anotācija
Nesenajos kodolenerģijas attīstības stratēģisko izredžu novērtējumos var atzīmēt tendenci uz pazeminošu augstprātīgu attieksmi pret kodolenerģiju, kas diemžēl lielā mērā atbilst faktiskajai situācijai. Tajā pašā laikā divu kodoltehnoloģiju problēmu un potenciāla analīze, kuras pamatā ir vieglu kodolu saplūšanas un smago kodolu sadalīšanās kodolreakcijas, parāda sekojošo. Katras no šīm jomām neatkarīga liela mēroga attīstība neizbēgami novedīs pie nepieciešamības pārvarēt vēl neatrisinātās tehnoloģiskās, materiālzinātnes, vides un ekonomiskās dabas problēmas, kas radīs jautājumu par šo enerģētikas nozaru turpmākās attīstības lietderību. Tajā pašā laikā skaldīšanas un kodolsintēzes fizikālās iezīmes objektīvi norāda uz vēlamību tos apvienot vienā kodolenerģijas sistēmā, kas rada lielu sinerģisku efektu, kas nomāc to negatīvos aspektus, patstāvīgi attīstot kodoltehnoloģijas.
Rakstā ir izklāstīti termobrandu neitronu pavairošanas hibrīda termo kodolreaktora segā aprēķini, kas apstiprina attīstības stratēģiskā virziena izvēles fizisko pamatotību un uzticamību integrētas kodolenerģijas sistēmas veidā.
Ievads
Tagad, novērtējot kodolenerģijas attīstības stratēģisko ceļu, notiek nopietni šķietami izveidoto noteikumu atkārtoti novērtējumi. Divkomponentu kodolenerģijas attīstības koncepcija, kurā ātrās un termiskās dalīšanās reaktori darbojas saskaņoti, nesen ir nopietni pārskatīta. Iepriekš tika pieņemts, ka kodolenerģijas strukturālā attīstība sākotnējā posmā balstīsies uz jaudas palielināšanu uz termoreaktoru rēķina. Pēc tam parādīsies ātrie reaktori ar augstu pavairošanas koeficientu 1,5 un vairāk. Tas ļaus, pieaugot dabiskā urāna trūkumam, organizēt slēgtu degvielas ciklu ar efektīvu apstarotās izlietotās kodoldegvielas pārstrādi un apmierināt skaldāmo izotopu nepieciešamību, tos ražojot ātros reaktoros. Tika pieņemtska kodolenerģijas sistēmā termisko reaktoru īpatsvars būs aptuveni 60% un ātro reaktoru īpatsvars būs aptuveni 40%. Termiskie reaktori uzņemsies neērtības, strādājot energosistēmā (patērētāja prasībām pielāgots jaudas diapazons, darbība mainīgas slodzes līknē, nodrošinās sistēmas neelektriskas vajadzības utt.). Ātrie reaktori galvenokārt darbosies uz bāzes, un no neapstrādātiem izotopiem ražos degvielu sev un termoreaktoriem.un ražot degvielu no neapstrādātiem izotopiem sev un termoreaktoriem.un ražot degvielu no neapstrādātiem izotopiem sev un termoreaktoriem.
Mūsdienu tendences
Reklāmas video:
Tomēr nopietnās avārijās, kas notikušas atomelektrostacijās, ir radusies nepieciešamība ievērojami pastiprināt drošības prasības atomelektrostacijām. Šī iemesla dēļ tika veiktas būtiskas korekcijas ātro reaktoru projektos, kas vērsti uz intensīvu degvielas ražošanu, un jau tiek apsvērti jauni ātro reaktoru konceptuālie projekti, kuru audzēšanas koeficients ir tuvu vienotībai un ar mazu kodola enerģijas intensitāti. Šajā situācijā jaunu ātro reaktoru projektu piekritēji ir atraduši citu veidu, kā saglabāt to nozīmi. Viņi sāka izplatīt scenāriju, kurā tiek pieņemts, ka ilgtermiņā atteikšanās no termoreaktoriem ir neizbēgama, ka jebkurā notikumu attīstībā ātri reaktori aizstās termiskos.
Cilvēkiem ir atšķirīgs nākotnes vērtējums, un daudzi uzskata, ka piedāvātais kodolenerģijas attīstības virziens var netikt realizēts, un jaunā ātro reaktoru dominēšanas koncepcija izrādīsies nepareiza. Un šī nostāja lielā mērā ir pamatota. Pieejamās alternatīvas ļauj runāt par kodolenerģijas sistēmas attīstības iespējām daudz pievilcīgākā konfigurācijā.
Ievērojamākie ir sistēmiski trūkumi kodolenerģijas būvniecībā, kuras pamatā galvenokārt ir ātrie reaktori. Pat ja mēs pieņemam, ka ātrais reaktors ir izgatavots perfekti un tam nav trūkumu, kas radītu šaubas par tā absolūto pārākumu pār citiem projektiem, pastāv nenovēršamas sistēmiskas grūtības.
Pirmkārt. Ātrajos reaktoros jaunizveidotā skaldāmā izotopa (plutonija) galvenā daļa tiks ražota kodolā, kur tiks ražota enerģija un veidosies lielākā daļa radioaktīvo skaldīšanas produktu. Šī ļoti aktīvā degviela ir ātri jāapstrādā ķīmiski. Pārstrādājot, no apstarotās degvielas izdalīsies visi radioaktīvie izotopi. Liels radioaktivitātes daudzums atstās aizzīmogoto degvielas elementu un izplatīsies visā darba telpā. Neskatoties uz to, ka viņi centīsies kontrolēt visu šo radioaktivitāti, tas dažādu iemeslu dēļ noteiks galveno iespējamo radioaktīvo incidentu risku, sākot no bēdīgi slavenā cilvēciskā faktora līdz plānveida sabotāžai.
Otrkārt. Ātrajiem reaktoriem gandrīz pilnībā būs jāmaina termiskie. Ņemot vērā, ka nepieciešamais ātro reaktoru prototips vēl nav pieejams, ka šāda nomaiņa notiks pakāpeniski, ka tā sāksies ne agrāk kā gadsimta vidū, un pat tad, ja visi pasaules iedzīvotāji piekrīt to atbalstīt, procedūra ilgs vismaz divus gadsimtus. Šajā laikā starp tiem, kas dzīvo pēc mums, iespējams, būs cilvēki, kuri spēj izdomāt un ieviest pievilcīgāku kodolrūpniecības profilu. Un centieni radīt ideālu ātrreaktoru būs veltīgi.
Trešais. Daudzkārtēja plutonija pārstrāde novedīs pie ievērojama daudzuma nelielu aktinīdu, izotopu, kas dabā nav, veidošanās, ar kuriem cilvēce dažādu iemeslu dēļ negrasās samierināties un prasa to iznīcināšanu. Būs arī jāorganizē šo izotopu transmutācija, process ar augstu negadījumu risku, kas arī var izraisīt ievērojamu vides radioaktīvo piesārņojumu.
Varētu pieņemt šīs nepilnības kā neizbēgamu ļaunumu, taču šādu nostāju var attaisnot tikai tad, ja nav alternatīvas, taču tā pastāv.
Kodolsintēzes enerģija
Ātro reaktoru dominējošā stāvokļa alternatīva var būt kodolenerģijas sistēmas izstrāde, kuras pamatā ir kodolsintēzes un skaldīšanas reaktori. Priekšlikumus par kodolreaktoru izmantošanu kodolenerģijas struktūrā, nodrošinot būtisku sistēmas neitronu potenciāla pieaugumu, izteica I. V. Kučatovs Vēlāk parādījās hibrīda kodolreaktora koncepcija, kuras sagatavē ražoja jaunu skaldāmo izotopu un ražoja enerģiju. Pēdējos gados šīs koncepcijas izstrāde ir turpinājusies. Jaunajā kodolsistēmas versijā tiek pieņemts, ka kodolsintēzes reaktori (kodolreaktori) darbojas, lai ražotu kodoldegvielu no neapstrādātiem izotopiem skaldīšanas reaktoriem, un skaldīšanas reaktori, tāpat kā tagad, ražo enerģiju.
Nesen publicētajā rakstā "Kodolenerģētikas kodolenerģētikas problēmas" autori secināja, ka kodoltermisko kodolsintēzi vairāku iemeslu dēļ nevajadzētu uzskatīt par liela mēroga enerģijas tehnoloģiju. Bet šāds secinājums ir pilnīgi negodīgs, ja tiek apsvērta integrēta sistēma, kurā kodolenerģijas tehnoloģijas (kodolsintēze un skaldīšana) papildina viena otru un nodrošina efektīvāku to funkciju izpildi, kuras otram ir grūti.
Toriālā kurināmā cikla ietvaros vislabāk ir izveidot uzticamu kodolenerģijas sistēmu ar skaldīšanas un kodolsintēzes reaktoriem. Šajā gadījumā termo kodolreaktoru īpatsvars sistēmā būs minimāls (mazāk nekā 10%), mākslīgais skaldāmā izotops urāns-233, kas iegūts no padeves izotopa torija-232, ir labākais risinājums termisko neitronu reaktoriem, apvienotajā kodolsistēmā nelielu transurānu problēma vienkārši nepastāvēs. Sistēmā saražoto Am, Cm uc daudzums. būs nenozīmīgs. Šādai sistēmai būs degvielas cikls, kurā vides radioaktīvā piesārņojuma risks būs vismazākais.
Dabiskais kritērijs šīs koncepcijas īstenošanai ir neitronu līdzsvars. Kodolreakcija, uz kuras balstīsies neitronu ražošana kodolsintēzes reaktorā, ir tritija un deitērija saplūšanas reakcija
D + T = Viņš + n + 17,6 MeV
Reakcijas rezultātā iegūst neitronu ar enerģiju 14,1 MeV un alfa daļiņu ar enerģiju 3,5 MeV, kas paliek plazmas sildīšanai. Caur vakuuma kameras sienu lidojošs augstas enerģijas neitrons nonāk termoreaktora reaktora sega, kurā tas vairojas; kad to notver neapstrādāts izotops, iegūst jaunu skaldāmo izotopu. Termonukleārā neitrona pavairošana notiek reakciju (n, 2n), (n, 3n) un (n, dalīšanās) rezultātā - smago kodolu, šajā gadījumā neapstrādāta izotopa, sadalīšanās reakcija. Visām šīm reakcijām ir sliekšņa raksturs. 1. attēlā parādīti norādīto šķērsgriezumu grafiki. Lai nodrošinātu maksimālu neitronu pavairošanu, ir svarīgi, lai segas degvielas sastāvs saturētu minimālu gaismas kodolu daudzumu un, protams, neitronu absorbētājus.
1. attēls Neitronu reizināšanas mikrosekcijas Th-232.
Lai novērtētu jaunu skaldāmo izotopu ražošanas iespējas kodolreaktorā, tika veikta virkne aprēķinu dažādiem segas degvielas kompozīciju variantiem ar toriju kā padeves izotopu. Aprēķini tika veikti, izmantojot dažādas programmas un kodoldatu bibliotēkas. Izmantotās programmas bija MCU bibliotēka ENDF / B-6, MCNP, bibliotēka ENDF / B-6, LUKY grupas bibliotēka. Tabulā parādīti neitronu uztveršanas uz torija-232 aprēķiniem rezultāti uz vienu kodolsintēzes neitronu avotu degvielas sastāvam ar noteikto kodola izotopu koncentrācijas attiecību. Dažos variantos tika pieņemts, ka norādītā izotopu attiecība tika iegūta nevis kā ķīmisks savienojums, bet gan konstruktīvi, ja noteiktu torija daudzumu samaisīja ar atbilstošu daudzumu vēlamā izotopa.
1. tabula Termonukleāro neitronu (E = 14,1 MeV) reizināšana hibrīdreaktora segā ar torija degvielas sastāvu.
Pēdējā kolonnā ir uzskaitītas vērtības, kas raksturo neitronu pavairošanu neapstrādātā izotopa sadalīšanās reakcijas dēļ. Ir norādītas neitronu ražošanas vērtības sadalīšanās dēļ, t.i. ν∑f. LUKY grupas programmā reakcijas šķērsgriezuma matricas (n, 2n) un (n, 3n) ir integrētas ar šķērsgriezumiem neelastīgai izkliedēšanai. Tas neļauj atsevišķi iegūt šo reakciju ātruma vērtības.
Kopumā uzrādītie aprēķinātie dati savstarpēji labi saskan, kas dod pamatu rēķināties ar efektīvu termonukleāro neitronu pavairošanu hibrīdreaktora segā. Tabulā sniegtie aprēķinu rezultāti parāda termonukleāro neitronu (14,1 MeV) teorētisko reizināšanas potenciālu. Bezgalīgā vidē no torija ir aptuveni 2,6, t.i. viens neitrons reizinās reakciju (n, 2n) un reakciju (n, 3n) dēļ aptuveni 2 reizes, un torija-232 sadalīšanās dēļ 1,5 reizes. Aprēķini dažādām programmām un dažādām bibliotēkām atšķiras par aptuveni 10%. Šīs atšķirības ir saistītas ar vairāku kodoldatu bibliotēku izmantošanu. Ņemot vērā norādīto kļūdu, uzrādītie rezultāti var kalpot par konservatīvu vadlīniju, lai novērtētu skaldāmo izotopu vairošanās parametrus kodolreaktora segā. Tie parāda, ka noteicošais faktors, kas noved pie segas reizināšanas spējas samazināšanās, ir gaismas izkliedes izotopu klātbūtne tajā, ieskaitot O-16, F-19, kuriem ir arī neelastīgas neitronu izkliedes reakcija ar lielu enerģiju. Aprēķini liecina, ka S-12 izmantošana apšuvumu ražošanai degvielas šūnām, kas piepilda segu, ir diezgan daudzsološa. Grafīta izmantošanu var uzskatīt par vienu no dizaina iespējām. Pat gadījumā, ja oglekļa kodolu ir divarpus reizes vairāk nekā torijam, termonukleāro neitronu reizināšanas koeficients ir tuvu 2. Tas nozīmē, ka ar pareizu neitronu līdzsvara organizēšanu vienā jaunā skaldāmā izotopa urāna-233 kodolā var iegūt segu un vienu kodolu tritijs.kas noved pie segas pavairošanas spējas samazināšanās, tajā ir gaismas izkliedes izotopi, ieskaitot O-16, F-19, kuriem ir arī neelastīga neitronu izkliedes reakcija pie lielām enerģijām. Aprēķini rāda, ka S-12 izmantošana apšuvumu ražošanai degvielas šūnām, kas piepilda segu, ir diezgan daudzsološa. Grafīta izmantošanu var uzskatīt par vienu no dizaina iespējām. Pat gadījumā, ja oglekļa kodolu ir divarpus reizes vairāk nekā torijam, termonukleāro neitronu reizināšanas koeficients ir tuvu 2. Tas nozīmē, ka ar pareizu neitronu līdzsvara organizēšanu vienā jaunā skaldāmā izotopa urāna-233 kodolā var iegūt segu un vienu kodolu tritijs.kas noved pie segas pavairošanas spējas samazināšanās, ir gaismas izkliedes izotopu klātbūtne tajā, ieskaitot O-16, F-19, kuriem ir arī neelastīgas neitronu izkliedes reakcija ar lielu enerģiju. Aprēķini rāda, ka C-12 izmantošana apšuvumu ražošanai degvielas šūnām, kas piepilda segu, ir diezgan daudzsološa. Grafīta izmantošanu var uzskatīt par vienu no dizaina iespējām. Pat gadījumā, ja oglekļa kodolu ir divarpus reizes vairāk nekā torijam, termonukleāro neitronu reizināšanas koeficients ir tuvu 2. Tas nozīmē, ka ar pareizu neitronu līdzsvara organizēšanu vienā jaunā skaldāmā izotopa urāna-233 kodolā var iegūt segu un vienu kodolu tritijs. F-19, kam ir arī neelastīgas neitronas izkliedes reakcija pie lielām enerģijām. Aprēķini liecina, ka S-12 izmantošana apšuvumu ražošanai degvielas šūnām, kas piepilda segu, ir diezgan daudzsološa. Grafīta izmantošanu var uzskatīt par vienu no dizaina iespējām. Pat gadījumā, ja oglekļa kodolu ir divarpus reizes vairāk nekā torijam, termonukleāro neitronu reizināšanas koeficients ir tuvu 2. Tas nozīmē, ka ar pareizu neitronu līdzsvara organizēšanu vienā jaunā skaldāmā izotopa urāna-233 kodolā var iegūt segu un vienu kodolu tritijs. F-19 ir arī neelastīgas neelastīgas izkliedes reakcija pie lielām enerģijām. Aprēķini liecina, ka S-12 izmantošana apšuvumu ražošanai degvielas šūnām, kas piepilda segu, ir diezgan daudzsološa. Grafīta izmantošanu var uzskatīt par vienu no dizaina iespējām. Pat gadījumā, ja oglekļa kodolu ir divarpus reizes vairāk nekā torijam, termonukleāro neitronu reizināšanas koeficients ir tuvu 2. Tas nozīmē, ka ar pareizu neitronu līdzsvara organizēšanu vienā jaunā skaldāmā izotopa urāna-233 kodolā var iegūt segu un vienu kodolu tritijs. Grafīta izmantošanu var uzskatīt par vienu no dizaina iespējām. Pat gadījumā, ja oglekļa kodolu ir divarpus reizes vairāk nekā torijam, termonukleāro neitronu reizināšanas koeficients ir tuvu 2. Tas nozīmē, ka ar pareizu neitronu līdzsvara organizēšanu vienā jaunā skaldāmā izotopa urāna-233 kodolā var iegūt segu un vienu kodolu tritijs. Grafīta izmantošanu var uzskatīt par vienu no dizaina iespējām. Pat gadījumā, ja oglekļa kodolu ir divarpus reizes vairāk nekā torijam, termonukleāro neitronu reizināšanas koeficients ir tuvu 2. Tas nozīmē, ka ar pareizu neitronu līdzsvara organizēšanu vienā jaunā skaldāmā izotopa urāna-233 kodolā var iegūt segu un vienu kodolu tritijs.
Protams, praksē būs neitronu zudumi, un to kompensēšanai būs nepieciešami papildu neitroni. Šādus neitronus var ražot dažādos veidos. Piemēram, daļu no tritija, kas nepieciešams kodolsintēzes reakcijai, var ražot skaldīšanas reaktora kodolā. Šīs neitronu papildināšanas metodes potenciāls ir ļoti augsts. Urāna-233 degvielas cikla termiskās skaldīšanas reaktoros vairošanās koeficients ir aptuveni 0,8, t.i. par vienu sadedzinātu urāna-233 kodolu var iegūt 0,8 tritija kodolus. Šī vērtība vairāk nekā sedz visus neitronu zudumus. Ir iespējams samazināt kodolsintēzes reaktora segas oglekļa saturu, t.i. Lai padarītu kurināmā elementu apšuvumu plānāku, šī priekšlikuma potenciāls ir 0,2.-0,3 papildu neitroni. Vēl viens veids, kā atļaut nelielu urāna-233 sadalīšanos segā. Šīs iespējas saprātīgais potenciāls,kas neradīs ievērojamu smago kodolu dalīšanās produktu palielināšanos segā, ir vairāk nekā 0,5 neitroni.
Secinājums
Efektīvas neitronu pavairošanas nozīme hibrīdreaktora sagatavē ir vēl jo svarīgāka, jo tas ļauj atteikties no kodola kodoldegvielas pārstrādes no skaldīšanas reaktoriem. Sistēmā būs pietiekami daudz neitronu, lai pilnībā kompensētu skaldāmo izotopu zudumu enerģijas ražošanā skaldīšanas reaktoros, tos ražojot no termo kodolreaktora segā esošā padeves izotopa.
Pilnīgi nav svarīgi, kāda veida skaldīšanas reaktori būs sistēmā, ātri vai termiski, lieli vai mazi.
Jaunizveidotā urāna-233 ekstrahēšanai no kopējā kurināmā sastāva būs radioaktivitātes izdalīšanās par aptuveni divām līdz trim pakāpēm mazāk, salīdzinot ar iespēju, kad skaldāmie izotopi būs jāatdala no skaldīšanas reaktoru SNF. Šis apstāklis nodrošinās minimālu vides radioaktīvā piesārņojuma risku.
Pamatojoties uz veiktajiem aprēķiniem, ir viegli novērtēt hibrīdo termo kodolreaktoru īpatsvaru. Tas būs mazāks par 10% no visas sistēmas siltuma jaudas, un tāpēc visas sistēmas ekonomiskais slogs nebūs liels, pat ja hibrīdie kodolreaktori ir dārgāki par skaldīšanas reaktoriem.
Kodolenerģijas sistēmā iestrādātās kodoltermiskās tehnoloģijas un to turpmākā attīstība jāuzskata par kodolrūpniecības stratēģiskās attīstības vispārējo virzienu, kas spēj ilgstoši, praktiski jebkura mēroga, atrisināt galvenās energoapgādes problēmas, ar minimālu negatīvas radioaktīvas ietekmes uz vidi risku.