Anmerkung
In den jüngsten Einschätzungen der strategischen Perspektiven für die Entwicklung der Kernenergie ist die Tendenz einer herablassenden arroganten Haltung gegenüber der Kernenergie festzustellen, die leider größtenteils dem tatsächlichen Stand der Dinge entspricht. Gleichzeitig zeigt eine Analyse der Probleme und des Potenzials zweier Kerntechnologien, die auf Kernreaktionen der Fusion leichter Kerne und der Spaltung schwerer Kerne beruhen, Folgendes. Die unabhängige groß angelegte Entwicklung jedes dieser Bereiche wird unweigerlich dazu führen, dass die noch ungelösten Probleme der Technologie, der Materialwissenschaften, der Umwelt und der Wirtschaft überwunden werden müssen, was die Frage nach der Zweckmäßigkeit der Weiterentwicklung dieser Energiesektoren aufwirft. Gleichzeitig zeigen die physikalischen Merkmale der Spalt- und Fusionsprozesse objektiv, dass es ratsam ist, sie in einem einzigen Kernenergiesystem zu kombinieren, was einen großen synergistischen Effekt hervorruft, der ihre negativen Aspekte unterdrückt, indem Kerntechnologien unabhängig voneinander entwickelt werden.
Der Artikel präsentiert die Berechnungen der Vermehrung von thermonuklearen Neutronen in der Decke eines hybriden thermonuklearen Reaktors, die die physikalische Validität und Zuverlässigkeit der Wahl der strategischen Entwicklungsrichtung in Form eines integrierten Kernkraftsystems bestätigen.
Einführung
Bei der Bewertung des strategischen Entwicklungspfads der Kernenergie finden nun ernsthafte Neubewertungen der scheinbar festgelegten Bestimmungen statt. Das Zweikomponentenkonzept für die Entwicklung der Kernenergie, bei dem schnelle und thermische Spaltreaktoren zusammenarbeiten, wurde kürzlich ernsthaft überarbeitet. Bisher wurde davon ausgegangen, dass die strukturelle Entwicklung der Kernenergie in der Anfangsphase auf dem Kapazitätsaufbau auf Kosten thermischer Reaktoren beruhen würde. In Zukunft wird es schnelle Reaktoren mit einem hohen Brutverhältnis in der Größenordnung von 1,5 und höher geben. Dies wird es angesichts des wachsenden Mangels an natürlichem Uran ermöglichen, einen geschlossenen Brennstoffkreislauf mit effizienter Wiederaufbereitung bestrahlter abgebrannter Kernbrennstoffe zu organisieren und den Bedarf an spaltbaren Isotopen durch Herstellung in schnellen Reaktoren zu befriedigen. Es wurde vermutetdass im Kernkraftwerk der Anteil der thermischen Reaktoren etwa 60% und der Anteil der schnellen Reaktoren etwa 40% betragen wird. Thermoreaktoren übernehmen die Unannehmlichkeiten beim Arbeiten im Stromnetz (Leistungsbereich angepasst an die Anforderungen des Verbrauchers, Betrieb in einer variablen Lastkurve, Bereitstellung nichtelektrischer Anforderungen des Systems usw.). Schnelle Reaktoren werden überwiegend auf der Basis arbeiten und Brennstoff aus Rohisotopen für sich selbst und für thermische Reaktoren produzieren.und Brennstoff aus Rohisotopen für sich selbst und für thermische Reaktoren herzustellen.und Brennstoff aus Rohisotopen für sich selbst und für thermische Reaktoren herzustellen.
Moderne Tendenzen
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Die schweren Unfälle in Kernkraftwerken haben jedoch dazu geführt, dass die Sicherheitsanforderungen für Kernkraftwerke erheblich verschärft werden müssen. Aus diesem Grund wurden erhebliche Anpassungen an schnellen Reaktorkonstruktionen vorgenommen, die sich auf die intensive Brennstoffproduktion konzentrieren, und neue konzeptionelle Konstruktionen von schnellen Reaktoren werden bereits mit einem Brutverhältnis nahe der Einheit mit einer geringen Energieintensität des Kerns in Betracht gezogen. In dieser Situation haben Anhänger neuer Projekte für schnelle Reaktoren einen anderen Weg gefunden, um ihre Bedeutung zu erhalten. Sie begannen, ein Szenario zu verbreiten, das davon ausgeht, dass die Aufgabe von thermischen Reaktoren langfristig unvermeidlich ist und dass bei jeder Entwicklung von Ereignissen schnelle Reaktoren thermische ersetzen werden.
Die Menschen haben unterschiedliche Einschätzungen für die Zukunft und viele glauben, dass die vorgeschlagene Richtung für die Entwicklung der Kernenergie möglicherweise nicht verwirklicht wird, und das neue Konzept der Dominanz schneller Reaktoren wird sich als falsch herausstellen. Und diese Position ist weitgehend gerechtfertigt. Die verfügbaren Alternativen ermöglichen es uns, über die Optionen für die Entwicklung des Kernkraftsystems in einer viel attraktiveren Konfiguration zu sprechen.
Die auffälligsten systemischen Nachteile beim Bau von Kernkraftwerken, die überwiegend auf schnellen Reaktoren beruhen, liegen auf der Hand. Selbst wenn wir davon ausgehen, dass der schnelle Reaktor selbst perfekt hergestellt ist und keine Mängel aufweist, die Zweifel an seiner absoluten Überlegenheit gegenüber anderen Projekten aufkommen lassen, gibt es unvermeidbare systemische Schwierigkeiten.
Zuerst. Der Hauptteil des neu hergestellten spaltbaren Isotops (Plutonium) in schnellen Reaktoren wird im Kern erzeugt, wo die Energie erzeugt und der Großteil der radioaktiven Spaltprodukte gebildet wird. Dieser hochaktive Kraftstoff muss schnell chemisch verarbeitet werden. Bei der Wiederaufbereitung werden alle radioaktiven Isotope aus dem bestrahlten Kraftstoff freigesetzt. Eine große Menge Radioaktivität verlässt das versiegelte Brennelement und wird im gesamten Arbeitsraum verteilt. Trotz der Tatsache, dass sie versuchen werden, all diese Radioaktivität unter Kontrolle zu halten, wird das Hauptrisiko potenzieller radioaktiver Vorfälle aus verschiedenen Gründen vom berüchtigten menschlichen Faktor bis zur geplanten Sabotage bestimmt.
Zweite. Schnelle Reaktoren müssen thermische Reaktoren fast vollständig ersetzen. In Anbetracht der Tatsache, dass der erforderliche Prototyp schneller Reaktoren noch nicht verfügbar ist, dass ein solcher Austausch schrittweise erfolgen wird, dass er nicht früher als Mitte des Jahrhunderts beginnen wird, und selbst wenn alle auf der Welt zustimmen, ihn zu unterstützen, wird das Verfahren mindestens zwei Jahrhunderte dauern. In dieser Zeit wird es unter denen, die nach uns leben, wahrscheinlich Menschen geben, die in der Lage sind, ein attraktiveres Profil der Atomindustrie zu entwickeln. Und die Bemühungen, den idealen schnellen Reaktor zu schaffen, werden vergebens sein.
Dritte. Das mehrfache Recycling von Plutonium führt zur Bildung einer erheblichen Menge kleinerer Aktiniden, Isotope, die in der Natur fehlen und mit denen sich die Menschheit aus verschiedenen Gründen nicht abfinden will und deren Zerstörung erforderlich ist. Es wird auch notwendig sein, die Transmutation dieser Isotope zu organisieren, ein Prozess mit einem hohen Unfallrisiko, der auch zu einer erheblichen radioaktiven Kontamination der Umwelt führen kann.
Man könnte diese Mängel als unvermeidliches Übel akzeptieren, aber eine solche Position kann nur gerechtfertigt werden, wenn es keine Alternative gibt, aber sie existiert.
Fusionsenergie
Eine Alternative zur Dominanz schneller Reaktoren kann die Entwicklung eines Kernkraftwerks sein, das auf Fusions- und Spaltreaktoren basiert. Vorschläge für die Verwendung von thermonuklearen Reaktoren in der Struktur der Kernkraft, die eine signifikante Erhöhung des Neutronenpotentials des Systems bewirken, wurden von I. V. Kuchatov Später erschien das Konzept eines hybriden thermonuklearen Reaktors, in dessen Blindprobe ein neues spaltbares Isotop erzeugt und Energie erzeugt wurde. In den letzten Jahren wurde die Entwicklung dieses Konzepts fortgesetzt. Die neue Version des Kernsystems geht davon aus, dass Fusionsreaktoren (thermonukleare Reaktoren) zur Erzeugung von Kernbrennstoff aus Rohisotopen für Spaltreaktoren betrieben werden, während Spaltreaktoren wie bisher Energie produzieren.
In einem kürzlich veröffentlichten Artikel "Nukleare Probleme der thermonuklearen Energietechnik" kamen die Autoren zu dem Schluss, dass die thermonukleare Fusion aus einer Reihe von Gründen nicht als großtechnische Energietechnologie betrachtet werden sollte. Diese Schlussfolgerung ist jedoch völlig unfair, wenn man ein integriertes System in Betracht zieht, in dem sich Kernkrafttechnologien (Fusion und Spaltung) ergänzen und eine effizientere Ausführung von Funktionen ermöglichen, die für den anderen schwierig sind.
Die Schaffung eines zuverlässigen Kernkraftwerks mit Spalt- und Fusionsreaktoren ist im Rahmen des Thoriumbrennstoffkreislaufs am meisten vorzuziehen. In diesem Fall ist der Anteil der thermonuklearen Reaktoren im System minimal (weniger als 10%). Das künstliche spaltbare Isotop Uran-233, das aus dem Speisungsisotop Thorium-232 gewonnen wird, ist die beste Option für thermische Neutronenreaktoren. Im vereinigten Kernsystem besteht das Problem kleinerer Transurane einfach nicht. Die Menge an Am, Cm usw., die im System erzeugt wird. wird vernachlässigbar sein. Ein solches System hat einen Kraftstoffkreislauf, in dem das Risiko einer radioaktiven Kontamination der Umwelt am geringsten ist.
Das natürliche Kriterium für die Umsetzung dieses Konzepts ist das Neutronengleichgewicht. Die Kernreaktion, auf der die Produktion von Neutronen in einem Fusionsreaktor basiert, ist die Reaktion der Fusion von Tritium und Deuterium
D + T = He + n + 17,6 MeV
Als Ergebnis der Reaktion werden ein Neutron mit einer Energie von 14,1 MeV und ein Alpha-Teilchen mit einer Energie von 3,5 MeV erhalten, das zur Erwärmung des Plasmas übrig bleibt. Ein energiereiches Neutron, das durch die Wand der Vakuumkammer fliegt, tritt in die Decke eines Kernreaktors ein, in dem es sich vermehrt. Wenn es von einem Rohisotop eingefangen wird, wird ein neues spaltbares Isotop erhalten. Die Vermehrung eines thermonuklearen Neutrons erfolgt durch die Reaktionen (n, 2n), (n, 3n) und (n, Spaltung) - die Spaltreaktion schwerer Kerne, in diesem Fall eines Rohisotops. Alle diese Reaktionen sind schwellenhafter Natur. Abbildung 1 zeigt die Diagramme der angegebenen Querschnitte. Um die maximale Neutronenmultiplikation sicherzustellen, ist es wichtig, dass die Gesamtbrennstoffzusammensetzung eine minimale Anzahl von Lichtkernen und natürlich Neutronenabsorbern enthält.
Abb. 1 Mikroschnitte der Neutronenmultiplikation in Th-232.
Um das Potenzial für die Herstellung neuer spaltbarer Isotope in einem thermonuklearen Reaktor zu bewerten, wurde eine Reihe von Berechnungen für verschiedene Varianten von Blanket-Brennstoffzusammensetzungen mit Thorium als Beschickungsisotop durchgeführt. Berechnungen wurden unter Verwendung verschiedener Programme und nuklearer Datenbibliotheken durchgeführt. Die verwendeten Programme waren MCU-Bibliothek ENDF / B-6, MCNP, Bibliothek ENDF / B-6, LUKY-Gruppenbibliothek. Die Tabelle zeigt die Ergebnisse von Berechnungen des Neutroneneinfangs an Thorium-232 pro Fusionsneutronenquelle für eine Brennstoffzusammensetzung mit dem angegebenen Verhältnis der Kernisotopenkonzentrationen. In einigen Ausführungsformen wurde angenommen, dass das angegebene Verhältnis von Isotopen nicht als chemische Verbindung erhalten wurde, sondern konstruktiv, wenn eine bestimmte Menge Thorium mit einer geeigneten Menge des gewünschten Isotops gerührt wurde.
Tabelle 1 Vermehrung von thermonuklearen Neutronen (E = 14,1 MeV) in der Decke eines Hybridreaktors mit einer Thoriumbrennstoffzusammensetzung.
In der letzten Spalte sind die Werte aufgeführt, die die Vermehrung von Neutronen aufgrund der Spaltreaktion des Rohisotops charakterisieren. Die Werte der Neutronenproduktion aufgrund der Spaltung sind angegeben, d.h. ν∑f. Im LUKY-Gruppenprogramm sind die Querschnittsmatrizen für die Reaktion (n, 2n) und (n, 3n) in die Querschnitte für die unelastische Streuung integriert. Dies erlaubt es nicht, die Werte der Raten dieser Reaktionen getrennt zu erhalten.
Insgesamt stimmen die dargestellten berechneten Daten gut überein, was Anlass gibt, auf die effektive Vermehrung von thermonuklearen Neutronen in der Decke eines Hybridreaktors zu zählen. Die in der Tabelle dargestellten Berechnungsergebnisse zeigen das theoretische Multiplikationspotential von thermonuklearen Neutronen (14,1 MeV). In einem unendlichen Medium Thorium beträgt es ungefähr 2,6, d.h. Ein Neutron vermehrt sich aufgrund von Reaktionen (n, 2n) und Reaktionen (n, 3n) ungefähr zweimal und aufgrund der 1,5-fachen Spaltung von Thorium-232. Berechnungen für verschiedene Programme und verschiedene Bibliotheken unterscheiden sich um etwa 10%. Diese Unterschiede sind auf die Verwendung mehrerer nuklearer Datenbibliotheken zurückzuführen. Unter Berücksichtigung des angegebenen Fehlers können die vorgestellten Ergebnisse als konservative Richtlinie für die Bewertung der Parameter der Züchtung spaltbarer Isotope in der Decke eines thermonuklearen Reaktors dienen. Sie zeigen, dass der bestimmende Faktor, der zu einer Abnahme der Multiplikationsfähigkeit der Decke führt, das Vorhandensein von Lichtstreuungsisotopen, einschließlich O-16, F-19, ist, die auch eine Reaktion der inelastischen Neutronenstreuung bei hohen Energien haben. Berechnungen zeigen, dass die Verwendung von C-12 zur Herstellung von Verkleidungen für Brennstoffzellen, die die Decke füllen, vielversprechend ist. Die Verwendung von Graphit kann als eine der Gestaltungsmöglichkeiten angesehen werden. Selbst wenn zweieinhalb Mal mehr Kohlenstoffkerne als Thorium vorhanden sind, liegt der Multiplikationsfaktor der thermonuklearen Neutronen nahe bei 2. Dies bedeutet, dass bei korrekter Organisation des Neutronengleichgewichts ein Kern eines neuen spaltbaren Isotops Uran-233 in einer Decke und ein Kern erhalten werden kann Tritium. Was zu einer Abnahme der Multiplikationsfähigkeit der Decke führt, ist das Vorhandensein von Lichtstreuungsisotopen, einschließlich O-16, F-19, die auch eine Reaktion der unelastischen Streuung von Neutronen bei hohen Energien haben. Berechnungen zeigen, dass die Verwendung von S-12 zur Herstellung von Verkleidungen für Brennstoffzellen, die die Decke füllen, vielversprechend ist. Die Verwendung von Graphit kann als eine der Gestaltungsmöglichkeiten angesehen werden. Selbst wenn zweieinhalb Mal mehr Kohlenstoffkerne als Thorium vorhanden sind, liegt der Multiplikationsfaktor der thermonuklearen Neutronen nahe bei 2. Dies bedeutet, dass bei korrekter Organisation des Neutronengleichgewichts ein Kern eines neuen spaltbaren Isotops Uran-233 in einer Decke und ein Kern erhalten werden kann Tritium.was zu einer Abnahme der Multiplikationsfähigkeit der Decke führt, ist das Vorhandensein von Lichtstreuungsisotopen darin, einschließlich O-16, F-19, die auch eine Reaktion der unelastischen Streuung von Neutronen bei hohen Energien haben. Berechnungen zeigen, dass die Verwendung von S-12 zur Herstellung von Verkleidungen für Brennstoffzellen, die die Decke füllen, vielversprechend ist. Die Verwendung von Graphit kann als eine der Gestaltungsmöglichkeiten angesehen werden. Selbst wenn zweieinhalb Mal mehr Kohlenstoffkerne als Thorium vorhanden sind, liegt der Multiplikationsfaktor der thermonuklearen Neutronen nahe bei 2. Dies bedeutet, dass bei korrekter Organisation des Neutronengleichgewichts ein Kern eines neuen spaltbaren Isotops Uran-233 in einer Decke und ein Kern erhalten werden kann Tritium. F-19 reagiert auch auf die unelastische Streuung von Neutronen bei hohen Energien. Berechnungen zeigen, dass die Verwendung von S-12 zur Herstellung von Verkleidungen für Brennstoffzellen, die die Decke füllen, vielversprechend ist. Die Verwendung von Graphit kann als eine der Gestaltungsmöglichkeiten angesehen werden. Selbst wenn zweieinhalb Mal mehr Kohlenstoffkerne als Thorium vorhanden sind, liegt der Multiplikationsfaktor der thermonuklearen Neutronen nahe bei 2. Dies bedeutet, dass bei korrekter Organisation des Neutronengleichgewichts ein Kern eines neuen spaltbaren Isotops Uran-233 in einer Decke und ein Kern erhalten werden kann Tritium. F-19 reagiert auch auf die unelastische Streuung von Neutronen bei hohen Energien. Berechnungen zeigen, dass die Verwendung von S-12 zur Herstellung von Verkleidungen für Brennstoffzellen, die die Decke füllen, vielversprechend ist. Die Verwendung von Graphit kann als eine der Gestaltungsmöglichkeiten angesehen werden. Selbst wenn zweieinhalb Mal mehr Kohlenstoffkerne als Thorium vorhanden sind, liegt der Multiplikationsfaktor der thermonuklearen Neutronen nahe bei 2. Dies bedeutet, dass bei korrekter Organisation des Neutronengleichgewichts ein Kern eines neuen spaltbaren Isotops Uran-233 in einer Decke und ein Kern erhalten werden kann Tritium. Die Verwendung von Graphit kann als eine der Gestaltungsmöglichkeiten angesehen werden. Selbst wenn zweieinhalb Mal mehr Kohlenstoffkerne als Thorium vorhanden sind, liegt der Multiplikationsfaktor der thermonuklearen Neutronen nahe bei 2. Dies bedeutet, dass bei korrekter Organisation des Neutronengleichgewichts ein Kern eines neuen spaltbaren Isotops Uran-233 in einer Decke und ein Kern erhalten werden kann Tritium. Die Verwendung von Graphit kann als eine der Gestaltungsmöglichkeiten angesehen werden. Selbst wenn zweieinhalb Mal mehr Kohlenstoffkerne als Thorium vorhanden sind, liegt der Multiplikationsfaktor der thermonuklearen Neutronen nahe bei 2. Dies bedeutet, dass bei korrekter Organisation des Neutronengleichgewichts ein Kern eines neuen spaltbaren Isotops Uran-233 in einer Decke und ein Kern erhalten werden kann Tritium.
In der Praxis wird es natürlich zu Neutronenverlusten kommen, und es werden zusätzliche Neutronen benötigt, um diese zu kompensieren. Solche Neutronen können auf verschiedene Arten erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Teil des Tritiums, das für die Fusionsreaktion benötigt wird, im Kern eines Spaltreaktors erzeugt werden. Das Potenzial dieser Neutronenauffüllmethode ist sehr hoch. In thermischen Spaltreaktoren für den Uran-233-Brennstoffkreislauf beträgt das Brutverhältnis etwa 0,8, d.h. für einen verbrannten Uran-233-Kern können 0,8 Tritiumkerne erhalten werden. Dieser Wert deckt mehr als alle Neutronenverluste ab. Es ist möglich, den Kohlenstoffgehalt der Decke eines Fusionsreaktors zu verringern, d.h. Um die Ummantelung der Brennstoffzelle dünner zu machen, beträgt das Potenzial dieses Vorschlags 0,2 bis 0,3 zusätzliche Neutronen. Ein anderer Weg, um eine kleine Spaltung von Uran-233 in der Decke zu ermöglichen. Angemessenes Potenzial dieser Option,was nicht zu einem signifikanten Anstieg der Spaltprodukte schwerer Kerne in der Decke führt, beträgt mehr als 0,5 Neutronen.
Fazit
Die Bedeutung einer effizienten Neutronenvermehrung in der Decke eines Hybridreaktors ist umso wichtiger, als es möglich ist, die Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente aus Spaltreaktoren aufzugeben. Das System enthält genügend Neutronen, um den Verlust spaltbarer Isotope während der Energieerzeugung in Spaltreaktoren durch ihre Erzeugung aus dem Beschickungsisotop in der Decke eines thermonuklearen Reaktors vollständig zu kompensieren.
Es spielt überhaupt keine Rolle, welche Art von Spaltreaktoren sich im System befinden, schnell oder thermisch, groß oder klein.
Die Extraktion des neu hergestellten Uran-233 aus der Gesamtbrennstoffzusammensetzung wird mit einer Freisetzung von Radioaktivität um etwa zwei bis drei Größenordnungen weniger einhergehen, verglichen mit der Option, dass die spaltbaren Isotope vom SNF der Spaltreaktoren getrennt werden müssen. Dieser Umstand gewährleistet das minimale Risiko einer radioaktiven Kontamination der Umwelt.
Basierend auf den durchgeführten Berechnungen ist es einfach, den Anteil von Hybrid-Kernreaktoren abzuschätzen. Es wird weniger als 10% der Wärmekapazität des gesamten Systems betragen, und folglich wird die wirtschaftliche Belastung des gesamten Systems nicht groß sein, selbst wenn hybride thermonukleare Reaktoren teurer sind als Spaltreaktoren.
In das Kernkraftsystem eingebettete thermonukleare Technologien und ihre künftige Entwicklung sollten als allgemeine Richtung für die strategische Entwicklung der Nuklearindustrie angesehen werden, die in der Lage ist, Schlüsselprobleme der Energieversorgung über einen langen Zeitraum praktisch in jeder Größenordnung mit minimalem Risiko negativer radioaktiver Auswirkungen auf die Umwelt zu lösen.
