bilješka
U najnovijim procjenama strateških izgleda za razvoj nuklearne energije može se primijetiti tendencija snishodljivog arogantnog odnosa prema termonuklearnoj energiji, koji nažalost velikim dijelom odgovara stvarnom stanju stvari. Istodobno, analiza problema i potencijala dviju nuklearnih tehnologija temeljenih na nuklearnim reakcijama fuzije lakih jezgri i cijepanja teških jezgara pokazuje sljedeće. Neovisni razvoj velikih razmjera svakog od ovih područja neizbježno će dovesti do potrebe za prevladavanjem još uvijek neriješenih problema tehnološke, znanost o materijalima, okolišu i ekonomskoj prirodi, što će postaviti pitanje svrsishodnosti daljnjeg razvoja ovih energetskih sektora. Istodobno, fizičke značajke procesa cijepanja i fuzije objektivno ukazuju na korisnost njihovog kombiniranja u jednom nuklearnom elektroenergetskom sustavu, što uzrokuje veliki sinergijski učinak koji potiskuje njihove negativne aspekte, samostalnim razvojem nuklearnih tehnologija.
U članku su predstavljeni proračuni umnožavanja termonuklearnih neutrona u pokrivaču hibridnog termonuklearnog reaktora koji potvrđuju fizičku valjanost i pouzdanost izbora strateškog smjera razvoja u obliku jedinstvenog nuklearnog elektroenergetskog sustava.
Uvod
Sada se u procjenama strateškog puta razvoja nuklearne energije odvijaju ozbiljne procjene naizgled utvrđenih odredbi. Dvokomponentni koncept razvoja nuklearne energije, u kojem reagiraju reaktori brze i toplinske fisije, nedavno je pretrpio ozbiljnu reviziju. Prije se pretpostavljalo da će se strukturni razvoj nuklearne energije temeljiti na početnoj fazi, na izgradnji kapaciteta na štetu toplinskih reaktora. Nakon toga pojavit će se brzi reaktori s visokim omjerom oplemenjivanja od 1,5 i više. To će omogućiti, uz sve veći nedostatak prirodnog urana, organizirati zatvoreni ciklus goriva s učinkovitom preradom ozračenog istrošenog nuklearnog goriva i zadovoljiti potrebu za cjepljivim izotopima proizvodeći ih u brzim reaktorima. Pretpostavljalo seda će u nuklearnom elektroenergetskom sustavu udio toplinskih reaktora biti oko 60%, a udio brzih reaktora oko 40%. Termalni reaktori preuzet će na sebe neugodnosti rada u elektroenergetskom sustavu (raspon snage prilagođen zahtjevima potrošača, radi u promjenjivoj krivulji opterećenja, osigurava neelektrične potrebe sustava itd.). Brzi reaktori djelovat će pretežno na bazi, a od sirovih izotopa proizvode gorivo za sebe i za termičke reaktore.i za proizvodnju goriva iz sirovih izotopa za sebe i za termičke reaktore.i za proizvodnju goriva iz sirovih izotopa za sebe i za termičke reaktore.
Moderne tendencije
Promotivni video:
Međutim, ozbiljne nesreće koje su se dogodile u nuklearnim elektranama dovele su do potrebe za značajnim pooštravanjem sigurnosnih zahtjeva za nuklearne elektrane. Iz tog su razloga izvršene značajne prilagodbe na izvedbama brzih reaktora usredotočenih na intenzivnu proizvodnju goriva, a novi idejni nacrti brzih reaktora već se razmatraju s omjerom oplemenjivanja blizu jedinice, s malim energetskim intenzitetom jezgre. U ovoj su situaciji pristaše novih projekata brzih reaktora pronašli drugi način da zadrže svoj značaj. Počeli su propagirati scenarij koji pretpostavlja da je dugoročno napuštanje termalnih reaktora neizbježno, da će u bilo kojem razvoju događaja brzi reaktori zamijeniti termalne reaktore.
Ljudi imaju različite procjene budućnosti i mnogi vjeruju da predloženi smjer razvoja nuklearne energije možda neće biti ostvaren, a novi će se koncept dominacije brzih reaktora pokazati pogrešnim. I ovaj je stav u velikoj mjeri opravdan. Dostupne alternative omogućuju nam da razgovaramo o opcijama za razvoj nuklearnog energetskog sustava u puno atraktivnijoj konfiguraciji.
Očiti su najuočljiviji sistemski nedostaci u izgradnji nuklearne energije, pretežno zasnovani na brzim reaktorima. Čak i ako pretpostavimo da je sam brzi reaktor savršeno napravljen i nema nedostataka koji bi pokrenuli sumnju u njegovu apsolutnu superiornost u odnosu na bilo koje druge projekte, postoje neizbježne sistemske poteškoće.
Prvi. Glavnina novoproizvedenog fisionog izotopa (plutonija) u brzim reaktorima proizvest će se u jezgri, gdje će se proizvoditi energija i formirati glavnina radioaktivnih proizvoda cijepanja. Ovo visoko aktivno gorivo mora se brzo kemijski obraditi. Ponovnom obradom oslobodit će se svi radioaktivni izotopi iz ozračenog goriva. Velika količina radioaktivnosti napustit će zapečaćeni gorivi element i rasporediti se po radnoj sobi. Unatoč činjenici da će svu ovu radioaktivnost pokušati držati pod kontrolom, ona će iz različitih razloga utvrditi glavni rizik od potencijalnih radioaktivnih incidenata, od zloglasnog ljudskog faktora do planirane sabotaže.
Drugi. Brzi reaktori morat će gotovo u potpunosti zamijeniti termičke. Uzimajući u obzir da potrebni prototip brzih reaktora još nije dostupan, da će se takva zamjena odvijati postupno, da će započeti najranije sredinom stoljeća, pa čak i ako se svi na svijetu slože da će je podržati, postupak će trajati najmanje dva stoljeća. Za to će vrijeme među onima koji žive nakon nas vjerojatno biti ljudi koji su u stanju smisliti i primijeniti atraktivniji profil nuklearne industrije. A napori da se stvori idealan brzi reaktor bit će uzaludni.
Treći. Višestruka reciklaža plutonija dovest će do stvaranja značajne količine manjih aktinida, izotopa koji u prirodi nedostaju, s kojima se čovječanstvo iz različitih razloga ne namjerava pomiriti i zahtijeva njihovo uništavanje. Također će biti potrebno organizirati transmutaciju ovih izotopa, postupak s velikim rizikom od nesreće koji također može dovesti do značajne radioaktivne kontaminacije okoliša.
Te bi se nedostatke mogli prihvatiti kao neizbježno zlo, ali takav se stav može opravdati samo u nedostatku alternative, ali ona postoji.
Fuzijska energija
Alternativa dominaciji brzih reaktora može biti razvoj nuklearnog energetskog sustava koji se temelji na fuzijskim i fisionim reaktorima. Prijedloge za uporabu termonuklearnih reaktora u strukturi nuklearne energije, koji osiguravaju značajno povećanje neutronskog potencijala sustava, iznio je I. V. Kučatov Kasnije se pojavio koncept hibridnog termonuklearnog reaktora u čijem se slijepom tijelu proizvodio novi cjepljivi izotop i proizvodila energija. Posljednjih se godina nastavlja razvoj ovog koncepta. Nova verzija nuklearnog sustava pretpostavlja da fuzijski reaktori (termonuklearni reaktori) rade za proizvodnju nuklearnog goriva iz sirovih izotopa za fisione reaktore, a fisioni reaktori, kao i sada, proizvode energiju.
U nedavno objavljenom članku "Nuklearni problemi termonuklearne energetike", autori su zaključili da se termonuklearna fuzija, iz više razloga, ne bi trebala smatrati energetskom tehnologijom velikih razmjera. Ali takav je zaključak potpuno nepravedan kad se razmatra integrirani sustav u kojem se nuklearne tehnologije (fuzija i fisija) međusobno nadopunjuju i omogućuju učinkovitije obavljanje funkcija koje su drugima teške.
Stvaranje pouzdanog nuklearnog elektroenergetskog sustava s fisijskim i fuzijskim reaktorima je najpoželjnije u okviru torijskog ciklusa goriva. U ovom će slučaju udio termonuklearnih reaktora u sustavu biti minimalan (manje od 10%), umjetni cijepljivi izotop uran-233, dobiven iz sirovine torij-232, najbolja je opcija za reaktore s toplinskim neutronom, u ujedinjenom nuklearnom sustavu problem manjih transurana jednostavno neće postojati. Količina Am, Cm itd. Proizvedena u sustavu. bit će zanemariv. Takav sustav imat će gorivni ciklus u kojem će rizik od radioaktivnog onečišćenja okoliša biti najmanji.
Prirodni kriterij za provedbu ovog koncepta je neutronska ravnoteža. Nuklearna reakcija na kojoj će se temeljiti proizvodnja neutrona u fuzijskom reaktoru je reakcija fuzije tricija i deuterija
D + T = He + n +17,6 MeV
Kao rezultat reakcije dobivaju se neutron s energijom od 14,1 MeV i alfa čestica s energijom od 3,5 MeV, koja ostaje za zagrijavanje plazme. Visokoenergetski neutron koji leti kroz stijenku vakuumske komore ulazi u pokrivač termonuklearnog reaktora, u kojem se množi, a kada ga uhvati sirovi izotop, dobiva se novi fisioni izotop. Umnožavanje termonuklearnog neutrona događa se kao rezultat reakcija (n, 2n), (n, 3n) i (n, fisija) - reakcije cijepanja teških jezgri, u ovom slučaju, sirovog izotopa. Sve ove reakcije su praga. Slika 1 prikazuje grafikone naznačenih presjeka. Da bi se osiguralo maksimalno umnožavanje neutrona, važno je da sastav pokrivača sadrži minimalnu količinu svjetlosnih jezgri i, naravno, apsorbere neutrona.
Slika 1 Mikro presjeci umnožavanja neutrona u Th-232.
Za procjenu potencijala za proizvodnju novih cijepljivih izotopa u termonuklearnom reaktoru, izveden je niz proračuna za različite varijante sastava goriva s pokrivačem s torijumom kao sirovinom za ishranu. Proračuni su izvedeni pomoću različitih programa i nuklearnih knjižnica podataka. Korišteni su programi MCU knjižnica ENDF / B-6, MCNP, knjižnica ENDF / B-6, LUKY knjižnica grupe. Tablica prikazuje rezultate proračuna zahvata neutrona na toriju-232 po jednom fuzijskom izvoru neutrona za sastav goriva s navedenim omjerom koncentracija nuklearnih izotopa. U nekim izvedbama pretpostavljalo se da se naznačeni omjer izotopa nije dobio kao kemijski spoj, već konstruktivno, kada se određena količina torija miješa s odgovarajućom količinom željenog izotopa.
Tablica 1. Umnožavanje termonuklearnih neutrona (E = 14,1 MeV) u pokrivaču hibridnog reaktora s torijskim sastavom goriva.
Posljednji stupac navodi vrijednosti koje karakteriziraju umnožavanje neutrona zbog reakcije cijepanja sirovog izotopa. Dane su vrijednosti proizvodnje neutrona uslijed fisije, t.j. ν∑f. U programu grupe LUKY, matrice presjeka reakcije (n, 2n) i (n, 3n) integrirane su s presjecima za neelastično raspršivanje. To ne omogućuje zasebno dobivanje vrijednosti brzina ovih reakcija.
U cjelini su prikazani izračunati podaci u dobrom međusobnom slaganju, što daje razlog za računanje na učinkovito umnožavanje termonuklearnih neutrona u pokrivaču hibridnog reaktora. Rezultati proračuna prikazani u tablici pokazuju teoretski potencijal umnožavanja termonuklearnih neutrona (14,1 MeV). U beskonačnom mediju od torija je približno 2,6, tj. jedan neutron se množi zbog reakcija (n, 2n) i reakcija (n, 3n) približno 2 puta, a zbog fisije torija-232 u 1,5 puta. Izračuni za različite programe i različite knjižnice razlikuju se za oko 10%. Te su razlike posljedica upotrebe nekoliko biblioteka nuklearnih podataka. Uzimajući u obzir naznačenu pogrešku, prikazani rezultati mogu poslužiti kao konzervativna smjernica za procjenu parametara uzgoja fisualnih izotopa u pokrivaču termonuklearnog reaktora. Oni pokazuju da je odlučujući faktor koji dovodi do smanjenja sposobnosti umnožavanja pokrivača prisutnost u njemu izotopa raspršivanja svjetlosti, uključujući O-16, F-19, koji također imaju reakciju neelastičnog raspršivanja neutrona pri visokim energijama. Proračuni pokazuju da je upotreba S-12 za proizvodnju obloga za gorivne ćelije koje pune pokrivač vrlo obećavajuća. Upotreba grafita može se smatrati jednom od mogućnosti dizajna. Čak i u slučaju kada postoji dva i pol puta više ugljikovih jezgri od torija, faktor umnožavanja termonuklearnih neutrona je blizu 2. To znači da se pravilnom organizacijom neutronske ravnoteže može dobiti jedna jezgra novog fisionog izotopa urana-233 u deki i jedna jezgra tritij.što dovodi do smanjenja sposobnosti umnožavanja pokrivača je prisutnost izotopa koji se raspršuju svjetlošću, uključujući O-16, F-19, koji također imaju reakciju neelastičnog raspršivanja neutrona pri visokim energijama. Izračuni pokazuju da je upotreba C-12 za izradu obloga za gorivne ćelije koje pune pokrivač vrlo obećavajuća. Upotreba grafita može se smatrati jednom od mogućnosti dizajna. Čak i u slučaju kada postoji dva i pol puta više ugljikovih jezgri od torija, faktor umnožavanja termonuklearnih neutrona je blizu 2. To znači da se pravilnom organizacijom neutronske ravnoteže može dobiti jedna jezgra novog fisionog izotopa urana-233 u deki i jedna jezgra tritij.što dovodi do smanjenja sposobnosti umnožavanja pokrivača je prisutnost izotopa koji se raspršuju svjetlošću, uključujući O-16, F-19, koji također imaju reakciju neelastičnog raspršivanja neutrona pri visokim energijama. Izračuni pokazuju da je upotreba C-12 za izradu obloga za gorivne ćelije koje pune pokrivač vrlo obećavajuća. Upotreba grafita može se smatrati jednom od mogućnosti dizajna. Čak i u slučaju kada ima dva i pol puta više ugljikovih jezgri od torija, faktor umnožavanja termonuklearnih neutrona je blizu 2. To znači da se pravilnom organizacijom neutronske ravnoteže može dobiti jedna jezgra novog fisionog izotopa urana-233 u deki i jedna jezgra tritij. F-19 također imaju reakciju neelastičnog raspršivanja neutrona pri visokim energijama. Izračuni pokazuju da je upotreba C-12 za izradu obloga za gorivne ćelije koje pune pokrivač vrlo obećavajuća. Upotreba grafita može se smatrati jednom od mogućnosti dizajna. Čak i u slučaju kada postoji dva i pol puta više jezgri ugljika od torija, faktor umnožavanja termonuklearnih neutrona je blizu 2. To znači da se pravilnom organizacijom neutronske ravnoteže može dobiti jedna jezgra novog fisionog izotopa urana-233 u pokrivaču i jedna jezgra tritij. F-19 također imaju reakciju neelastičnog raspršivanja neutrona pri visokim energijama. Izračuni pokazuju da je upotreba C-12 za izradu obloga za gorivne ćelije koje pune pokrivač vrlo obećavajuća. Upotreba grafita može se smatrati jednom od mogućnosti dizajna. Čak i u slučaju kada postoji dva i pol puta više jezgri ugljika od torija, faktor umnožavanja termonuklearnih neutrona je blizu 2. To znači da se pravilnom organizacijom neutronske ravnoteže može dobiti jedna jezgra novog fisionog izotopa urana-233 u pokrivaču i jedna jezgra tritij. Upotreba grafita može se smatrati jednom od mogućnosti dizajna. Čak i u slučaju kada postoji dva i pol puta više jezgri ugljika od torija, faktor umnožavanja termonuklearnih neutrona je blizu 2. To znači da se pravilnom organizacijom neutronske ravnoteže može dobiti jedna jezgra novog fisionog izotopa urana-233 u pokrivaču i jedna jezgra tritij. Upotreba grafita može se smatrati jednom od mogućnosti dizajna. Čak i u slučaju kada postoji dva i pol puta više jezgri ugljika od torija, faktor umnožavanja termonuklearnih neutrona je blizu 2. To znači da se pravilnom organizacijom neutronske ravnoteže može dobiti jedna jezgra novog fisionog izotopa urana-233 u pokrivaču i jedna jezgra tritij.
Naravno, u praksi će doći do gubitaka neutrona i bit će potrebni dodatni neutroni kako bi ih nadoknadili. Takvi se neutroni mogu proizvesti na razne načine. Na primjer, dio tricija, koji je potreban za fuzijsku reakciju, može se proizvesti u jezgri fisionog reaktora. Potencijal ove metode nadopunjavanja neutrona vrlo je velik. U reaktorima toplinske fisije za gorivni ciklus urana-233, omjer oplemenjivanja je oko 0,8, tj. za jednu izgorjelu jezgru urana-233 mogu se dobiti 0,8 jezgre tricija. Ova će vrijednost više nego pokriti sve gubitke neutrona. Moguće je smanjiti sadržaj ugljika u pokrivaču fuzijskog reaktora, t.j. kako bi obloga gorivih ćelija bila rjeđa, potencijal ovog prijedloga je 0,2.-0,3 dodatnih neutrona. Drugi način da se omogući mala fisija urana-233 nakupljenog u pokrivaču. Razumni potencijal ove opcije,što neće dovesti do značajnog povećanja produkata cijepanja teških jezgri u pokrivaču je više od 0,5 neutrona.
Zaključak
Važnost učinkovitog umnožavanja neutrona u slijepoj varijanti hibridnog reaktora tim je važnija što omogućuje napuštanje prerade istrošenog nuklearnog goriva iz fisionih reaktora. U sustavu će biti dovoljno neutrona da u potpunosti nadoknadi gubitak cijepljivih izotopa tijekom proizvodnje energije u fisorskim reaktorima njihovom proizvodnjom iz napajajućeg izotopa u pokrivaču termonuklearnog reaktora.
Uopće nije važno koja vrsta fisionih reaktora je u sustavu, brza ili termička, velika ili mala.
Ekstrakcija novoproizvedenog urana-233 iz sastava goriva pokrivača bit će popraćena oslobađanjem radioaktivnosti za otprilike dva do tri reda veličine manje, u usporedbi s opcijom kada će se fisualni izotopi morati odvojiti od SNP-a fisorskih reaktora. Ova okolnost osigurat će najmanji rizik od radioaktivnog onečišćenja okoliša.
Na temelju izvedenih izračuna lako je procijeniti udio hibridnih termonuklearnih reaktora. To će biti manje od 10% toplinskog kapaciteta cijelog sustava, a posljedično, ekonomsko opterećenje cijelog sustava neće biti veliko, čak i ako su hibridni termonuklearni reaktori skuplji od fisionih reaktora.
Termonuklearne tehnologije ugrađene u nuklearni elektroenergetski sustav i njihov budući razvoj treba smatrati općim smjerom strateškog razvoja nuklearne industrije, sposobnim za dugotrajno rješavanje ključnih problema opskrbe energijom, praktički bilo kojeg razmjera, uz minimalan rizik od negativnog radioaktivnog utjecaja na okoliš.
