adnotare
În evaluările recente ale perspectivelor strategice pentru dezvoltarea energiei nucleare, se poate observa tendința unei atitudini arogante condescendente față de energia termonucleară, care, din păcate, în mare parte corespunde stării reale de lucruri. În același timp, o analiză a problemelor și potențialului a două tehnologii nucleare bazate pe reacții nucleare de fuziune a nucleelor ușoare și fisiunea celor grele arată următoarele. Dezvoltarea independentă pe scară largă a fiecăruia dintre aceste domenii va duce inevitabil la necesitatea depășirii problemelor încă nerezolvate de natură tehnologică, materială, de mediu și economică, ceea ce va ridica problema oportunității dezvoltării ulterioare a acestor sectoare energetice. În același timp, caracteristicile fizice ale proceselor de fisiune și fuziune indică în mod obiectiv oportunitatea combinării acestora într-un singur sistem de energie nucleară, ceea ce provoacă un efect sinergic mare care le suprima aspectele negative, dezvoltând în mod independent tehnologiile nucleare.
Articolul prezintă calculele multiplicării neutronilor termonucleari în pătura unui reactor termonuclear hibrid, care confirmă validitatea fizică și fiabilitatea alegerii direcției strategice de dezvoltare sub forma unui sistem de energie nucleară integrat.
Introducere
Acum, în evaluările căii strategice de dezvoltare a energiei nucleare, au loc reevaluări serioase ale prevederilor aparent stabilite. Conceptul cu două componente pentru dezvoltarea energiei nucleare, în care reactoarele cu fisiune rapidă și termică funcționează concertat, a suferit recent o revizuire serioasă. Anterior, se presupunea că dezvoltarea structurală a energiei nucleare se va baza în etapa inițială, pe consolidarea capacității în detrimentul reactoarelor termice. Ulterior, vor apărea reactoare rapide cu un raport de reproducere ridicat de 1,5 și mai mare. Acest lucru va face posibilă, odată cu creșterea deficitului de uraniu natural, organizarea unui ciclu închis de combustibil cu reprocesarea eficientă a combustibilului nuclear uzat iradiat și satisfacerea nevoii de izotopi fisionabili prin producerea lor în reactoare rapide. S-a presupuscă în sistemul de energie nucleară ponderea reactoarelor termice va fi de aproximativ 60%, iar ponderea reactoarelor rapide va fi de aproximativ 40%. Reactoarele termice vor prelua inconvenientele de a lucra în sistemul de alimentare (gama de putere adaptată la cerințele consumatorului, lucrează într-o curbă de sarcină variabilă, asigură necesități neelectrice ale sistemului etc.). Reactoarele rapide vor funcționa în principal pe baza de bază și vor produce combustibil din izotopi bruti pentru ei înșiși și pentru reactoarele termice.și să producă combustibil din izotopi bruti pentru sine și pentru reactoare termice.și să producă combustibil din izotopi bruti pentru sine și pentru reactoare termice.
Tendințe moderne
Video promotional:
Cu toate acestea, accidentele grave care au avut loc la centralele nucleare au condus la necesitatea înăspririi semnificative a cerințelor de siguranță pentru centralele nucleare. Din acest motiv, s-au făcut ajustări semnificative la proiectele reactoarelor rapide axate pe producția intensivă de combustibil, iar noile concepte conceptuale ale reactoarelor rapide sunt deja luate în considerare cu un raport de reproducere apropiat de unitate, cu o intensitate energetică scăzută a miezului. În această situație, adepții noilor proiecte de reactoare rapide au găsit o altă modalitate de a-și menține semnificația. Au început să propage un scenariu care presupune că pe termen lung abandonarea reactoarelor termice este inevitabilă, că în orice evoluție a evenimentelor reactoarele rapide vor înlocui reactoarele termice.
Oamenii au evaluări diferite ale viitorului și mulți cred că direcția propusă pentru dezvoltarea energiei nucleare s-ar putea să nu fie realizată, iar noul concept al dominanței reactoarelor rapide se va dovedi a fi greșit. Iar această poziție este în mare măsură justificată. Alternativele disponibile ne permit să vorbim despre opțiunile pentru dezvoltarea sistemului de energie nucleară într-o configurație mult mai atractivă.
Cele mai vizibile deficiențe sistemice în construcția energiei nucleare, bazate în principal pe reactoare rapide, sunt evidente. Chiar dacă presupunem că reactorul rapid în sine este făcut perfect și nu are defecte care ar ridica îndoieli cu privire la superioritatea sa absolută față de orice alte proiecte, există dificultăți sistemice inevitabile.
Primul. Partea principală a izotopului fisionabil nou produs (plutoniu) din reactoarele rapide va fi produsă în miez, unde se va produce energia și se va forma cea mai mare parte a produselor de fisiune radioactivă. Acest combustibil foarte activ trebuie procesat chimic rapid. Reprocesarea va elibera toți izotopii radioactivi din combustibilul iradiat. O cantitate mare de radioactivitate va părăsi elementul combustibil sigilat și va fi distribuit în sala de lucru. În ciuda faptului că vor încerca să țină toată această radioactivitate sub control, aceasta va determina principalul risc de potențiale incidente radioactive, din diverse motive, de la notorul factor uman până la sabotajul planificat.
Al doilea. Reactoarele rapide vor trebui să le înlocuiască pe cele termice, aproape complet. Având în vedere că prototipul necesar al reactoarelor rapide nu este încă disponibil, că o astfel de înlocuire va avea loc treptat, că va începe nu mai devreme de mijlocul secolului și chiar dacă toată lumea din lume este de acord să-l susțină, procedura va dura cel puțin două secole. În acest timp, printre cei care trăiesc după noi, vor exista probabil oameni care sunt capabili să vină și să implementeze un profil mai atractiv al industriei nucleare. Și eforturile de a crea reactorul rapid ideal vor fi în zadar.
Al treilea. Reciclarea multiplă a plutoniului va duce la formarea unei cantități semnificative de actinide minore, izotopi absenți în natură, cu care omenirea, din diferite motive, nu intenționează să se supună și necesită distrugerea lor. De asemenea, va fi necesar să se organizeze transmutarea acestor izotopi, un proces cu un risc ridicat de accident, capabil să conducă și la contaminarea radioactivă semnificativă a mediului.
S-ar putea accepta aceste neajunsuri ca un rău inevitabil, dar o astfel de poziție poate fi justificată doar în absența unei alternative, dar ea există.
Energia de fuziune
O alternativă la dominanța reactoarelor rapide poate fi dezvoltarea unui sistem de energie nucleară bazat pe reactoare de fuziune și fisiune. Propunerile pentru utilizarea reactoarelor termonucleare în structura energiei nucleare, care oferă o creștere semnificativă a potențialului de neutroni ai sistemului, au fost făcute de I. V. Kuchatov Ulterior, a apărut conceptul unui reactor termonuclear hibrid, în al cărui spațiu a fost produs un nou izotop fissil și s-a produs energie. În ultimii ani, dezvoltarea acestui concept a continuat. Noua versiune a sistemului nuclear presupune că reactoarele de fuziune (reactoare termonucleare) funcționează pentru a produce combustibil nuclear din izotopi bruti pentru reactoarele de fisiune, în timp ce reactoarele de fisiune, ca și acum, produc energie.
Într-un articol recent publicat „Probleme nucleare ale ingineriei energiei termonucleare”, autorii au concluzionat că fuziunea termonucleară, din mai multe motive, nu ar trebui considerată o tehnologie energetică la scară largă. Dar această concluzie este complet nedreaptă atunci când se ia în considerare un sistem integrat în care tehnologiile de energie nucleară (fuziune și fisiune) se completează reciproc și oferă performanțe mai eficiente ale funcțiilor dificile pentru celălalt.
Crearea unui sistem nuclear de încredere cu reactoare de fisiune și fuziune este cel mai de preferat în cadrul ciclului combustibilului de toriu. În acest caz, ponderea reactoarelor termonucleare în sistem va fi minimă (mai puțin de 10%), izotopul fisil artificial uraniu-233, obținut din izotopul de alimentare toriu-232 este cea mai bună opțiune pentru reactoarele cu neutroni termici, în sistemul nuclear unit problema transuranilor minori pur și simplu nu va exista. Cantitatea de Am, Cm etc. produsă în sistem. va fi neglijabil. Un astfel de sistem va avea un ciclu de combustibil în care riscul de contaminare radioactivă a mediului va fi cel mai mic.
Criteriul natural pentru implementarea acestui concept este echilibrul neutronic. Reacția nucleară pe care se va baza producția de neutroni într-un reactor de fuziune este reacția de fuziune a tritiului și a deuteriului
D + T = He + n +17,6 MeV
Ca urmare a reacției, se obțin un neutron cu o energie de 14,1 MeV și o particulă alfa cu o energie de 3,5 MeV, care rămâne pentru a încălzi plasma. Un neutron de mare energie care zboară prin peretele camerei de vid intră în pătura unui reactor termonuclear, în care se înmulțește; atunci când este captat de un izotop brut, se obține un nou izotop fisil. Înmulțirea unui neutron termonuclear are loc ca urmare a reacțiilor (n, 2n), (n, 3n) și (n, fisiune) - reacția de fisiune a nucleilor grei, în acest caz, un izotop brut. Toate aceste reacții sunt de natură prag. Figura 1 prezintă graficele secțiunilor transversale indicate. Pentru a asigura multiplicarea maximă a neutronilor, este important ca compoziția combustibilului de pătură să conțină un număr minim de nuclee ușoare și, desigur, absorbanți de neutroni.
Fig. 1 Microsecții ale multiplicării neutronilor în Th-232.
Pentru a evalua potențialul pentru producerea de noi izotopi fisibili într-un reactor termonuclear, s-au efectuat o serie de calcule pentru diferite variante de compoziții de combustibil pătură cu toriu ca izotop de alimentare. Calculele au fost efectuate folosind diverse programe și biblioteci de date nucleare. Programele utilizate au fost biblioteca MCU ENDF / B-6, MCNP, biblioteca ENDF / B-6, biblioteca de grup LUKY. Tabelul prezintă rezultatele calculelor de captare a neutronilor pe toriu-232 pe o sursă de neutroni de fuziune pentru o compoziție de combustibil cu raportul specificat al concentrațiilor de izotop nuclear. În unele variante de realizare, s-a presupus că raportul indicat de izotopi a fost obținut nu ca un compus chimic, ci în mod constructiv, când o anumită cantitate de tor a fost agitată cu cantitatea adecvată de izotop dorit.
Tabelul 1 Înmulțirea neutronilor termonucleari (E = 14,1 MeV) în pătura unui reactor hibrid cu o compoziție de combustibil de toriu.
Ultima coloană listează valorile care caracterizează multiplicarea neutronilor datorită reacției de fisiune a izotopului brut. Sunt date valorile producției de neutroni datorate fisiunii, adică ν∑f. În programul grupului LUKY, matricile de secțiune transversală pentru reacție (n, 2n) și (n, 3n) sunt integrate cu secțiunile transversale pentru împrăștierea inelastică. Acest lucru nu permite obținerea valorilor ratelor acestor reacții separat.
În ansamblu, datele calculate prezentate sunt în concordanță între ele, ceea ce oferă motive să ne bazăm pe multiplicarea efectivă a neutronilor termonucleari în pătura unui reactor hibrid. Rezultatele calculelor prezentate în tabel arată potențialul teoretic de multiplicare al neutronilor termonucleari (14,1 MeV). Într-un mediu infinit de toriu, acesta este de aproximativ 2,6, adică un neutron se înmulțește din cauza reacțiilor (n, 2n) și a reacțiilor (n, 3n) de aproximativ 2 ori și datorită fisiunii toriu-232 în 1,5 ori. Calculele pentru diferite programe și diferite biblioteci diferă cu aproximativ 10%. Aceste diferențe se datorează utilizării mai multor biblioteci de date nucleare. Luând în considerare eroarea indicată, rezultatele prezentate pot servi drept orientare conservatoare pentru evaluarea parametrilor de creștere a izotopilor fisili în pătura unui reactor termonuclear. Acestea arată că factorul determinant care duce la scăderea capacității de multiplicare a păturii este prezența izotopilor de împrăștiere a luminii în ea, inclusiv O-16, F-19, care au, de asemenea, o reacție de împrăștiere inelastică a neutronilor la energii mari. Calculele arată că utilizarea C-12 pentru fabricarea placărilor pentru pilele de combustie care umple pătura este destul de promițătoare. Utilizarea grafitului poate fi considerată una dintre opțiunile de proiectare. Chiar și în cazul în care există de două ori și jumătate mai multe nuclee de carbon decât toriul, factorul de multiplicare al neutronilor termonucleari este aproape de 2. Acest lucru înseamnă că, cu organizarea corectă a echilibrului neutronic, un nucleu al unui nou izotop fisionabil uraniu-233 poate fi obținut într-o pătură și un nucleu tritiu.ceea ce duce la o scădere a capacității de multiplicare a păturii este prezența izotopilor de împrăștiere a luminii în ea, inclusiv O-16, F-19, care au, de asemenea, o reacție de împrăștiere inelastică a neutronilor la energii mari. Calculele arată că utilizarea S-12 pentru fabricarea placărilor pentru pilele de combustie care umple pătura este destul de promițătoare. Utilizarea grafitului poate fi considerată una dintre opțiunile de proiectare. Chiar și în cazul în care există de două ori și jumătate mai multe nuclee de carbon decât toriul, factorul de multiplicare al neutronilor termonucleari este aproape de 2. Acest lucru înseamnă că, cu organizarea corectă a echilibrului neutronic, un nucleu al unui nou izotop fisionabil uraniu-233 poate fi obținut într-o pătură și un nucleu tritiu.ceea ce duce la o scădere a capacității de multiplicare a păturii este prezența izotopilor de împrăștiere a luminii în ea, inclusiv O-16, F-19, care au, de asemenea, o reacție de împrăștiere inelastică a neutronilor la energii mari. Calculele arată că utilizarea C-12 pentru fabricarea placărilor pentru pilele de combustie care umple pătura este destul de promițătoare. Utilizarea grafitului poate fi considerată una dintre opțiunile de proiectare. Chiar și în cazul în care există de două ori și jumătate mai multe nuclee de carbon decât toriul, factorul de multiplicare al neutronilor termonucleari este aproape de 2. Acest lucru înseamnă că, cu organizarea corectă a echilibrului neutronic, un nucleu al unui nou izotop fisionabil uraniu-233 poate fi obținut într-o pătură și un nucleu tritiu. F-19, care au și o reacție de împrăștiere inelastică a neutronilor la energii mari. Calculele arată că utilizarea S-12 pentru fabricarea placărilor pentru pilele de combustie care umple pătura este destul de promițătoare. Utilizarea grafitului poate fi considerată una dintre opțiunile de proiectare. Chiar și în cazul în care există de două ori și jumătate mai multe nuclee de carbon decât toriul, factorul de multiplicare al neutronilor termonucleari este aproape de 2. Acest lucru înseamnă că, cu organizarea corectă a echilibrului neutronic, un nucleu al unui nou izotop fisionabil uraniu-233 poate fi obținut într-o pătură și un nucleu tritiu. F-19 au, de asemenea, o reacție de împrăștiere inelastică a neutronilor la energii mari. Calculele arată că utilizarea C-12 pentru fabricarea placărilor pentru pilele de combustie care umple pătura este destul de promițătoare. Utilizarea grafitului poate fi considerată una dintre opțiunile de proiectare. Chiar și în cazul în care există de două ori și jumătate mai multe nuclee de carbon decât toriul, factorul de multiplicare al neutronilor termonucleari este aproape de 2. Acest lucru înseamnă că, cu organizarea corectă a echilibrului neutronic, un nucleu al unui nou izotop fisionabil uraniu-233 poate fi obținut într-o pătură și un nucleu tritiu. Utilizarea grafitului poate fi considerată una dintre opțiunile de proiectare. Chiar și în cazul în care există de două ori și jumătate mai multe nuclee de carbon decât toriul, factorul de multiplicare al neutronilor termonucleari este aproape de 2. Acest lucru înseamnă că, cu organizarea corectă a echilibrului neutronic, un nucleu al unui nou izotop fisionabil uraniu-233 poate fi obținut într-o pătură și un nucleu tritiu. Utilizarea grafitului poate fi considerată una dintre opțiunile de proiectare. Chiar și în cazul în care există de două ori și jumătate mai multe nuclee de carbon decât toriul, factorul de multiplicare al neutronilor termonucleari este aproape de 2. Acest lucru înseamnă că, cu organizarea corectă a echilibrului neutronic, un nucleu al unui nou izotop fisionabil uraniu-233 poate fi obținut într-o pătură și un nucleu tritiu.
Desigur, în practică, vor exista pierderi de neutroni și vor fi necesari neutroni suplimentari pentru a le compensa. Astfel de neutroni pot fi produși într-o varietate de moduri. De exemplu, o parte din tritiu, care este necesar pentru reacția de fuziune, poate fi produsă în miezul unui reactor de fisiune. Potențialul acestei metode de reaprovizionare a neutronilor este foarte mare. În reactoarele cu fisiune termică pentru ciclul combustibilului cu uraniu-233, raportul de reproducere este de aproximativ 0,8, adică pentru un nucleu de uraniu-233 ars, se pot obține 0,8 nuclee de tritiu. Această valoare va acoperi mai mult decât pierderile de neutroni. Este posibil să se reducă conținutul de carbon al păturii unui reactor de fuziune, adică pentru a înveli placarea celulei de combustibil mai subțire, potențialul acestei propuneri este de 0,2-0,3 neutroni suplimentari. O altă modalitate de a permite o mică fisiune de uraniu-233 acumulată în pătură. Potențial rezonabil al acestei opțiuni,ceea ce nu va duce la o creștere semnificativă a produselor de fisiune ale nucleelor grele din pătură este mai mare de 0,5 neutroni.
Concluzie
Importanța multiplicării eficiente a neutronilor în spațiul gol al unui reactor hibrid este cu atât mai importantă, deoarece face posibilă abandonarea reprocesării SNF din reactoarele de fisiune. Vor exista suficienți neutroni în sistem pentru a compensa complet pierderea izotopilor fisili în timpul producției de energie în reactoarele de fisiune prin producerea lor din izotopul de alimentare din pătura unui reactor termonuclear.
Nu contează deloc ce tip de reactoare de fisiune vor fi în sistem, rapide sau termice, mari sau mici.
Extracția nou-produsului uraniu-233 din compoziția combustibilului de pătură va fi însoțită de eliberarea radioactivității cu aproximativ două până la trei ordine de mărime mai puțin, în comparație cu opțiunea în care izotopii fisili vor trebui separați de SNF al reactoarelor de fisiune. Această circumstanță va asigura riscul minim de contaminare radioactivă a mediului.
Pe baza calculelor efectuate, este ușor de estimat proporția reactoarelor termonucleare hibride. Va fi mai puțin de 10% din capacitatea termică a întregului sistem și, în consecință, povara economică a întregului sistem nu va fi mare, chiar dacă reactoarele hibrid de fuziune sunt mai scumpe decât reactoarele de fisiune.
Tehnologiile termonucleare încorporate în sistemul de energie nucleară și dezvoltarea lor viitoare ar trebui considerate ca direcția generală a dezvoltării strategice a industriei nucleare, capabilă să rezolve problemele cheie ale aprovizionării cu energie pentru o lungă perioadă de timp, practic de orice scară, cu un risc minim de impact radioactiv negativ asupra mediului.
