RU85256U1 - DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY - Google Patents
DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY Download PDFInfo
- Publication number
- RU85256U1 RU85256U1 RU2008140556/22U RU2008140556U RU85256U1 RU 85256 U1 RU85256 U1 RU 85256U1 RU 2008140556/22 U RU2008140556/22 U RU 2008140556/22U RU 2008140556 U RU2008140556 U RU 2008140556U RU 85256 U1 RU85256 U1 RU 85256U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- energy
- reactor
- fuel
- target
- proton
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Устройство для преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, содержащее реактор с активной зоной и мишень для производства нейтронов, в качестве мишени используют непосредственно топливо активной зоны реактора, в качестве топлива используют торий, уран-238, висмут, свинец или композиции этих веществ, имеющие тяжелые ядра, дающие положительный энергетический выход при реакции деления, при этом энергия протонов должна удовлетворять условию достаточности для производства вторичных частиц реакции протон - тяжелое ядро, средняя энергия которых превышает 14 МэВ.A device for converting nuclear energy into thermal energy, containing a reactor with a core and a target for the production of neutrons, directly uses the fuel of the reactor core as a target, thorium, uranium-238, bismuth, lead or compositions of these substances that have heavy nuclei that give a positive energy yield in the fission reaction, while the proton energy must satisfy the condition of sufficiency for the production of secondary particles of the proton - heavy nucleus reaction, the average energy of which exceeds 14 MeV.
Description
Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к устройствам для преобразования ядерной энергий в тепловую, предназначенным для создания энергетических установок.The invention relates to the field of nuclear energy, and in particular to devices for converting nuclear energy into heat, designed to create power plants.
Известны устройства для преобразования ядерной энергии в тепловую энергию, использующие в качестве ядерного топлива элементы тяжелея радия. Действующие реакторные установки осуществляют выработку энергии с использованием этого устройства для преобразования ядерной энергии в тепловую. Деление ядер в этих реакторах осуществляется нейтронами либо тепловыми, либо быстрыми (энергия нейтронов в этих диапазонах не превышает 14 Мэв). Краткая энциклопедия "Атомная энергия", ответственный редактор B.C.Емельянов, Государственное научное издательство "БСЭ", 1958 г., с.541-545.Known devices for converting nuclear energy into thermal energy, using heavy radium elements as nuclear fuel. Existing reactor plants generate energy using this device to convert nuclear energy into thermal energy. The fission of nuclei in these reactors is carried out by either thermal or fast neutrons (the neutron energy in these ranges does not exceed 14 MeV). Brief Encyclopedia "Atomic Energy", Executive Editor B.C. Emelyanov, State Scientific Publishing House "BSE", 1958, p.541-545.
Основные недостатки существующих устройств для преобразования ядерной энергии обусловлены:The main disadvantages of existing devices for converting nuclear energy are due to:
- производством большого количества радиоактивных долгоживущих отходов;- the production of a large amount of radioactive long-lived waste;
- производством наведенной активности в элементах реактора и окружающих конструкциях;- the production of induced activity in the elements of the reactor and the surrounding structures;
- наличие запаса положительной реактивности;- the presence of a stock of positive reactivity;
- производством веществ, которые потенциально могут быть использованы в целях атомного терроризма;- the production of substances that could potentially be used for nuclear terrorism;
- сравнительно малым временем работы.- a relatively short time.
Ближайшим аналогом предложенному изобретению является устройство для выработки энергии из ядерного топлива, в котором возбуждают ядерные каскадные процессы релятивистским пучком протонов, направляемым в активную зону реактора на мишень (RU 2178209, МПК7 G21С 1/00). В этом устройстве пучок частиц высокой энергии направляют в камеру для производства нейтронов высокой энергии. Полученные нейтроны размножают в докритических условиях с помощью процесса воспроизводства и деления, который осуществляют внутри камеры. Энергия нейтронов в этом устройстве также не превышает в среднем энергии в 14 мегаэлектронвольт. В данном патенте описана установка электроядерного типа, в которой в качестве источника нейтронов используется специальная мишень, облучаемая высокоэнергетическим протонным пучком. В дальнейшем нейтроны направляются в активную зону. Принципиально в этом процессе то, что мишень для производства нейтронов в данном случае отделена от зоны ядерного топлива, которую называют бланке-том. Применение этой технологии выработки энергии из ядерного топлива в реакторных установках устраняет целый ряд существенных недостатков существующих установок, в частности для работы установок электроядерного типа не нужен запас положительной реактивности активной зоны реактора. Однако эти реакторы будут источниками всех групп радиоактивных отходов, производимых современными установками. Именно этот недостаток является основным.The closest analogue to the proposed invention is a device for generating energy from nuclear fuel, in which nuclear cascade processes are excited by a relativistic proton beam directed to the target in the reactor core (RU 2178209, IPC7 G21C 1/00). In this device, a beam of high energy particles is directed into a chamber for producing high energy neutrons. The resulting neutrons are propagated under subcritical conditions using the reproduction and fission process, which is carried out inside the chamber. The neutron energy in this device also does not exceed an average energy of 14 megaelectron-volts. This patent describes an installation of an electronuclear type, in which a special target irradiated by a high-energy proton beam is used as a neutron source. Further neutrons are sent to the core. The fundamental thing in this process is that the neutron production target in this case is separated from the nuclear fuel zone, which is called the blank. The use of this technology for generating energy from nuclear fuel in reactor plants eliminates a number of significant drawbacks of existing plants, in particular, the operation of the electron-nuclear-type plants does not require a reserve of positive reactivity of the reactor core. However, these reactors will be the sources of all groups of radioactive waste produced by modern facilities. This drawback is the main one.
Известно устройство для облучения непосредственно топлива активной зоны реактора пучком протонов ("Технологические аспекты ядерных энергетических систем с воспроизводством топлива", Москва, Энергоатомиздат, 1988, стр.190). Но в этом устройстве облучалось топливо, расположенное в тепловыделяющем элементе. При этом топливо не представляло собой единого массива, а было разграничено замедлителем. Это обстоятельство принципиальным образом влияло на энергетический спектр вторичных частиц, образующихся в результате взаимодействия протона и тяжелого ядра.A device is known for irradiating directly the fuel of the reactor core with a proton beam ("Technological Aspects of Nuclear Power Systems with Fuel Reproduction", Moscow, Energoatomizdat, 1988, p. 190). But in this device, the fuel located in the fuel element was irradiated. At the same time, the fuel was not a single array, but was delimited by a moderator. This circumstance fundamentally affected the energy spectrum of secondary particles formed as a result of the interaction of a proton and a heavy nucleus.
Наличие положительной реактивности и разграничение активной зоны реактора и теплоносителя в современных реакторах привело к использованию сложных систем управления и защиты, что существенно усложняет конструкцию реактора и требует дорогостоящих мероприятий по обеспечению надежности работы реактора. Кроме этого, очень остро стоит проблема вывода этих реакторов из эксплуатации. На сегодняшний день она не решена.The presence of positive reactivity and the separation of the reactor core and coolant in modern reactors led to the use of complex control and protection systems, which significantly complicates the design of the reactor and requires expensive measures to ensure the reliability of the reactor. In addition, the decommissioning of these reactors is very acute. To date, it has not been resolved.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства, обеспечивающего устранение указанных выше недостатков, в частности:The problem to which the present invention is directed, is the development of a device that ensures the elimination of the above disadvantages, in particular:
- производства большого количества радиоактивных долгоживущих отходов;- production of a large amount of radioactive long-lived waste;
- производства наведенной активности в элементах реактора и окружающих конструкциях;- production of induced activity in reactor elements and surrounding structures;
- производства веществ, которые потенциально могут быть использованы в целях атомного терроризма;- the production of substances that could potentially be used for nuclear terrorism;
- устранение сложных систем управления и защиты реактора;- elimination of complex reactor control and protection systems;
- увеличение срока службы реакторной установки.- increase the life of the reactor installation.
Технический результат заключается в исключении наработки в активной зоне реактора радиоактивных долгоживущих материалов за счет использования в качестве ядерного горючего в реакторах веществ, имеющих тяжелые ядра, деление которых сопровождается выделением положительной энергии и производящих деление этих ядер элементарных частиц, в среднем имеющих энергию, находящуюся в диапазоне больших энергий (больше 14 Мэв). Активная зона реактора при этом принципиально является подкритической.The technical result consists in eliminating the production of long-lived radioactive materials in the reactor core due to the use of substances having heavy nuclei as nuclear fuel in reactors, the fission of which is accompanied by the release of positive energy and producing fission of these nuclei of elementary particles having an average energy in the range high energies (more than 14 MeV). The reactor core is fundamentally subcritical.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для преобразования ядерной энергии в тепловую энергию содержит реактор с активной зоной и мишень для производства нейтронов, в качестве мишени используют непосредственно топливо активной зоны реактора, в качестве топлива используют торий, уран-238, висмут, свинец или композиции этих веществ, имеющие тяжелые ядра, дающие положительный энергетический выход при реакции деления, при этом энергия протонов должна удовлетворять условию достаточности для производства вторичных частиц реакции протон - тяжелое ядро, средняя энергия которых превышает 14 Мэв.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that the device for converting nuclear energy into thermal energy contains a reactor with an active zone and a target for producing neutrons, directly the fuel of the reactor core is used as a target, thorium and uranium-238 are used as fuel. bismuth, lead, or compositions of these substances having heavy nuclei giving a positive energy yield during the fission reaction, while the proton energy must satisfy the sufficiency condition for zvodstva secondary particles proton reaction - heavy nucleus whose average energy exceeds 14 MeV.
Можно уточнить энергетический диапазон, в котором должны находится вторичные частицы. Максимум сечения деления для протонов и нейтронов находится в диапазоне энергий 18-40 Мэв (Прокофьев Nucl. Instr. А 463 (2001, 557-575).It is possible to clarify the energy range in which secondary particles should be located. The maximum fission cross section for protons and neutrons is in the energy range 18–40 MeV (Prokofiev Nucl. Instr. A 463 (2001, 557-575).
В предложенном устройстве для производства энергии деление ядер вызывается вторичными частицами, в среднем имеющими энергию, существенно превышающую энергию нейтронов, используемых в обычных реакторах. По принятой классификации (справочник "Физические величины" //Под редакцией И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова) нейтроны относятся к группе частиц больших энергий, т.е. энергии, большей 14 Мэв. Элементарные частицы этой энергии в современных реакторах образуются при реакциях деления, только в очень малых количествах. В качестве топлива в принципе могут использоваться все тяжелые ядра, дающие при делении положительный энергетический выход. Но наиболее целесообразно в качестве топлива использовать торий, уран-238, висмут или свинец или композиции этих веществ.In the proposed device for energy production, fission of nuclei is caused by secondary particles, on average, having an energy significantly higher than the energy of neutrons used in conventional reactors. According to the accepted classification (the reference book "Physical quantities" // Edited by I.S. Grigoriev, E.Z. Meilikhov) neutrons belong to the group of high-energy particles, i.e. energy greater than 14 MeV. Elementary particles of this energy in modern reactors are formed during fission reactions, only in very small quantities. As a fuel, in principle, all heavy nuclei can be used, which give a positive energy yield during fission. But it is most expedient to use thorium, uranium-238, bismuth or lead, or compositions of these substances as fuel.
Указанные признаки, характеризующие устройство выработки энергии из ядерного топлива, являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата.These features characterizing the device for generating energy from nuclear fuel are essential and interconnected causally with the formation of a set of essential features sufficient to achieve a technical result.
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
В качестве мишени для производства вторичных частиц используют непосредственно топливо активной зоны реактора, представляющей собой сплошной массив, а в качестве топлива используют вещества, имеющие тяжелые ядра, дающих положительный энергетический выход при реакции деления. При этом энергия протонов должна быть достаточной для производства вторичных частиц с энергией, в среднем большей 14 Мэв.The fuel for the reactor core, which is a continuous array, is used directly as a target for the production of secondary particles, and substances having heavy nuclei that give a positive energy yield during the fission reaction are used as fuel. In this case, the proton energy should be sufficient for the production of secondary particles with an energy greater than 14 MeV on average.
Целесообразно равномерно распределять топливо в активной зоне реактора по всему пространству активной зоны.It is advisable to evenly distribute fuel in the reactor core over the entire space of the core.
При этом целесообразно совмещать функции топлива и теплоносителя в активной зоне реактора, в качестве которых, в ряде случаев, возможно использование одного и того же вещества.In this case, it is advisable to combine the functions of fuel and coolant in the reactor core, in the quality of which, in some cases, it is possible to use the same substance.
Предложенное устройство для выработки энергии из ядерного топлива основано на использовании в качестве ядерного горючего в реакторах веществ, имеющих тяжелые ядра, дающих положительный энергетический выход при реакции деления. Такая возможность основана на том обстоятельстве, что при делении всех веществ с атомной массой более 60 выделяется дополнительная энергия. Так, например, при делении тория выделяется около 190 Мэв дополнительной энергии. При делении свинца или висмута в среднем выделяется около 140-150 Мэв дополнительной энергии. Однако пороговое значение реакции деления этих веществ существенно превышает аналогичные значения для обычного ядерного топлива. Так для тория оно составляет 6 Мэв, а для свинца - 25 Мэв. В связи с этим для инициирования подобных реакций требуются вторичные частицы с энергией, как минимум, превышающей соответствующие пороговые значения. Такие частицы могут быть получены, например, при взаимодействии пучка протонов достаточно большой энергии, полученных на ускорителе, непосредственно с веществом, используемым в активной зоне реактора. Взаимодействие пучка протонов с атомами конденсированного вещества приводит к образованию ливня элементарных частиц, в частности нейтронов, протонов и осколков бомбардируемых ядер. Энергия вторичных частиц в значительной степени зависит от энергии налетающего протона. При превышении энергии налетающей частицы пороговой энергии деления вещества активной зоны, ядра последнего (вещества) могут делиться с выделением дополнительной энергии. При этом вероятность деления растет с ростом энергии частицы. Фрагментация тяжелых ядер при этом более глубокая. Гораздо более часты расщепления с образованием 3 и более осколков.The proposed device for generating energy from nuclear fuel is based on the use of substances having heavy nuclei as a nuclear fuel in reactors that give a positive energy yield in the fission reaction. This possibility is based on the fact that during the fission of all substances with an atomic mass of more than 60, additional energy is released. So, for example, during the fission of thorium, about 190 MeV of additional energy is released. In the division of lead or bismuth, an average of about 140-150 MeV of additional energy is released. However, the threshold value of the fission reaction of these substances significantly exceeds the similar values for conventional nuclear fuel. So for thorium it is 6 MeV, and for lead - 25 MeV. In this regard, the initiation of such reactions requires secondary particles with an energy of at least higher than the corresponding threshold values. Such particles can be obtained, for example, by the interaction of a proton beam of sufficiently high energy obtained at the accelerator directly with the substance used in the reactor core. The interaction of a proton beam with atoms of a condensed matter leads to the formation of a shower of elementary particles, in particular neutrons, protons, and fragments of bombarded nuclei. The energy of the secondary particles is largely dependent on the energy of the incident proton. If the incident particle energy exceeds the threshold fission energy of the core material, the nuclei of the latter (substance) can share with the release of additional energy. In this case, the probability of fission increases with increasing particle energy. The fragmentation of heavy nuclei is deeper. Much more frequent splitting with the formation of 3 or more fragments.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами выполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.The present invention is illustrated by specific examples of implementation, which, however, are not the only possible, but clearly demonstrate the ability to achieve this set of essential features of a given technical result.
Пример 1.Example 1
Мишень, одновременно являвшаяся моделью активной зоны реактора,The target, which was also a model of the reactor core,
представляла собой сборку размером SOO^OO^OO см3, равномерно заполненную свинцом. Мишень бомбардировалась потоком протонов с энергией 5 Гэв. При этом средняя энергия вторичных частиц, в том числе и нейтронов, была около 25 Мэв. В результате эксперимента было зафиксировано энерговыделение в свинцовой сборке, превышающее энергию, подведенную к сборке с пучком протонов.was an assembly of size SOO ^ OO ^ OO cm 3 uniformly filled with lead. The target was bombarded by a stream of protons with an energy of 5 GeV. Moreover, the average energy of secondary particles, including neutrons, was about 25 MeV. As a result of the experiment, energy release was detected in the lead assembly, exceeding the energy supplied to the assembly with the proton beam.
Пример 2.Example 2
В ноябре 2002 года на ускорителе в Протвино был выполнен эксперимент по взаимодействию пучка протонов с энергией в диапазоне от 6 до 20 Гэв с большой свинцовой мишенью, включавшей в себя фрагменты из висмута. В процессе выполнения эксперимента активность свинцовой сборки была доведена до 8 рентген в час. По истечении 2 дней активность снизилась до 2 млрентген в час, а через 10 дней до уровня фона.In November 2002, an experiment was performed at the Protvino accelerator to interact with a proton beam with an energy in the range of 6 to 20 GeV with a large lead target, including bismuth fragments. During the experiment, the activity of the lead assembly was increased to 8 x-rays per hour. After 2 days, the activity decreased to 2 ml X-ray per hour, and after 10 days to the background level.
Применение изобретения позволяет получить преимущества перед известными, которые заключаются в том, что:The application of the invention allows to obtain advantages over the well-known, which are that:
- в активной зоне реактора не нарабатываются долгоживущие продукты деления, что существенно облегчает задачу переработки радиоактивных отходов и исключает возможность использования продуктов реакций в террористических целях;- long-lived fission products are not produced in the reactor core, which greatly simplifies the task of processing radioactive waste and excludes the possibility of using reaction products for terrorist purposes;
- активная зона реактора совмещена с мишенью для пучка протонов, что существенно упрощает конструктивное выполнение реактора. Использование в качестве теплоносителя и рабочего тела металлических веществ резко повышает срок службы реакторного оборудования и эффективность всей ректорской установки в целом. Кроме этого, упрощается технология вывода из эксплуатации реакторной установки;- the reactor core is aligned with the target for the proton beam, which greatly simplifies the design of the reactor. The use of metallic substances as a coolant and working fluid sharply increases the service life of reactor equipment and the efficiency of the entire reactor facility as a whole. In addition, the technology of decommissioning the reactor installation is simplified;
- поскольку вещества, предлагаемые для использования в качестве топлива, не образуют критической массы, отпадает необходимость в системах управления и защиты;- since the substances proposed for use as fuel do not form a critical mass, there is no need for control and protection systems;
- функции источника тепловой энергии и теплоносителя могут быть совмещены.- the functions of the source of thermal energy and coolant can be combined.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008140556/22U RU85256U1 (en) | 2008-10-14 | 2008-10-14 | DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008140556/22U RU85256U1 (en) | 2008-10-14 | 2008-10-14 | DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU85256U1 true RU85256U1 (en) | 2009-07-27 |
Family
ID=41048798
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008140556/22U RU85256U1 (en) | 2008-10-14 | 2008-10-14 | DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU85256U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797533C1 (en) * | 2022-09-07 | 2023-06-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Accelerator driven system with water coolant |
-
2008
- 2008-10-14 RU RU2008140556/22U patent/RU85256U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797533C1 (en) * | 2022-09-07 | 2023-06-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Accelerator driven system with water coolant |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20030156675A1 (en) | System and method for radioactive waste destruction | |
Tanaka et al. | Effects of multichance fission on isotope dependence of fission fragment mass distributions at high energies | |
JP6802284B2 (en) | A method for producing radioactive isotopes in a fast neutron reactor and a fast neutron reactor using the method | |
RU2003191C1 (en) | Method of transmutation of isotopes | |
RU2238597C1 (en) | Method for nuclear-to-heat energy conversion | |
RU85256U1 (en) | DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY | |
Hogan et al. | Photofission of Th 232 with 9, 15, and 38 MeV peak bremsstrahlung | |
Bendel et al. | Disintegration of 24-Minute Ag 106 | |
Jarczyk et al. | The nuclear reactor as a high intensity source for discrete gamma rays up to 11 MeV | |
Kilim et al. | Np-237 incineration study in various beams in ADS setup QUINTA | |
RU2200986C1 (en) | Method for energy generation from nuclear fuel | |
US6252921B1 (en) | Nuclear isomers as neutron and energy sources | |
Goko et al. | Measurement of neutron capture cross section ratios of 244Cm resonances using NNRI | |
CN114121331B (en) | Nuclide preparation system of high-current electron linear accelerator | |
Benlliure et al. | Basic nuclear data for nuclear waste transmutation and radioactive nuclear beam production | |
Wang et al. | Spallation reaction study for the long-lived fission products in nuclear waste: Cross section measurements for 137Cs, 90Sr and 107Pd using inverse kinematics method | |
Akkaya et al. | Investigation of new generation accelerator driven subcritical reactor system (ADS) in nuclear energy production | |
US20230050632A1 (en) | Method and apparatus for producing radioisotope | |
Tanchak et al. | Transmutation of 239 Pu irradiated by 660 MeV protons | |
Onischuk et al. | Photoneutrons for Radiation Therapy and Radionuclide Production | |
Hugenschmidt et al. | Intense positron source at the Munich research reactor FRM-II | |
Wan et al. | First radiochemical studies on the transmutation of 239 Pu with spallation neutrons | |
Naik | Studies on high energy photon (bremstrahlung) and neutron induced fission of actinides and pre-actinides | |
Sidorkin et al. | Pulsed neutron source intended for the investigation of condensed media at the institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences | |
Basov et al. | Possibility of developing an intense neutrino source |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20171015 |