annotatsioon
Viimastes hinnangutes tuumaenergia arendamise strateegilistele väljavaadetele võib märkida soojusenergia suhtes alandava arrogantse suhtumise tendentsi, mis paraku vastab suures osas tegelikule olukorrale. Samal ajal näitab kahe tuumatehnoloogia probleemide ja potentsiaali analüüs, mis põhineb kergete tuumade sulandumise ja raskete tuumade lõhustumisel tekkivatel tuumareaktsioonidel. Kõigi nende valdkondade iseseisev laiaulatuslik areng toob paratamatult kaasa vajaduse ületada seni lahendamata probleemid tehnoloogias, materjaliteaduses, keskkonnaalases ja majanduslikus laadis, mis tõstatab küsimuse nende energiasektorite edasise arengu otstarbekusest. Samal ajal näitavad lõhustumis- ja termotuumasünteesiprotsesside füüsikalised omadused objektiivselt nende ühendamise otstarbekust ühes tuumaenergia süsteemis, mis põhjustab suurt sünergistlikku efekti, mis surub maha nende negatiivsed aspektid, arendades tuumatehnoloogiaid iseseisvalt.
Artiklis esitatakse termotuumaneutronite hübriidtermotuumareaktori tekis paljunemise arvutused, mis kinnitavad integreeritud tuumaenergia süsteemi kujul strateegilise arengusuuna valiku füüsilist kehtivust ja usaldusväärsust.
Sissejuhatus
Nüüd tuumaenergia strateegilise arengutee hindamisel toimuvad näiliselt väljakujunenud sätete tõsised ümberhindamised. Tuumaenergia arendamise kahekomponendiline kontseptsioon, milles kiir- ja termilõhustumisreaktorid töötavad koos, on hiljuti tõsiselt läbi vaadatud. Varem eeldati, et tuumaenergia struktuuriline areng põhineb algstaadiumis võimsuse suurendamisel termoreaktorite arvelt. Tulevikus on kiireid reaktoreid, mille paljunemissuhe on suurusjärgus 1,5 ja suurem. See võimaldab järjest suureneva loodusliku uraani puuduse korral korraldada suletud kütusetsükli koos kiiritatud kasutatud tuumkütuse tõhusa ümbertöötlemisega ning rahuldada lõhustuvate isotoopide vajadust, tootes neid kiiretes reaktorites. Oletatiet tuumaenergia süsteemis on termoreaktorite osakaal umbes 60% ja kiirete reaktorite osakaal umbes 40%. Termoreaktorid võtavad vastu elektrisüsteemis töötamisel tekkivad ebamugavused (tarbija vajadustele kohandatud võimsusvahemik, muutuva koormuskõveraga töötamine, süsteemi mitteelektriliste vajaduste rahuldamine jne). Kiirreaktorid töötavad peamiselt baasjoonel ja toodavad toorestest isotoopidest kütust enda ja termoreaktorite jaoks.toota isotoopidest kütust enda ja termoreaktorite jaoks.toota isotoopidest kütust enda ja termoreaktorite jaoks.
Kaasaegsed tendentsid
Reklaamvideo:
Tuumaelektrijaamades aset leidnud rasked õnnetused tõid aga vajaduse tuumajaamade ohutusnõudeid oluliselt karmistada. Sel põhjusel tehti kiirreaktorite konstruktsioonides, mis olid suunatud intensiivsele kütuse tootmisele, olulisi muudatusi ning juba kaalutakse kiirete reaktorite uute kontseptuaalsete kavandite loomist, mille pesitsussuhe on ühtsuse lähedal ja südamiku madal energiaintensiivsus. Selles olukorras on kiirete reaktorite uute projektide pooldajad leidnud teise võimaluse nende olulisuse säilitamiseks. Nad hakkasid levitama stsenaariumi, mis eeldab, et pikas perspektiivis on termoreaktorite hülgamine vältimatu, et mis tahes sündmuste arengus asendavad kiirreaktorid termilised.
Inimestel on tuleviku kohta erinev hinnang ja paljud usuvad, et tuumaenergia väljapakutud suund ei pruugi realiseeruda ning uus kontseptsioon kiirete reaktorite domineerimisest osutub valeks. Ja see seisukoht on suuresti õigustatud. Olemasolevad alternatiivid võimaldavad meil rääkida tuumaenergia süsteemi arendamise võimalustest palju atraktiivsemas konfiguratsioonis.
Kõige märgatavamad süsteemsed puudused tuumaenergia ehitamisel, mis põhineb peamiselt kiiretel reaktoritel, on ilmsed. Isegi kui eeldame, et kiire reaktor on ise valmistatud ideaalselt ja sellel pole vigu, mis tekitaksid kahtlusi selle absoluutses paremuses teiste projektide ees, on vältimatuid süsteemseid raskusi.
Esiteks. Kiirreaktorites äsja toodetud lõhustuva isotoobi (plutooniumi) põhiosa toodetakse südamikus, kus toodetakse energiat ja moodustub suurem osa radioaktiivsetest lõhustumistoodetest. See üliaktiivne kütus tuleb kiiresti keemiliselt töödelda. Ümbertöötlemisel eralduvad kiiritatud kütusest kõik radioaktiivsed isotoopid. Suur hulk radioaktiivsust väljub suletud kütuseelemendist ja levib kogu tööruumis. Hoolimata asjaolust, et nad üritavad kogu seda radioaktiivsust kontrolli all hoida, määrab see võimalike radioaktiivsete intsidentide peamise riski erinevatel põhjustel, alates kurikuulsast inimfaktorist kuni kavandatud sabotaažini.
Teiseks. Kiirreaktorid peavad peaaegu täielikult asendama termilised reaktorid. Arvestades, et vajalik reaktorite prototüüp pole veel saadaval, et selline asendamine toimub järk-järgult, et see algab mitte varem kui sajandi keskel ja isegi kui kõik inimesed maailmas nõustuvad seda toetama, kestab protseduur vähemalt kaks sajandit. Selle aja jooksul on pärast meid elavate inimeste seas tõenäoliselt inimesi, kes suudavad välja mõelda ja rakendada tuumatööstuse atraktiivsemat profiili. Ja pingutused ideaalse kiire reaktori loomiseks on asjata.
Kolmandaks. Plutooniumi mitmekordne ringlussevõtt toob kaasa märkimisväärse koguse väiksemate aktiniidide, looduses puuduvate isotoopide moodustumise, mida inimkond erinevatel põhjustel ei kavatse taluda ja nõuab nende hävitamist. Samuti on vaja korraldada nende isotoopide transmutatsioon, suure õnnetusohuga protsess, mis võib põhjustada ka keskkonna olulist radioaktiivset saastumist.
Neid puudusi võiks aktsepteerida paratamatu kurjusena, kuid sellist seisukohta saab õigustada ainult alternatiivi puudumisel, kuid see on siiski olemas.
Termotuumasünteesi energia
Kiirreaktorite domineerimise alternatiiviks võib olla termotuumasünteesi- ja lõhustumisreaktoritel põhineva tuumaenergia süsteemi väljatöötamine. Ettepanekud termotuumareaktorite kasutamiseks tuumaenergia struktuuris, pakkudes süsteemi neutronipotentsiaali olulist suurenemist, tegi I. V. Kuchatov Hiljem ilmus hübriidse termotuumareaktori kontseptsioon, mille toorikus toodeti uus lõhustuv isotoop ja toodeti energiat. Viimastel aastatel on selle kontseptsiooni väljatöötamine jätkunud. Tuumasüsteemi uus versioon eeldab, et termotuumareaktorid (termotuumareaktorid) töötavad tuumakütuse tootmiseks lõhustumisreaktorite toorisotoopidest ja lõhustumisreaktorid, nagu praegu, toodavad energiat.
Hiljuti avaldatud artiklis "Tuumasünteesienergeetika tuumaprobleemid" jõudsid autorid järeldusele, et termotuumasünteesi ei tohiks mitmel põhjusel pidada suuremahuliseks energiatehnoloogiaks. Kuid selline järeldus on täiesti ebaõiglane, kui kaaluda integreeritud süsteemi, milles tuumaenergeetika tehnoloogiad (termotuumasüntees ja lõhustumine) täiendavad teineteist ja võimaldavad tõhusamalt täita teisele raskusi.
Tooriumi kütusetsükli raames on eelistatavam luua usaldusväärne tuumaelektrijaam tuumasünteesi- ja termotuumasünteesireaktoritega. Sellisel juhul on termotuumareaktorite osakaal süsteemis minimaalne (alla 10%), söödaisotoopist torium-232 saadud kunstlik lõhustuv isotoop uraan-233 on parim võimalus termiliste neutronreaktorite jaoks, ühendatud tuumasüsteemis väikeste transuraanide probleemi lihtsalt ei eksisteeri. Süsteemis toodetud Am, Cm jne kogus. on tühine. Sellisel süsteemil on kütusetsükkel, kus keskkonna radioaktiivse saastumise oht on kõige väiksem.
Selle kontseptsiooni rakendamise loomulikuks kriteeriumiks on neutronite tasakaal. Tuumareaktsioon, millel põhineb neutronite produktsioon termotuumasünteesireaktoris, on triitiumi ja deuteeriumi liitmise reaktsioon
D + T = Ta + n + 17,6 MeV
Reaktsiooni tulemusena saadakse neutron energiaga 14,1 MeV ja alfaosake energiaga 3,5 MeV, mis jääb plasma kuumutamiseks. Läbi vaakumkambri seina lendav suure energiaga neutron siseneb termotuumareaktori tekki, milles see paljuneb, toore isotoobi püüdmisel saadakse uus lõhustuv isotoop. Termotuumaneutroni korrutamine toimub reaktsioonide (n, 2n), (n, 3n) ja (n, lõhustumine) tagajärjel - raskete tuumade, antud juhul toore isotoobi, lõhustumisreaktsioon. Kõik need reaktsioonid on künnise iseloomuga. Joonisel 1 on näidatud näidatud ristlõike graafikud. Maksimaalse neutronite paljunemise tagamiseks on oluline, et tekkekütuse koostis sisaldaks minimaalses koguses kergeid tuumasid ja loomulikult neutronide neelajaid.
Joonis 1 Neutronite korrutamise mikrosektsioonid Th-232-s.
Uute lõhustuvate isotoopide tootmise potentsiaali hindamiseks termotuumareaktoris viidi läbi rida arvutusi tooriumi isotoobina tooriumi sisaldavate tekikütuse koostiste erinevate variantide jaoks. Arvutused tehti erinevate programmide ja tuumaandmeteekide abil. Kasutatavad programmid olid MCU raamatukogu ENDF / B-6, MCNP, raamatukogu ENDF / B-6, LUKY rühmateek. Tabelis on toodud tooriumi-232 neutronipüüdmise arvutused ühe fusioonneutroni allika kohta tuuma isotoopide kontsentratsioonide kindlaksmääratud suhtega kütuse koostise kohta. Mõnes teostuses eeldati, et näidatud isotoopide suhe saadi mitte keemilise ühendina, vaid konstruktiivselt, kui teatud kogus tooriumi segati sobiva koguse soovitud isotoopiga.
Tabel 1 Termotuuma neutronite (E = 14,1 MeV) korrutamine tooriumkütuse koostisega hübriidreaktori tekis.
Viimases veerus on toodud toorisotoobi lõhustumisreaktsioonist tingitud neutronite paljunemist iseloomustavad väärtused. Esitatakse lõhustumisest tingitud neutronitootmise väärtused, s.t. ν∑f. LUKY grupi programmis on reaktsiooni ristlõike maatriksid (n, 2n) ja (n, 3n) integreeritud ristlõigetega elastseks hajutamiseks. See ei võimalda nende reaktsioonide kiiruse väärtusi eraldi saada.
Üldiselt on esitatud arvutatud andmed omavahel hästi kooskõlas, mis annab põhjust arvestada termotuuma neutronite efektiivse korrutamisega hübriidreaktori tekis. Tabelis esitatud arvutustulemused näitavad termotuumaneutronite (14,1 MeV) teoreetilist korrutamispotentsiaali. Lõputus tooriumi keskkonnas on see ligikaudu 2,6, st. üks neutron korrutatakse reaktsioonide (n, 2n) ja reaktsioonide (n, 3n) tõttu umbes 2 korda ja tooriumi-232 lõhustumise tõttu 1,5 korda. Erinevate programmide ja erinevate raamatukogude arvutused erinevad umbes 10%. Need erinevused tulenevad mitme tuumaandmekogu kasutamisest. Võttes arvesse näidatud viga, võivad esitatud tulemused olla konservatiivsed suunised termotuumareaktori tekis lõhustuvate isotoopide paljunemise parameetrite hindamiseks. Need näitavad, et määrav tegur, mis viib teki paljunemisvõime vähenemiseni, on selles valgust hajutavate isotoopide, sealhulgas O-16, F-19 olemasolu, millel on ka kõrge energiaga elastsete neutronite hajumine. Arvutused näitavad, et C-12 kasutamine tekki täitvate kütuseelementide kattekihtide valmistamiseks on üsna paljutõotav. Grafiidi kasutamist võib pidada üheks kujundusvõimaluseks. Isegi juhul, kui süsiniktuuma on tooriumist kaks ja pool korda rohkem, on termotuumaneutronite korrutustegur lähedane väärtusele 2. See tähendab, et neutronitasakaalu korrektse korralduse korral saab tekis ühe uue lõhustuva isotoopi uraan-233 tuuma ja ühe tuuma triitium.mis viib teki korrutamisvõime vähenemiseni, on selles valgust hajutavate isotoopide olemasolu, sealhulgas O-16, F-19, millel on ka neutronite elastse hajumise reaktsioon suurtel energiatel. Arvutused näitavad, et C-12 kasutamine tekki täitvate kütuseelementide kattekihtide valmistamiseks on üsna paljutõotav. Grafiidi kasutamist võib pidada üheks kujundusvõimaluseks. Isegi juhul, kui süsiniktuumaid on tooriumist kaks ja pool korda rohkem, on termotuumaneutronite korrutustegur lähedane väärtusele 2. See tähendab, et neutronitasakaalu õige korralduse korral saab tekis saada uue lõhustuva isotoopi uraan-233 ühe tuuma ja ühe tuuma triitiumi.mis viib teki korrutamisvõime vähenemiseni, on selles valgust hajutavate isotoopide olemasolu, sealhulgas O-16, F-19, millel on ka neutronite elastse hajumise reaktsioon suurtel energiatel. Arvutused näitavad, et C-12 kasutamine tekki täitvate kütuseelementide kattekihtide valmistamiseks on üsna paljutõotav. Grafiidi kasutamist võib pidada üheks kujundusvõimaluseks. Isegi juhul, kui süsiniktuuma on tooriumist kaks ja pool korda rohkem, on termotuumaneutronite korrutustegur lähedane väärtusele 2. See tähendab, et neutronitasakaalu korrektse korralduse korral saab tekis ühe uue lõhustuva isotoopi uraan-233 tuuma ja ühe tuuma triitiumi. F-19, millel on ka neutronite elastse hajumise reaktsioon suurtel energiatel. Arvutused näitavad, et C-12 kasutamine teki täitmiseks mõeldud kütuseelementide kattekihtide valmistamiseks on üsna paljutõotav. Grafiidi kasutamist võib pidada üheks kujundusvõimaluseks. Isegi juhul, kui süsiniktuumaid on tooriumist kaks ja pool korda rohkem, on termotuumaneutronite korrutustegur lähedane väärtusele 2. See tähendab, et neutronitasakaalu korrektse korralduse korral saab tekis ühe uue lõhustuva isotoopi uraan-233 tuuma ja ühe tuuma triitium. F-19-l on ka neutronite elastse hajumise reaktsioon suurtel energiatel. Arvutused näitavad, et S-12 kasutamine tekki täitvate kütuseelementide kattekihtide valmistamiseks on üsna paljutõotav. Grafiidi kasutamist võib pidada üheks kujundusvõimaluseks. Isegi juhul, kui süsiniktuumaid on tooriumist kaks ja pool korda rohkem, on termotuumaneutronite korrutustegur lähedane väärtusele 2. See tähendab, et neutronitasakaalu korrektse korralduse korral saab tekis ühe uue lõhustuva isotoopi uraan-233 tuuma ja ühe tuuma triitiumi. Grafiidi kasutamist võib pidada üheks kujundusvõimaluseks. Isegi juhul, kui süsiniktuumaid on tooriumist kaks ja pool korda rohkem, on termotuumaneutronite korrutustegur lähedane väärtusele 2. See tähendab, et neutronitasakaalu korrektse korralduse korral saab tekis ühe uue lõhustuva isotoopi uraan-233 tuuma ja ühe tuuma triitiumi. Grafiidi kasutamist võib pidada üheks kujundusvõimaluseks. Isegi juhul, kui süsiniktuuma on tooriumist kaks ja pool korda rohkem, on termotuumaneutronite korrutustegur lähedane väärtusele 2. See tähendab, et neutronitasakaalu korrektse korralduse korral saab tekis ühe uue lõhustuva isotoopi uraan-233 tuuma ja ühe tuuma triitiumi.
Muidugi, praktikas esineb neutronite kadusid ja nende kompenseerimiseks on vaja täiendavaid neutroneid. Selliseid neutroneid saab toota mitmel viisil. Näiteks võib osa triitiumist, mis on vajalik liitumisreaktsiooniks, toota lõhustumisreaktori südamikus. Selle neutronite täiendamise meetodi potentsiaal on väga suur. Uraan-233 kütusetsükli termolõhustumisreaktorites on pesitsussuhe umbes 0,8, s.t. ühe põlenud uraan-233 tuuma eest saate 0,8 triitiumi tuuma. See väärtus katab enam kui kõik neutronikaod. Sulandureaktori teki süsinikusisaldust on võimalik vähendada, s.t. kütuseelemendi katte õhemaks muutmiseks on selle ettepaneku potentsiaal 0,2–0,3 täiendavat neutronit. Teine võimalus lubada tekki kogunenud uraani-233 väikest lõhustumist. Selle võimaluse mõistlik potentsiaal,mis ei too kaasa raskete tuumade lõhustumisproduktide olulist suurenemist tekis on üle 0,5 neutroni.
Järeldus
Hübriidreaktori toorikus on tõhusa neutronite paljundamise tähtsus veelgi olulisem, kuna see võimaldab loobuda lõhustuvate reaktorite SNF-i ümbertöötlemisest. Süsteemis on piisavalt neutroneid, et lõhustuvate isotoopide kadu täielikult kompenseerida lõhustumisreaktorites energia tootmisel nende tootmisega termotuumareaktori tekis olevast isotoopist.
Pole vahet, millist tüüpi lõhustumisreaktorid süsteemis on, kas kiired või termilised, suured või väikesed.
Äsja toodetud uraani-233 ekstraheerimisega üldkütuse koostisest kaasneb radioaktiivsuse eraldumine umbes kaks kuni kolm suurusjärku vähem, võrreldes võimalusega, kui lõhustuvad isotoopid tuleb eraldada lõhustumisreaktorite SNF-st. See asjaolu tagab keskkonna radioaktiivse saastumise minimaalse riski.
Tehtud arvutuste põhjal on lihtne hinnata hübriidsete termotuumareaktorite osakaalu. See moodustab vähem kui 10% kogu süsteemi soojuslikust võimsusest ja sellest tulenevalt ei ole kogu süsteemi majanduslik koormus suur, isegi kui hübriidsed termotuumareaktorid on lõhustumisreaktoritest kallimad.
Tuumaelektrijaamas sisalduvaid termotuumatehnoloogiaid ja nende edasist arengut tuleks pidada tuumatööstuse strateegilise arengu üldiseks suunaks, mis on võimeline lahendama energiavarustuse põhiprobleeme pikka aega, praktiliselt igas mastaabis, minimaalse radioaktiivse keskkonnamõju riskiga.
