merkintä
Viimeisimmissä arvioissa ydinvoiman kehittämisen strategisista näkymistä voidaan havaita taipumusta ylimieliseen asenteeseen lämpöydinvoimaa kohtaan, joka valitettavasti suurelta osin vastaa todellista tilannetta. Samanaikaisesti kahden ydinteknologian ongelmien ja mahdollisuuksien analyysi, joka perustuu kevyiden ytimien fuusion ja raskasrakojen fissio-ydinreaktioihin, osoittaa seuraavan. Kunkin näiden alueiden itsenäinen laajamittainen kehitys johtaa väistämättä tarpeeseen ratkaista vielä ratkaisemattomat teknologian, materiaalitieteen, ympäristöön ja talouteen liittyvät ongelmat, mikä herättää kysymyksen näiden energiasektorien jatkokehityksen tarkoituksenmukaisuudesta. Samalla fissio- ja fuusioprosessien fysikaaliset piirteet osoittavat objektiivisesti, että niiden yhdistäminen yhteen ydinvoimajärjestelmään on tarkoituksenmukaista, mikä aiheuttaa suuren synergistisen vaikutuksen, joka tukahduttaa niiden negatiiviset puolet kehittäen ydinteknologiaa itsenäisesti.
Artikkelissa esitetään lämpöydoneutronien lisääntymisen laskelmat hybriditermotuumareaktorin peitossa, jotka vahvistavat fyysisen pätevyyden ja luotettavuuden strategisen kehityssuunnan valinnasta integroidun ydinvoimajärjestelmän muodossa.
Johdanto
Ydinvoiman strategisen kehityspolun arvioinnissa näennäisesti vakiintuneita säännöksiä arvioidaan uudelleen vakavasti. Kaksikomponenttinen ydinvoiman kehittämiskonsepti, jossa nopeat ja lämpöhermoreaktorit toimivat yhdessä, on hiljattain tarkistettu vakavasti. Aikaisemmin oletettiin, että ydinvoiman rakenteellinen kehitys perustuisi alkuvaiheessa kapasiteetin rakentamiseen lämpöreaktorien kustannuksella. Myöhemmin ilmestyvät nopeat reaktorit, joiden lisääntymissuhde on 1,5 tai suurempi. Tämä mahdollistaa kasvavan luonnonuraanipulan kanssa järjestää suljetun polttoainekierron säteilytetyn käytetyn ydinpolttoaineen tehokkaalla uudelleenkäsittelyllä ja tyydyttää halkeamiskykyisten isotooppien tarpeen tuottamalla niitä nopeassa reaktorissa. Sen oletettiinettä ydinvoimajärjestelmässä lämpöreaktorien osuus on noin 60% ja nopeiden reaktorien osuus noin 40%. Lämpöreaktorit ottavat huomioon sähköjärjestelmässä työskentelystä aiheutuvat haitat (kuluttajan vaatimuksiin mukautettu tehoalue, toiminta vaihtelevalla kuormituskäyrällä, vastaa järjestelmän muista kuin sähköisistä tarpeista jne.). Nopeat reaktorit toimivat pääasiassa perustuen ja tuottavat polttoainetta raaka-isotoopeista itselleen ja lämpöreaktoreille.ja tuottaa polttoainetta raaka-isotoopeista itselleen ja lämpöreaktoreille.ja tuottaa polttoainetta raaka-isotoopeista itselleen ja lämpöreaktoreille.
Nykyaikaiset suuntaukset
Mainosvideo:
Ydinvoimalaitoksilla sattuneet vakavat onnettomuudet ovat kuitenkin johtaneet tarpeeseen tiukentaa merkittävästi ydinvoimaloiden turvallisuusvaatimuksia. Tästä syystä nopeaan reaktorisuunnitteluun tehtiin merkittäviä muutoksia, jotka keskittyivät intensiiviseen polttoaineen tuotantoon, ja uusia nopean reaktorin käsitteellisiä malleja harkitaan jo siten, että lisääntymissuhde on lähellä yhtenäisyyttä ja sydämen alhainen energiaintensiteetti. Tässä tilanteessa uusien nopean reaktorin hankkeiden kannattajat ovat löytäneet toisen tavan säilyttää niiden merkitys. He alkoivat levittää skenaariota, jossa oletetaan, että pitkällä aikavälillä lämpöreaktorien hylkääminen on väistämätöntä, että missä tahansa tapahtumien kehityksessä nopeat reaktorit korvaavat lämpöreaktorit.
Ihmisillä on erilainen arvio tulevaisuudesta, ja monet uskovat, että ehdotettua ydinvoiman kehittämissuuntaa ei välttämättä toteuteta, ja uusi käsite nopeiden reaktorien hallitsemisesta osoittautuu vääräksi. Ja tämä kanta on pitkälti perusteltu. Käytettävissä olevien vaihtoehtojen avulla voimme puhua vaihtoehdoista ydinvoimajärjestelmän kehittämiseksi paljon houkuttelevammalla kokoonpanolla.
Huomattavimmat systeemiset puutteet pääasiassa nopeisiin reaktoreihin perustuvan ydinvoiman rakentamisessa ovat ilmeisiä. Vaikka oletamme, että nopea reaktori itse on valmistettu täydellisesti eikä siinä ole vikoja, jotka herättäisivät epäilyksiä sen absoluuttisesta paremmuudesta muihin projekteihin nähden, systeemisiä vaikeuksia on väistämättä.
Ensimmäinen. Suurin osa pikareaktorien vasta tuotetusta halkeamiskykyisestä isotoopista (plutonium) tuotetaan ytimessä, jossa energiaa tuotetaan ja suurin osa radioaktiivisista fissiotuotteista muodostuu. Tämä erittäin aktiivinen polttoaine on käsiteltävä nopeasti kemiallisesti. Uudelleenkäsittely vapauttaa kaikki radioaktiiviset isotoopit säteilytetystä polttoaineesta. Suuri määrä radioaktiivisuutta jättää suljetun polttoaine-elementin ja jakautuu koko työhuoneeseen. Huolimatta siitä, että he yrittävät pitää kaiken tämän radioaktiivisuuden hallinnassa, se määrittää potentiaalisten radioaktiivisten tapahtumien riskin useista syistä, tunnetusta inhimillisestä tekijästä suunnitellun sabotoinnin kautta.
Toinen. Nopeat reaktorit on korvattava melkein kokonaan. Ottaen huomioon, että vaadittavaa nopeiden reaktorien prototyyppiä ei ole vielä saatavilla, että tällainen korvaaminen tapahtuu vähitellen, että se alkaa aikaisintaan vuosisadan puolivälissä, ja vaikka kaikki maailmassa suostuisivat tukemaan sitä, menettely kestää vähintään kaksi vuosisataa. Tänä aikana meidän jälkeemme elävien joukossa on todennäköisesti ihmisiä, jotka pystyvät keksimään ja toteuttamaan ydinalan houkuttelevamman profiilin. Ja pyrkimykset luoda ihanteellinen nopea reaktori ovat turhia.
Kolmas. Plutoniumin moninkertainen kierrätys johtaa merkittävän määrän pienten aktinidien, luonnossa poissa olevien isotooppien, muodostumiseen, joita ihmiskunta ei useista syistä aio sietää ja vaatii niiden tuhoamista. On myös tarpeen järjestää näiden isotooppien transmutaatio, prosessi, jolla on suuri onnettomuusriski, joka voi myös johtaa merkittävään ympäristön radioaktiiviseen saastumiseen.
Voidaan hyväksyä nämä puutteet väistämättömäksi pahuudeksi, mutta sellainen kanta voidaan perustella vain ilman vaihtoehtoa, mutta se on olemassa.
Fuusioenergia
Vaihtoehto nopeiden reaktorien hallitsevuudelle voi olla fuusio- ja fissioreaktoreihin perustuvan ydinvoimalan kehittäminen. Ehdotuksia lämpöydinreaktoreiden käytöstä ydinvoiman rakenteessa, mikä lisäsi merkittävästi järjestelmän neutronipotentiaalia, teki I. V. Kuchatov Myöhemmin ilmestyi hybridi-ydinreaktorin konsepti, jonka aihiossa tuotettiin uusi fissioituva isotooppi ja energiaa. Viime vuosina tämän konseptin kehittäminen on jatkunut. Ydinjärjestelmän uudessa versiossa oletetaan, että fuusioreaktorit (lämpöydinreaktorit) tuottavat ydinpolttoainetta fissioreaktorien raaka-isotoopeista, ja fissioreaktorit tuottavat energiaa, kuten nyt.
Kirjoittajat totesivat äskettäin julkaistussa artikkelissa "Fuusioenergian ydinongelmat", että fuusiota ei useista syistä tule pitää laajamittaisena energiateknologiana. Mutta tämä johtopäätös on täysin epäoikeudenmukainen, kun tarkastellaan integroitua järjestelmää, jossa ydinvoimateknologiat (fuusio ja fissio) täydentävät toisiaan ja tarjoavat tehokkaampia toisten vaikeiden toimintojen suorittamisen.
Luotettavan ydinvoimajärjestelmän luominen fissio- ja fuusioreaktoreilla on edullisinta toriumpolttoainekierron yhteydessä. Tässä tapauksessa lämpöydinreaktoreiden osuus järjestelmässä on vähäinen (alle 10%), syöttöisotooppi torium-232: sta saatu keinotekoinen halkeamiskykyinen isotooppi uraani-233 on paras vaihtoehto lämpöneutronireaktoreille, yhdistyneessä ydinjärjestelmässä pieniä transuraaneja ei yksinkertaisesti ole. Järjestelmässä tuotettujen Am, Cm jne. Määrä. on merkityksetön. Tällaisessa järjestelmässä on polttoainekierto, jossa ympäristön radioaktiivisen saastumisen riski on pienin.
Luonnollinen kriteeri tämän konseptin toteuttamiselle on neutronitasapaino. Ydinreaktio, johon neutronien tuotanto fuusioreaktorissa perustuu, on tritiumin ja deuteriumin fuusion reaktio
D + T = He + n + 17,6 MeV
Reaktion seurauksena saadaan neutroni, jonka energia on 14,1 MeV, ja alfa-hiukkanen, jonka energia on 3,5 MeV, joka jää plasman lämmittämiseen. Alipainekammion seinämän läpi lentävä korkean energian neutroni pääsee lämpöydinreaktorin huopaan, jossa se lisääntyy; kun se vangitaan raakalla isotoopilla, saadaan uusi halkeava isotooppi. Lämpöydinneutronin lisääntyminen tapahtuu reaktioiden (n, 2n), (n, 3n) ja (n, fissio) - raskaiden ytimien, tässä tapauksessa raakan isotoopin, fissioreaktion seurauksena. Kaikki nämä reaktiot ovat luonteeltaan kynnysarvoisia. Kuvassa 1 on esitetty esitettyjen poikkileikkausten kaaviot. Maksimaalisen neutronien lisääntymisen varmistamiseksi on tärkeää, että huopapolttoainekoostumus sisältää vähimmäismäärän kevyitä ytimiä ja tietysti neutroniabsorberit.
Kuva 1 Neutronien lisääntymisen mikroleikkeet Th-232: ssa.
Uusien halkeamiskykyisten isotooppien tuotannon potentiaalin arvioimiseksi lämpöydinreaktorissa tehtiin sarja laskelmia peittopolttoainekoostumusten eri muunnoksille, joissa torium oli syöttöisotooppina. Laskelmat suoritettiin käyttämällä erilaisia ohjelmia ja ydinkirjastoja. Käytetyt ohjelmat olivat MCU-kirjasto ENDF / B-6, MCNP, kirjasto ENDF / B-6, LUKY-ryhmäkirjasto. Taulukossa on esitetty laskelmat neutronin sieppauksesta torium-232: lla yhtä fuusio-neutronilähdettä kohti polttoainekoostumukselle, jolla on määritelty ydin-isotooppipitoisuuksien suhde. Joissakin suoritusmuodoissa oletettiin, että määritelty isotooppien suhde ei saatu kemiallisena yhdisteenä, vaan rakentavasti, kun tietty määrä toriumia sekoitettiin sopivan määrän kanssa haluttua isotooppia.
Taulukko 1 Termituumaisten neutronien (E = 14,1 MeV) kertominen hybridireaktorin huopassa, jossa on toriumpolttoainekoostumusta.
Viimeinen sarake näyttää arvot, jotka kuvaavat neutronien lisääntymistä raakan isotoopin fissioreaktiosta johtuen. Annetaan fissiosta johtuvat neutronituotannon arvot, ts. ν∑f. LUKY-ryhmäohjelmassa reaktion poikkileikkausmatriisit (n, 2n) ja (n, 3n) on integroitu poikkileikkauksiin joustamattoman sironnan aikaansaamiseksi. Tämä ei salli näiden reaktioiden nopeuksien arvojen hankkimista erikseen.
Esitetyt lasketut tiedot ovat yleensä sopusoinnussa keskenään, mikä antaa syyn laskea lämpöydoneutronien tehokkaaseen lisääntymiseen hybridireaktorin huopassa. Taulukossa esitetyt laskentatulokset osoittavat termotuumaisten neutronien (14,1 MeV) teoreettisen lisääntymispotentiaalin. Toriumin äärettömässä väliaineessa se on noin 2,6, so. yksi neutroni lisääntyy reaktioiden (n, 2n) ja reaktioiden (n, 3n) vuoksi noin 2 kertaa ja torium-232: n hajoamisen vuoksi 1,5 kertaa. Eri ohjelmien ja kirjastojen laskelmat eroavat noin 10%. Nämä erot johtuvat useiden ydintietokirjastojen käytöstä. Osoitettu virhe huomioon ottaen esitetyt tulokset voivat toimia konservatiivisena ohjeistona fissioituvien isotooppien lisääntymisen parametrien arvioimiseksi lämpöydinreaktorin huopassa. Ne osoittavat, että määräävä tekijä, joka johtaa peiton monistuskyvyn vähenemiseen, on siinä valonsironta-isotooppien läsnäolo, mukaan lukien O-16, F-19, joilla on myös joustamattoman neutronin sironnan reaktio suurilla energioilla. Laskelmat osoittavat, että C-12: n käyttö verhojen valmistuksessa huopaa täyttäville polttokennoille on varsin lupaavaa. Grafiitin käyttöä voidaan pitää yhtenä suunnitteluvaihtoehtona. Jopa siinä tapauksessa, että hiiliytimiä on kaksi ja puoli kertaa enemmän kuin torium, termotuumaisten neutronien kerroin on lähellä 2. Tämä tarkoittaa, että neutronitasapainon oikealla järjestyksellä uuden halkeavan isotoopin uraani-233: n ydin voidaan saada peitteeseen ja yksi ydin tritium.mikä johtaa huovan lisääntymiskyvyn heikkenemiseen, on siinä valonsironta-isotooppien läsnäolo, mukaan lukien O-16, F-19, joilla on myös neutronien epämääräisen sironnan reaktio suurilla energioilla. Laskelmat osoittavat, että C-12: n käyttö verhojen valmistuksessa huopaa täyttäville polttokennoille on varsin lupaavaa. Grafiitin käyttöä voidaan pitää yhtenä suunnitteluvaihtoehtona. Jopa siinä tapauksessa, että hiiliytimiä on kaksi ja puoli kertaa enemmän kuin torium, termotuumaisten neutronien kerroin on lähellä 2. Tämä tarkoittaa, että neutronitasapainon oikealla järjestyksellä uuden halkeavan isotoopin uraani-233: n ydin voidaan saada peitteeseen ja yksi ydin tritium.mikä johtaa huovan lisääntymiskyvyn vähenemiseen, on siinä valon sironta-isotooppien läsnäolo, mukaan lukien O-16, F-19, joilla on myös neutronien epämääräisen sironnan reaktio suurilla energioilla. Laskelmat osoittavat, että S-12: n käyttö verhojen valmistuksessa huopaa täyttäville polttokennoille on varsin lupaavaa. Grafiitin käyttöä voidaan pitää yhtenä suunnitteluvaihtoehtona. Jopa siinä tapauksessa, että hiiliytimiä on kaksi ja puoli kertaa enemmän kuin torium, termotuumaisten neutronien kerroin on lähellä 2. Tämä tarkoittaa, että neutronitasapainon oikealla järjestyksellä uuden halkeavan isotoopin uraani-233: n ydin voidaan saada peitteeseen ja yksi ydin tritium. F-19: llä on myös neutronien joustamattoman sironnan reaktio suurilla energioilla. Laskelmat osoittavat, että C-12: n käyttö verhojen valmistuksessa huopaa täyttäville polttokennoille on varsin lupaavaa. Grafiitin käyttöä voidaan pitää yhtenä suunnitteluvaihtoehtona. Jopa siinä tapauksessa, että hiiliytimiä on kaksi ja puoli kertaa enemmän kuin torium, termotuumaisten neutronien kerroin on lähellä 2. Tämä tarkoittaa, että neutronitasapainon oikealla järjestyksellä uuden halkeavan isotoopin uraani-233: n ydin voidaan saada peitteeseen ja yksi ydin tritium. F-19, jolla on myös neutronien elastisen sironnan reaktio suurilla energioilla. Laskelmat osoittavat, että S-12: n käyttö verhojen valmistuksessa huopaa täyttäville polttokennoille on varsin lupaavaa. Grafiitin käyttöä voidaan pitää yhtenä suunnitteluvaihtoehtona. Jopa siinä tapauksessa, että hiiliytimiä on kaksi ja puoli kertaa enemmän kuin torium, termotuumaisten neutronien kerroin on lähellä arvoa 2. Tämä tarkoittaa, että neutronitasapainon oikean organisoinnin myötä uuden halkeavan isotoopin uraani-233: n ydin voidaan saada peitteeseen ja yksi ydin tritium. Grafiitin käyttöä voidaan pitää yhtenä suunnitteluvaihtoehtona. Jopa siinä tapauksessa, että hiiliatomia on kaksi ja puoli kertaa enemmän kuin torium, termotuumaisten neutronien kerroin on lähellä 2. Tämä tarkoittaa, että neutronitasapainon oikealla järjestyksellä voidaan saada uusi halkeava isotooppi uraani-233: n ydin peitteeseen ja yksi ydin tritium. Grafiitin käyttöä voidaan pitää yhtenä suunnitteluvaihtoehtona. Jopa siinä tapauksessa, että hiiliytimiä on kaksi ja puoli kertaa enemmän kuin torium, termotuumaisten neutronien kerroin on lähellä 2. Tämä tarkoittaa, että neutronitasapainon oikealla järjestyksellä uuden halkeavan isotoopin uraani-233: n ydin voidaan saada peitteeseen ja yksi ydin tritium.
Tietenkin käytännössä tapahtuu neutronihäviöitä ja niiden kompensoimiseksi tarvitaan lisää neutroneja. Tällaisia neutroneja voidaan tuottaa monin eri tavoin. Esimerkiksi osa fuusioreaktioon tarvittavasta tritiumista voidaan tuottaa fissioreaktorin ytimessä. Tämän neutronien täydennysmenetelmän potentiaali on erittäin korkea. Lämpöfissioreaktoreissa uraani-233-polttoainekiertoa varten lisääntymissuhde on noin 0,8, so. yhdelle palaneelle uraani-233-ytimelle voidaan saada 0,8 tritium-ydintä. Tämä arvo kattaa enemmän kuin kaikki neutronihäviöt. On mahdollista vähentää fuusioreaktorin viltin hiilipitoisuutta, ts. tehdä polttokennon verhous ohuemmaksi, tämän ehdotuksen potentiaali on 0,2 - 0,3 lisä neutronia. Toinen tapa sallia huopaan kertyneen pienen uraani-233: n fissio. Tämän vaihtoehdon kohtuullinen potentiaali,joka ei johda merkittävään lisääntymiseen raskasydinten fissiotuotteissa huopassa on yli 0,5 neutronia.
Johtopäätös
Tehokkaan neutronien lisääntymisen merkitys hybridireaktorin aihiossa on sitäkin tärkeämpi, koska se mahdollistaa SNF: n jälleenkäsittelyn fissioreaktoreista. Järjestelmässä on tarpeeksi neutroneja kompensoimaan fissioituvien isotooppien menetys fissioreaktoreissa tapahtuvan energiantuotannon aikana tuottamalla ne lämpöydinreaktorin huopassa olevasta syöttöisotoopista.
Sillä ei ole väliä minkä tyyppisiä fissioreaktoreita järjestelmässä on, nopea tai lämpö, suuri tai pieni.
Äskettäin tuotetun uraani-233: n uuttamiseen peittopolttoainekoostumuksesta seuraa radioaktiivisuuden vapautumista noin kaksi tai kolme suuruusluokkaa vähemmän kuin vaihtoehto, kun halkeamiskykyiset isotoopit on erotettava fissioreaktorien SNF: stä. Tämä seikka varmistaa ympäristön radioaktiivisen saastumisen vähimmäisriskin.
Suoritettujen laskelmien perusteella on helppo arvioida hybridilämpöydinreaktorien osuus. Se on alle 10% koko järjestelmän lämpötehosta, ja näin ollen koko järjestelmän taloudellinen taakka ei ole suuri, vaikka hybriditermituumareaktorit ovat kalliimpia kuin fissioreaktorit.
Ydinvoimajärjestelmään upotettuja lämpöydinteknologioita ja niiden tulevaa kehitystä olisi pidettävä ydinteollisuuden strategisen kehityksen yleisenä suuntaan, joka kykenee ratkaisemaan energiahuollon keskeiset ongelmat pitkään, käytännöllisesti katsoen missä tahansa mittakaavassa, mahdollisimman pienellä negatiivisten radioaktiivisten vaikutusten riskillä ympäristössä.