contour of the fission zone, which contains a thermosyphon with a heat exchange device located above the fission zone, the device for sorption cleaning of the coolant is located behind the heat exchange device of the loop. 5. Ядерный реактор по п.2, отличающийся тем, что контур теплоносителя выполнен открытым с ускоряющим соплом, имеет емкость с теплоносителем, компрессор, каналы съема энергии с селектирующих пластин, каналы съема энергии с пластин с делящимся веществом зоны деления и каналы съема энергии с ускоряющего сопла.5. The nuclear reactor according to claim 2, characterized in that the coolant circuit is made open with an accelerating nozzle, has a container with a coolant, a compressor, channels for removing energy from the selection plates, channels for removing energy from the plates with fissile material of the fission zone and channels for removing energy from accelerating nozzle.
RU2021104164A 2021-02-18 2021-02-18 Method for controlled nuclear fission and nuclear reactor RU2755811C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021104164A RU2755811C1 (en) 2021-02-18 2021-02-18 Method for controlled nuclear fission and nuclear reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021104164A RU2755811C1 (en) 2021-02-18 2021-02-18 Method for controlled nuclear fission and nuclear reactor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2755811C1 true RU2755811C1 (en) 2021-09-21

Family

ID=77852061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021104164A RU2755811C1 (en) 2021-02-18 2021-02-18 Method for controlled nuclear fission and nuclear reactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2755811C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115274160A (en) * 2022-06-14 2022-11-01 西北核技术研究所 Reactor thermal neutron flux detection method and device based on silicon carbide semiconductor

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1090168A1 (en) * 1982-06-03 1985-12-15 Московский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физический Институт Device for controlling neutron flux density
DE69304622D1 (en) * 1992-06-24 1996-10-17 Westinghouse Electric Corp Nuclear reactor reflector
RU2075116C1 (en) * 1994-12-30 1997-03-10 Юрий Васильевич Дробышевский Method and device for energy production by controlled fission
RU2088981C1 (en) * 1996-02-01 1997-08-27 Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт Fast reactor using liquid-metal coolant
KR100366208B1 (en) * 2000-04-14 2002-12-31 한국과학기술원 Plate Type Fuel Based - Low Power Medical Reactor for Boron Neutron Capture Therapy
FR2827072A1 (en) * 2001-07-04 2003-01-10 Commissariat Energie Atomique PROCESS FOR MANUFACTURING COMPOSITE NUCLEAR COMBUSTIBLE MATERIAL CONSISTING OF (U, PU) O2 AMAS DISPERSED IN UO2 MATRIX
CN101584007B (en) * 2007-01-02 2012-12-26 西屋电气有限责任公司 Nuclear reactor alignment plate configuration
RU2716142C2 (en) * 2018-05-21 2020-03-06 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Neutron collimator

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1090168A1 (en) * 1982-06-03 1985-12-15 Московский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физический Институт Device for controlling neutron flux density
DE69304622D1 (en) * 1992-06-24 1996-10-17 Westinghouse Electric Corp Nuclear reactor reflector
RU2075116C1 (en) * 1994-12-30 1997-03-10 Юрий Васильевич Дробышевский Method and device for energy production by controlled fission
RU2088981C1 (en) * 1996-02-01 1997-08-27 Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт Fast reactor using liquid-metal coolant
KR100366208B1 (en) * 2000-04-14 2002-12-31 한국과학기술원 Plate Type Fuel Based - Low Power Medical Reactor for Boron Neutron Capture Therapy
FR2827072A1 (en) * 2001-07-04 2003-01-10 Commissariat Energie Atomique PROCESS FOR MANUFACTURING COMPOSITE NUCLEAR COMBUSTIBLE MATERIAL CONSISTING OF (U, PU) O2 AMAS DISPERSED IN UO2 MATRIX
CN101584007B (en) * 2007-01-02 2012-12-26 西屋电气有限责任公司 Nuclear reactor alignment plate configuration
RU2716142C2 (en) * 2018-05-21 2020-03-06 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Neutron collimator

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115274160A (en) * 2022-06-14 2022-11-01 西北核技术研究所 Reactor thermal neutron flux detection method and device based on silicon carbide semiconductor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2755811C1 (en) Method for controlled nuclear fission and nuclear reactor
Evans et al. Burnable absorbers in nuclear reactors–A review
Alameri et al. Fundamentals of nuclear reactors
Sekimoto Nuclear reactor theory
RU2761575C1 (en) Method for controlled nuclear fission and modular nuclear reactor
JP7432800B2 (en) proliferation blanket
KR102458389B1 (en) Doppler reactivity augmentation device
Monsler et al. Electric power from laser fusion: the HYLIFE concept
US20140146934A1 (en) Compact Liquid Metal Cooled Spherical Fast Neutron Reactor Core Design
US3255083A (en) Method of flux separation in nuclear reactors and structure therefor
Ronen et al. Ultra-thin 242mAm fuel elements in nuclear reactors
Sasa et al. Studies on accelerator-driven system in JAEA
Baranov et al. Liquid metal film flow for fusion application
RU2075116C1 (en) Method and device for energy production by controlled fission
RU2804452C1 (en) Blanket breeder
JP2000505554A (en) Method and reactor for generating energy in a process for controlling fission
Buksa et al. Conceptual design of a thorium target for molten salt transmutation systems
Tsvetkov et al. Conceptual Analysis of Fission Fragment Magnetic Collimator Reactors
Schmidt et al. DESIGN STUDY OF A 600 MWe BOILING WATER--SEPARATE SUPERHEAT REACTOR PLANT
Cole et al. Technology of Research Reactors
Yan et al. ICONE15-10873 Small Long Life CANDLE Fast Reactor Research
Johnson Moderator Heat Transfer Analysis for Sre-pep Third Core
Pefhany PNEUMATIC GAGES FOR IN-PILE MEASUREMENTS
West The advanced neutron source design-A status report
Whittemore et al. A Multiple Pulsed TRIGA-Type Reactor for Neutron Beam Research