annotatie
In de laatste evaluaties van de strategische vooruitzichten voor de ontwikkeling van kernenergie kan men de tendens opmerken van een neerbuigende arrogante houding ten opzichte van thermonucleaire energie, die helaas grotendeels overeenkomt met de werkelijke stand van zaken. Tegelijkertijd laat een analyse van de problemen en het potentieel van twee nucleaire technologieën op basis van kernreacties van fusie van lichte kernen en splijting van zware kernen het volgende zien. Onafhankelijke grootschalige ontwikkeling van elk van deze gebieden zal onvermijdelijk leiden tot de noodzaak om de nog onopgeloste problemen van technologische, materiaalkunde, ecologische en economische aard te overwinnen, wat de vraag zal doen rijzen of de verdere ontwikkeling van deze energiesectoren opportuun is. Tegelijkertijd geven de fysieke kenmerken van de splijtings- en fusieprocessen objectief de wenselijkheid aan om ze te combineren binnen een enkel kernenergiesysteem, wat een groot synergetisch effect veroorzaakt dat hun negatieve aspecten onderdrukt en nucleaire technologieën onafhankelijk ontwikkelt.
Het artikel presenteert de berekeningen van de vermenigvuldiging van thermonucleaire neutronen in de deken van een hybride thermonucleaire reactor, die de fysieke validiteit en betrouwbaarheid van de keuze van de strategische ontwikkelingsrichting in de vorm van een geïntegreerd kernenergiesysteem bevestigen.
Invoering
Nu, bij de beoordeling van het strategische ontwikkelingspad van kernenergie, vinden serieuze herbeoordelingen plaats van de schijnbaar vastgestelde voorzieningen. Het tweecomponentenconcept voor de ontwikkeling van kernenergie, waarin snelle en thermische splijtingsreactoren samenwerken, heeft onlangs een grondige herziening ondergaan. Eerder werd aangenomen dat de structurele ontwikkeling van kernenergie in de beginfase gebaseerd zou zijn op capaciteitsopbouw ten koste van thermische reactoren. Vervolgens verschijnen er snelle reactoren met een hoge kweekverhouding van 1,5 en hoger. Dit zal het mogelijk maken om bij een toenemend tekort aan natuurlijk uranium een gesloten splijtstofcyclus te organiseren met een efficiënte opwerking van bestraalde bestraalde splijtstof en om aan de behoefte aan splijtbare isotopen te voldoen door ze in snelle reactoren te produceren. Er werd aangenomendat in het kernenergiesysteem het aandeel thermische reactoren ongeveer 60% zal zijn en het aandeel snelle reactoren ongeveer 40%. Thermische reactoren zullen de ongemakken van het werken in het elektriciteitssysteem op zich nemen (vermogensbereik aangepast aan de eisen van de consument, werking in een variabele belastingscurve, voorzien in niet-elektrische behoeften van het systeem, enz.). Snelle reactoren zullen voornamelijk op basislijn werken en brandstof produceren uit ruwe isotopen voor zichzelf en voor thermische reactoren.en om brandstof te produceren uit ruwe isotopen voor zichzelf en voor thermische reactoren.en om brandstof te produceren uit ruwe isotopen voor zichzelf en voor thermische reactoren.
Moderne tendensen
Promotie video:
Door de ernstige ongevallen die zich bij kerncentrales hebben voorgedaan, moesten de veiligheidseisen voor kerncentrales echter aanzienlijk worden aangescherpt. Om deze reden werden belangrijke aanpassingen gemaakt aan snelle reactorontwerpen gericht op intensieve brandstofproductie, en worden nieuwe conceptuele ontwerpen van snelle reactoren al overwogen met een kweekverhouding dicht bij de eenheid, met een lage energie-intensiteit van de kern. In deze situatie hebben aanhangers van nieuwe projecten van snelle reactoren een andere manier gevonden om hun betekenis te behouden. Ze begonnen een scenario te verspreiden dat ervan uitgaat dat op lange termijn het verlaten van thermische reactoren onvermijdelijk is, dat bij elke ontwikkeling van gebeurtenissen snelle reactoren thermische reactoren zullen vervangen.
Mensen hebben verschillende inschattingen over de toekomst en velen geloven dat de voorgestelde richting voor de ontwikkeling van kernenergie misschien niet wordt gerealiseerd, en dat het nieuwe concept van de dominantie van snelle reactoren verkeerd zal blijken te zijn. En deze positie is grotendeels gerechtvaardigd. De beschikbare alternatieven stellen ons in staat om te spreken over de opties voor de ontwikkeling van het kernenergie systeem in een veel aantrekkelijkere configuratie.
De meest opvallende systemische tekortkomingen bij de bouw van kernenergie, voornamelijk gebaseerd op snelle reactoren, zijn duidelijk. Zelfs als we aannemen dat de snelle reactor zelf perfect is gemaakt en geen gebreken vertoont die twijfel doen rijzen over zijn absolute superioriteit ten opzichte van andere projecten, zijn er onvermijdelijke systemische problemen.
Eerste. Het grootste deel van de nieuw geproduceerde splijtbare isotoop (plutonium) in snelle reactoren wordt geproduceerd in de kern, waar de energie wordt geproduceerd en het grootste deel van de radioactieve splijtingsproducten wordt gevormd. Deze zeer actieve brandstof moet snel chemisch worden verwerkt. Bij opwerking komen alle radioactieve isotopen uit de bestraalde brandstof vrij. Een grote hoeveelheid radioactiviteit verlaat het afgesloten splijtstofelement en wordt verspreid over de werkruimte. Ondanks het feit dat ze zullen proberen al deze radioactiviteit onder controle te houden, zal het om verschillende redenen het belangrijkste risico van mogelijke radioactieve incidenten bepalen, van de beruchte menselijke factor tot geplande sabotage.
Tweede. Snelle reactoren zullen thermische moeten vervangen, bijna volledig. Aangezien het vereiste prototype van snelle reactoren nog niet beschikbaar is, dat een dergelijke vervanging geleidelijk zal plaatsvinden, dat het niet eerder dan het midden van de eeuw zal beginnen, en zelfs als iedereen in de wereld ermee instemt het te ondersteunen, zal de procedure minstens twee eeuwen duren. Gedurende deze tijd zullen er onder degenen die na ons leven waarschijnlijk mensen zijn die een aantrekkelijker profiel van de nucleaire industrie kunnen bedenken en implementeren. En pogingen om de ideale snelle reactor te creëren zullen tevergeefs zijn.
Derde. Meervoudig recyclen van plutonium zal leiden tot de vorming van een aanzienlijke hoeveelheid van minder belangrijke actiniden, isotopen die in de natuur afwezig zijn, waarmee de mensheid om verschillende redenen niet van plan is te leven en deze moet worden vernietigd. Het zal ook nodig zijn om de transmutatie van deze isotopen te organiseren, een proces met een hoog risico op een ongeval dat ook kan leiden tot aanzienlijke radioactieve besmetting van het milieu.
Men zou deze tekortkomingen als een onvermijdelijk kwaad kunnen aanvaarden, maar zo'n standpunt kan alleen worden gerechtvaardigd als er geen alternatief is, maar het bestaat wel.
Fusie-energie
Een alternatief voor de dominantie van snelle reactoren kan de ontwikkeling zijn van een kerncentralesysteem op basis van fusie- en splijtingsreactoren. Voorstellen voor het gebruik van thermonucleaire reactoren in de structuur van kernenergie, die een aanzienlijke toename van het neutronenpotentieel van het systeem opleveren, werden gedaan door I. V. Kuchatov Later verscheen het concept van een hybride thermonucleaire reactor, in de blanco waarvan een nieuwe splijtbare isotoop werd geproduceerd en energie werd geproduceerd. De afgelopen jaren is de ontwikkeling van dit concept voortgezet. De nieuwe versie van het nucleaire systeem gaat ervan uit dat fusiereactoren (thermonucleaire reactoren) werken om nucleaire brandstof te produceren uit ruwe isotopen voor splijtingsreactoren, en splijtingsreactoren produceren, zoals nu, energie.
In een recent gepubliceerd artikel "Nucleaire problemen van fusie-energie" concludeerden de auteurs dat fusie om een aantal redenen niet als een grootschalige energietechnologie moet worden beschouwd. Maar deze conclusie is volkomen oneerlijk als we kijken naar een verenigd systeem waarin kernenergie-technologieën (fusie en splijting) elkaar aanvullen en zorgen voor een efficiëntere uitvoering van functies die voor de ander moeilijk zijn.
Het creëren van een betrouwbaar kernenergie systeem met splijtings- en fusiereactoren heeft de meeste voorkeur in het kader van de thorium splijtstofcyclus. In dit geval zal het aandeel van thermonucleaire reactoren in het systeem minimaal zijn (minder dan 10%), de kunstmatige splijtbare isotoop uranium-233, verkregen uit de voedingsisotoop thorium-232, is de beste optie voor thermische neutronenreactoren, in het verenigde nucleaire systeem zal het probleem van kleine transuranen eenvoudigweg niet bestaan. De hoeveelheid Am, Cm, etc. geproduceerd in het systeem. zal te verwaarlozen zijn. Zo'n systeem zal een splijtstofcyclus hebben waarin het risico op radioactieve besmetting van de omgeving het laagst is.
Het natuurlijke criterium voor de implementatie van dit concept is de neutronenbalans. De kernreactie waarop de productie van neutronen in een fusiereactor gebaseerd zal zijn, is de reactie van fusie van tritium en deuterium
D + T = Hij + n +17,6 MeV
Als resultaat van de reactie wordt een neutron met een energie van 14,1 MeV en een alfadeeltje met een energie van 3,5 MeV verkregen, dat overblijft om het plasma te verwarmen. Een hoogenergetische neutron die door de wand van de vacuümkamer vliegt, komt de deken van een thermonucleaire reactor binnen, waarin het zich vermenigvuldigt; wanneer het wordt opgevangen door een onbewerkte isotoop, wordt een nieuwe splijtbare isotoop verkregen. De vermenigvuldiging van een thermonucleair neutron vindt plaats als gevolg van de reacties (n, 2n), (n, 3n) en (n, splijting) - de splijtingsreactie van zware kernen, in dit geval een ruwe isotoop. Al deze reacties hebben een drempelwaarde. Figuur 1 toont de grafieken van de aangegeven doorsneden. Om de maximale neutronenvermenigvuldiging te garanderen, is het belangrijk dat de algemene brandstofsamenstelling een minimaal aantal lichtkernen bevat en natuurlijk neutronenabsorbeerders.
Fig. 1 Microsecties van neutronenvermenigvuldiging in Th-232.
Om het potentieel voor de productie van nieuwe splijtbare isotopen in een thermonucleaire reactor te beoordelen, werd een reeks berekeningen uitgevoerd voor verschillende varianten van algemene brandstofsamenstellingen met thorium als een voedingsisotoop. Er werden berekeningen uitgevoerd met behulp van verschillende programma's en nucleaire gegevensbibliotheken. De gebruikte programma's waren MCU-bibliotheek ENDF / B-6, MCNP, bibliotheek ENDF / B-6, LUKY-groepsbibliotheek. De tabel toont de resultaten van berekeningen van neutronenvangst op thorium-232 per één fusie-neutronenbron voor een brandstofsamenstelling met de gespecificeerde verhouding van nucleaire isotopenconcentraties. In sommige uitvoeringsvormen werd aangenomen dat de aangegeven verhouding van isotopen niet als een chemische verbinding werd verkregen, maar constructief, wanneer een bepaalde hoeveelheid thorium werd geroerd met de juiste hoeveelheid van de gewenste isotoop.
Tabel 1 Vermenigvuldiging van thermonucleaire neutronen (E = 14,1 MeV) in de deken van een hybride reactor met een thoriumbrandstofsamenstelling.
De laatste kolom bevat de waarden die de vermenigvuldiging van neutronen kenmerken als gevolg van de splijtingsreactie van de ruwe isotoop. De waarden van neutronenproductie als gevolg van splijting worden gegeven, d.w.z. ν∑f. In het LUKY-groepsprogramma zijn de doorsnedematrices voor de reactie (n, 2n) en (n, 3n) geïntegreerd met de doorsneden voor inelastische verstrooiing. Dit maakt het niet mogelijk om de waarden van de snelheden van deze reacties afzonderlijk te verkrijgen.
Over het algemeen komen de gepresenteerde berekende data goed met elkaar overeen, wat reden geeft om te rekenen op een effectieve vermenigvuldiging van thermonucleaire neutronen in de deken van een hybride reactor. De berekeningsresultaten in de tabel tonen het theoretische vermenigvuldigingspotentieel van thermonucleaire neutronen (14,1 MeV). In een oneindig medium van thorium is het ongeveer 2,6, d.w.z. één neutron vermenigvuldigt zich als gevolg van reacties (n, 2n) en reacties (n, 3n) ongeveer 2 keer, en als gevolg van de splitsing van thorium-232 in 1,5 keer. Berekeningen voor verschillende programma's en verschillende bibliotheken verschillen ongeveer 10%. Deze verschillen zijn te wijten aan het gebruik van verschillende nucleaire databibliotheken. Rekening houdend met de aangegeven fout, kunnen de gepresenteerde resultaten dienen als een conservatieve richtlijn voor het evalueren van de parameters van het kweken van splijtbare isotopen in de deken van een thermonucleaire reactor. Ze laten zien dat de bepalende factor die leidt tot een afname van het vermenigvuldigingsvermogen van de deken de aanwezigheid is van lichtverstrooiingsisotopen erin, waaronder O-16, F-19, die ook een reactie hebben van inelastische verstrooiing van neutronen bij hoge energieën. Uit berekeningen blijkt dat het gebruik van S-12 voor de vervaardiging van bekledingen voor brandstofcellen die de deken vullen veelbelovend is. Het gebruik van grafiet kan worden beschouwd als een van de ontwerpopties. Zelfs in het geval dat er twee en een half keer meer koolstofkernen zijn dan thorium, ligt de vermenigvuldigingsfactor van thermonucleaire neutronen dicht bij 2. Dit betekent dat met de juiste organisatie van de neutronenbalans één kern van een nieuwe splijtbare isotoop uranium-233 kan worden verkregen in een deken, en één kern tritium.wat leidt tot een afname van het vermenigvuldigingsvermogen van de deken is de aanwezigheid van lichtverstrooiingsisotopen erin, waaronder O-16, F-19, die ook een reactie hebben van inelastische verstrooiing van neutronen bij hoge energieën. Uit berekeningen blijkt dat het gebruik van S-12 voor de vervaardiging van bekledingen voor brandstofcellen die de deken vullen veelbelovend is. Het gebruik van grafiet kan worden beschouwd als een van de ontwerpopties. Zelfs in het geval dat er twee en een half keer meer koolstofkernen zijn dan thorium, ligt de vermenigvuldigingsfactor van thermonucleaire neutronen dicht bij 2. Dit betekent dat met de juiste organisatie van de neutronenbalans één kern van een nieuwe splijtbare isotoop uranium-233 kan worden verkregen in een deken, en één kern tritium.wat leidt tot een afname van het vermenigvuldigingsvermogen van de deken is de aanwezigheid van lichtverstrooiingsisotopen daarin, waaronder O-16, F-19, die ook een reactie hebben van inelastische verstrooiing van neutronen bij hoge energieën. Uit berekeningen blijkt dat het gebruik van S-12 voor de fabricage van bekledingen voor brandstofcellen die de deken vullen veelbelovend is. Het gebruik van grafiet kan worden beschouwd als een van de ontwerpopties. Zelfs in het geval dat er twee en een half keer meer koolstofkernen zijn dan thorium, ligt de vermenigvuldigingsfactor van thermonucleaire neutronen dicht bij 2. Dit betekent dat met de juiste organisatie van de neutronenbalans één kern van een nieuwe splijtbare isotoop uranium-233 kan worden verkregen in een deken, en één kern tritium. F-19 hebben ook een reactie van inelastische verstrooiing van neutronen bij hoge energieën. Uit berekeningen blijkt dat het gebruik van C-12 voor de vervaardiging van bekledingen voor brandstofcellen die de deken vullen veelbelovend is. Het gebruik van grafiet kan worden beschouwd als een van de ontwerpopties. Zelfs in het geval dat er twee en een half keer meer koolstofkernen zijn dan thorium, ligt de vermenigvuldigingsfactor van thermonucleaire neutronen dicht bij 2. Dit betekent dat met de juiste organisatie van de neutronenbalans één kern van een nieuwe splijtbare isotoop uranium-233 kan worden verkregen in een deken, en één kern tritium. F-19 hebben ook een reactie van inelastische neutronenverstrooiing bij hoge energieën. Uit berekeningen blijkt dat het gebruik van S-12 voor de vervaardiging van bekledingen voor brandstofcellen die de deken vullen veelbelovend is. Het gebruik van grafiet kan worden beschouwd als een van de ontwerpopties. Zelfs in het geval dat er twee en een half keer meer koolstofkernen zijn dan thorium, ligt de vermenigvuldigingsfactor van thermonucleaire neutronen dicht bij 2. Dit betekent dat met de juiste organisatie van de neutronenbalans één kern van een nieuwe splijtbare isotoop uranium-233 kan worden verkregen in een deken, en één kern tritium. Het gebruik van grafiet kan worden beschouwd als een van de ontwerpopties. Zelfs in het geval dat er tweeënhalf keer meer koolstofkernen zijn dan thorium, ligt de vermenigvuldigingsfactor van thermonucleaire neutronen dicht bij 2. Dit betekent dat met de juiste organisatie van de neutronenbalans één kern van een nieuwe splijtbare isotoop uranium-233 kan worden verkregen in een deken, en één kern tritium. Het gebruik van grafiet kan worden beschouwd als een van de ontwerpopties. Zelfs in het geval dat er twee en een half keer meer koolstofkernen zijn dan thorium, ligt de vermenigvuldigingsfactor van thermonucleaire neutronen dicht bij 2. Dit betekent dat met de juiste organisatie van de neutronenbalans één kern van een nieuwe splijtbare isotoop uranium-233 kan worden verkregen in een deken, en één kern tritium.
In de praktijk zullen er natuurlijk verliezen aan neutronen zijn en zullen extra neutronen nodig zijn om deze te compenseren. Dergelijke neutronen kunnen op verschillende manieren worden geproduceerd. Zo kan een deel van het tritium, dat nodig is voor de fusiereactie, worden geproduceerd in de kern van een splijtingsreactor. Het potentieel van deze neutronenaanvullingsmethode is erg hoog. In thermische splijtingsreactoren voor de uranium-233-splijtstofcyclus is de kweekverhouding ongeveer 0,8, d.w.z. voor één verbrande uranium-233-kern kunnen 0,8 tritiumkernen worden verkregen. Deze waarde dekt meer dan alle neutronenverliezen. Het is mogelijk om het koolstofgehalte van de deken van een fusiereactor te verminderen, d.w.z. om de bekleding van de brandstofcel dunner te maken, is het potentieel van dit voorstel 0,2.-0,3 extra neutronen. Een andere manier om een kleine splijting van uranium-233 in de deken mogelijk te maken. Redelijk potentieel van deze optie,wat niet zal leiden tot een significante toename van de splijtingsproducten van zware kernen in de deken is meer dan 0,5 neutronen.
Gevolgtrekking
Het belang van efficiënte neutronenvermenigvuldiging in de blanco van een hybride reactor is des te belangrijker omdat het het mogelijk maakt om de opwerking van SNF uit splijtingsreactoren achterwege te laten. Er zullen voldoende neutronen in het systeem aanwezig zijn om het verlies van splijtbare isotopen tijdens de productie van energie in splijtingsreactoren volledig te compenseren door hun productie uit de voedingsisotoop in de deken van een thermonucleaire reactor.
Het maakt helemaal niet uit wat voor soort splijtingsreactoren er in het systeem komen, snel of thermisch, groot of klein.
De extractie van het nieuw geproduceerde uranium-233 uit de algemene splijtstofsamenstelling zal gepaard gaan met het vrijkomen van radioactiviteit met ongeveer twee tot drie ordes van grootte minder, in vergelijking met de optie wanneer de splijtbare isotopen moeten worden gescheiden van de SNF van splijtingsreactoren. Deze omstandigheid zorgt voor een minimaal risico op radioactieve besmetting van het milieu.
Op basis van de uitgevoerde berekeningen is het eenvoudig om het aandeel hybride thermonucleaire reactoren in te schatten. Het zal minder zijn dan 10% van de thermische capaciteit van het hele systeem, en bijgevolg zal de economische last van het hele systeem niet groot zijn, zelfs als hybride fusiereactoren duurder zijn dan splijtingsreactoren.
Thermonucleaire technologieën die zijn ingebed in het kernenergiesysteem en hun toekomstige ontwikkeling moeten worden beschouwd als de algemene richting van de strategische ontwikkeling van de nucleaire industrie, die in staat is om de belangrijkste problemen van de energievoorziening gedurende een lange tijd, praktisch van elke omvang, op te lossen met een minimaal risico van negatieve radioactieve impact op het milieu.
