Способ извлечения ядерной энергии из делящегося вещества

 

Изобретение относится к области производства энергии, в частности к производству электроэнергии, и может быть использовано для создания безопасной ядерной электроэнергетики нового типа. Способ включает осуществление сжатия делящегося вещества ионным пучком от ускорителя-драйвера для уменьшения критической массы вещества. Технический результат: обеспечение безопасности, экологической чистоты и отказа от использования дейтерий-тритиевого топлива, что упрощает реализацию способа.

Изобретение относится к области производства энергии, в частности к производству электроэнергии, и может быть использовано для создания безопасной ядерной электроэнергетики нового типа.

Целью изобретения является создание безопасной ядерной энергетики, построенной на базе импульсного ядерного реактора деления и облучаемой мощными пучками тяжелых ионов от ускорителя-драйвера мишени, содержащей сжатое до высокой плотности делящееся вещество в количестве, достаточном для выделения энергии масштаба 1000 МДж.

Поставленная цель достигается увеличением плотности делящегося вещества в 400 раз. Так как при увеличении плотности делящегося вещества в раз критическая масса уменьшается в ² раз, то при сжатии мишени из плутония (или тория) в 400 раз плотность плутония достигнет 8 кгсм^-3 и мишень, содержащая массу делящегося вещества 0,16 г, становится надкритической. В результате распада 30% от этого количества делящегося вещества во вспышке выделится энергия, примерно равная 4 ГДж, т.е. количество энергии, близкое к энергии, выделяемой при термоядерной вспышке в инерционном термоядерном синтезе.

Известны различные способы создания сильно сжатого вещества. Эффективность способа, используемого для сжатия вещества, характеризуется параметрами: удельная энергия и удельная мощность. При использовании химических веществ удельная энергия 10 кДжг^-1, а удельная мощность 0,01 ТВатт/г, тогда как при использовании пучка тяжелых ионов от мощного ускорителя-драйвера (типа разработанного в ИТЭФ, описание которого содержится в публикации [1]) удельная энергия достигает 100 МДж/г, т.е. увеличивается на четыре порядка, а удельная мощность возрастает почти на шесть порядков, достигая 5000 ТВатт/г. Столь существенное улучшение параметров системы приводит к огромному различию в степени сжатия вещества. Если использование взрывчатых веществ позволяет получать объемное сжатие не более чем в 5 раз, то использование пучка тяжелых ионов от предложенного в ИТЭФ мощного ускорителя-драйвера позволяет получать объемное сжатие цилиндрических мишеней массой 1 г в 500 раз (линейное сжатие в 22 раза).

Так как в предлагаемом способе производства энергии используется то же топливо и те же реакции спонтанного деления ядерной материи, что и в обычном ядерном реакторе, то прототипом изобретения можно считать ядерный реактор деления, от которого оно радикально отличается методом реализации и техникой исполнения.

За прототип заявленного изобретения можно принять известное решение, описанное в патенте SU 608112 А1 (Объединенный институт ядерных исследований), 15.05.1978, в котором предложен способ получения атомной энергии, заключающийся в ускорении пучка частиц и возбуждении ими цепной реакции в блоке делящихся элементов, отличающийся тем, что с целью получения положительного энергетического баланса и расширенного воспроизводства делящихся материалов в качестве частиц используются атомные ядра с кинетической энергией выше 2 Гэв/нуклон. Общим признаком для заявленного изобретения и прототипа является извлечение энергии из делящегося вещества. Признаками, отличающими заявленное изобретение от прототипа, будут следующие: для уменьшения критической массы делящего вещества осуществляют сжатие делящего вещества с помощью пучка тяжелых ионов от мощного ускорителя-драйвера.

Достаточная для практического использования мощность установки создается за счет высокой частоты повторения ядерных вспышек. Так, при частоте повторения 4 Гц средняя тепловая мощность установки составит 16 ГВатт. При этом количество реакторов, облучаемых пучками от одного ускорителя-драйвера, определяется конструктивными особенностями первой стенки реакторной камеры. В случае максимальной частоты работы реакторной камеры 1 Гц один драйвер будет работать с 4 реакторными камерами.

Наряду с ускорителем тяжелых ионов - мощным драйвером в качестве стартера для увеличения начальной скорости развития цепной ядерной реакции деления возможно потребуется быстро (0,1 нсек) ввести в мишень небольшое (10¹⁰) количество нейтронов. Для создания такого потока нейтронов можно использовать вспомогательный линейный ускоритель протонов на энергию 500600 МэВ с импульсным током 0,1А при длительности импульса тока 30 нсек и частоте 4 Гц. Использование такого маломощного (в среднем) вспомогательного ускорителя, очевидно, не ухудшит энергетических параметров установки, но потребует осуществления на выходе из ускорителя сокращения длительности пучка в 300 раз при одновременном увеличении протонного тока до 30 А.

Воспроизводство ядерного топлива достигается облучением оболочки мишени, состоящей из естественного урана, нейтронами от ядерной вспышки.

Преимуществами предлагаемого способа извлечения энергии из делящегося вещества с помощью импульсного реактора деления по сравнению с используемыми методами производства энергии на существующих ядерных реакторах являются: * Полная безопасность, так как использование взрывающейся мишени полностью исключает развитие разгонной аварии реактора.

* Экологическая чистота, так как в отличие от обычного стационарного ядерного реактора деления в рассматриваемом реакторе возможно непрерывное удаление из установки нарабатываемых в ней долгоживущих радиоактивных изотопов, что значительно упрощает решение проблемы радиоактивных отходов, снижая тем самым опасность радиационного загрязнения окружающей среды.

* Простой и безопасный способ наработки нового количества ядерного топлива облучением оболочки мишеней из естественного урана U²³⁸ нейтронным потоком от ядерной вспышки.

Преимущества предлагаемого способа извлечения энергии из делящегося вещества с помощью импульсного реактора деления по сравнению с энергетикой инерциального термоядерного синтеза заключаются: * В отказе от использования DT топлива, что значительно упрощает реализацию метода из-за отсутствия трудновыполнимого условия нагрева топлива до высоких температур, при которых начинается термоядерное горение.

* В отсутствии необходимости работать с экологически опасным веществом - тритием.

Источник информации 1. Кошкарев Д.Г., Чуразов М.Д. Инерционный термоядерный синтез на базе тяжелоионного ускорителя-драйвера и цилиндрической мишени. Атомная энергия, т.91, вып.1, июль 2001, стр. 47-54.

Формула изобретения

Способ извлечения ядерной энергии из делящегося вещества, отличающийся тем, что ионным пучком от ускорителя-драйвера осуществляют сжатие делящегося вещества для уменьшения его критической массы.