RU96112784A - Усилитель энергии для "чистого" производства ядерной энергии, управляемый ускоряющим электродом пучка частиц - Google Patents

Claims (38)

1. Способ выработки энергии из ядерного топлива, содержащегося в камере, с помощью процесса воспроизводства делящегося элемента из воспроизводящего элемента топлива через β-предшественник указанного делящегося элемента и деления делящегося элемента, отличающийся тем, что в камеру направляют поток частиц высокой энергии для взаимодействия с содержащимися в камере тяжелыми ядрами для производства нейтронов высокой энергии, полученные таким образом нейтроны размножают в докритических условиях с помощью процесса воспроизводства и деления, причем указанный процесс воспроизводства и деления проводят внутри камеры.

2. Способ по п.1, в котором средний нейтронный поток (Ф), которому подвергают топливо, достаточно мал для предотвращения захватов нейтронов значительным количеством β-предшественника.

3. Способ по п.2, в котором средний нейтронный поток (Ф), которому подвергают топливо, не превышает величины 0,03/(σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(2)}}{\text{i}}$ τ₂), где σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(2)}}{\text{i}}$ и τ₂ соответственно обозначают поперечное сечение захвата нейтронов и период полураспада β-предшественника.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором средний нейтронный поток (Ф), которому подвергают топливо, достаточно мал для ограничения запаса β-предшественника, чтобы предотвратить достижение топливом критичности в случае прерывания пучка.

5. Способ по п. 4, в котором средний нейтронный поток (Ф), которому подвергают топливо, не превышает величины 0,2/(σ⁽³⁾τ₂), где σ⁽³⁾ обозначает полное поперечное сечение нейтронного взаимодействия делящихся ядер, а τ₂ обозначает период полураспада β-предшественника.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором в фазе сгорания отношение между концентрациями делящегося элемента и воспроизводящего элемента в топливе практически постоянно и в котором в первоначальной топливной загрузке отношение между концентрациями делящегося элемента и воспроизводящего элемента существенно меньше, чем постоянное значение указанного отношения в фазе горения, причем для достижения постоянного значения проводят начальную фазу воспроизводства, при этом интенсивность бомбардирующего потока выше в начальной фазе воспроизводства, чем в фазе горения.

7. Способ по любому из пп. 1-5, в котором в фазе горения отношение между концентрациями делящегося элемента и воспроизводящего элемента в топливе практически постоянно и в котором в начальной топливной загрузке отношение между концентрациями делящегося элемента и воспроизводящего элемента имеет приблизительно такое же значение, что и постоянное значение указанного соотношения в фазе горения, причем содержание делящегося элемента в начальной топливной загрузке восстанавливают путем химического разделения из другого топливного материала, который был использован в предыдущей аналогичной энерговырабатывающей операции.

8. Способ по пп. 6 или 7, в котором вводят дополнительное топливо в камеру во время активации пучка частиц, причем указанное дополнительное топливо имеет начальное содержание, в котором отношение между концентрациями делящегося элемента и воспроизводящего элемента существенно меньше, чем постоянное значение указанного отношения в фазе горения, и в котором дополнительное топливо удаляют из камеры по достижении постоянного значения указанного соотношения, чтобы использовать дополнительное топливо в качестве начальной топливной загрузки в последующей энерговырабатывающей операции.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором воспроизводящим является Th²³², β-предшественником является Pa²³³ и делящимся элементом является U²³³.

10. Способ по п. 9, в котором обеспечивают присутствие ядер U²³⁵ в начальной топливной загрузке, чтобы иметь делящийся материал в топливе до фазы горения.

11. Способ по любому из пр. 1-8, в котором воспроизводящим элементом является U²³⁸, β-предшественником является Np²³⁹ и делящимся элементом является Pu²³⁹.

12. Способ по любому из пп. 1-11, в котором в камере обеспечивают присутствие замедляющей среды для замедления нейтронов до тепловых или надтепловых энергий.

13. Способ по пп. 9 и 12, в котором средний нейтронный поток в камере меньше 1,5•10^-14 см^-2•с^-1.

14. Способ по п. 13, в котором топливо оставляют в камере до тех пор, пока оно не будет подвергнуто интегрированному нейтронному потоку приблизительно 3•10²² см^-2.

15. Способ по пп. 11 и 12, в котором средний нейтронный поток в камере меньше 10¹⁵ см^-2•с^-1.

16. Способ по п. 15, в котором топливо оставляют в камере до тех пор, пока оно не будет подвергнуто интегрированному нейтронному потоку приблизительно 10²² см^-2.

17. Способ по любому из пп. 1-16, в котором указанные тяжелые ядра, содержащиеся в камере, состоят из ядер топлива.

18. Способ по п. 17, в котором в камере предусматривают наличие воды в качестве замедляющей среды, причем отношение (V_m/V_f) между объемами, соответственно занимаемыми водяным замедлителем и топливом в камере, находится в пределах 0,2≤V_m/V_f≤1.

19. Способ по п. 18, в котором замедлителем является проточная вода, используемая также для извлечения тепла из камеры.

20. Способ по п. 18 или 19, в котором топливо находится в раздробленной форме и образует псевдоожиженный слой с водяным замедлителем.

21. Способ по п. 20, в котором скорость течения водяного замедлителя может регулироваться.

22. Способ по любому из пп. 1-16, в котором наличие указанных тяжелых ядер, содержащихся в камере, обеспечивают с помощью отдельной мишени расщепления.

23. Способ по п. 22, в котором мишень расщепления расположена центрально в камере и окружена топливом.

24. Способ по п. 22 или 23, в котором мишень расщепления содержит значительное количество материала, высоко прозрачного для тепловых нейтронов.

25. Способ по п. 24, в котором мишень расщепления выполнена из висмута и/или свинца.

26. Способ по любому из пп. 22-25, в котором в камере предусматривают твердофазную замедляющую среду, чтобы достичь практически полной термализации нейтронов высокой энергии, произведенных мишенью расщепления.

27. Способ по п. 26, в котором топливо состоит из множества топливных элементов (22), каждое из которых капсулировано в оболочку (23) из твердофазного замедлителя.

28. Способ по п. 26 или 27, в котором замедлителем является графит.

29. Способ по любому из пп. 22-27, в котором тепло извлекают из камеры посредством потока газа.

30. Способ по любому из пп. 1-25, в котором нейтроны, вовлеченные в процесс воспроизводства и деления, являются быстрыми нейтронами.

31. Способ по п. 30, в котором средний нейтронный поток в камере менее 10¹⁶ см^-2•с^-1.

32. Способ по п. 30 или 31, в котором используют расплавленный свинец и/или висмут для обеспечения наличия тяжелых ядер, содержащихся в камере, с целью взаимодействия с потоком частиц, причем указанный расплавленный свинец и/или висмут циркулируют в охлаждающем контуре для извлечения тепла из камеры.

33. Способ по п. 32, в котором охлаждающий контур имеет размеры, позволяющие рассеивать путем пассивной конвекции радиоактивно генерированное тепло.

34. Способ по любому из пп. 30-33, в котором вокруг топлива располагают бланкет воспроизводящего материала для захвата избыточных нейтронов и производства некоторого количества делящихся элементов, причем получаемая таким образом воспроизводяще-делящаяся смесь может быть использована в качестве начальной топливной загрузки в последующей энерговырабатывающей операции.

35. Способ по любому из пп. 1-34, в котором частицами бомбардирующего пучка являются протоны или дейтроны, поступающие из линейного ускорителя частиц или циклотрона с секторной фокусировкой и имеющие энергию по меньшей мере 0,5 ГэВ.

36. Усилитель энергии для осуществления способа по любому из пп. 1-35, включающий камеру для содержания в ней топлива, включая воспроизводящий элемент, отличающийся тем, что он также имеет устройство направления пучка частиц высокой энергии в камеру для производства нейтронов высокой энергии в результате взаимодействия пучка частиц с тяжелыми ядрами, содержащимися в камере, благодаря чему нейтроны могут быть размножены в докритических условиях с помощью происходящего in situ процесса воспроизводства делящихся элементов из воспроизводящих элементов топлива и деления делящихся элементов.

37. Энерговырабатывающая установка, включающая усилитель энергии по п. 36, ускоритель частиц для создания пучка частиц высокой энергии, направленного в камеру усилителя энергии, устройство циркуляции охлаждающей жидкости для отвода тепла из камеры усилителя энергии и преобразующие устройства для превращения тепла, переносимого охлаждающей жидкостью, в легко используемую форму энергии.

38. Установка по п. 37, в которой ускоритель частиц приводится в действие частью энергии, вырабатываемой энергопреобразующими устройствами.