СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к способу и устройствам преобразования ядерной энергии в тепловую, и предназначено для производства тепловой и электрической энергии с утилизацией отработавшего ядерного топлива, малых актинидов, промышленных отходов, включая радиоактивные и химические.

В патенте РФ №2 238597 G21C 1/30 от 2003 г. «Способ преобразования ядерной энергии в тепловую энергию» предлагается облучать пучком релятивистских протонов глубоко подкритическую мишень из тяжелых химических элементов (свинец, висмут, торий и обедненный уран, а также их композиции). При этом содержимое мишени используют одновременно в качестве топлива и теплоносителя. Авторы отмечают ранее установленный факт, что с повышением энергии первичных частиц достигается более глубокое расщепление ядер мишени. Однако этому техническому решению присущи недостатки, к числу которых относятся низкая эффективность преобразования ядерной энергии в тепловую, неприемлемо высокие риски получения радиоактивных материалов, пригодных для ядерного терроризма, проблема утилизации потока нейтронов, порождаемых в материале мишени первично ускоренными частицами.

В патенте РФ №2 413314 от 2008 г. «Способ и комплекс преобразования ядерной энергии в тепловую» техническое решение заключается в ускорении пучка многозарядных ионов изотопов урана, тория, висмута и свинца до энергии, обеспечивающей образование потока каскадных нуклонов в глубоко подкритической мишени, куда направляют такой пучок. При этом для повышения интенсивности потока вторичных частиц и с целью его последующей утилизации предлагается активную зону мишени частично или полностью формировать из отработавшего ядерного топлива. К недостаткам этого технического решения относится низкая эффективность преобразования ядерной энергии в тепловую.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ преобразования ядерной энергии в тепловую, представленный в патенте РФ №2557616 от 26.06.2015 МПК G21C 1/30.

Ближайшим по технической сущности к предложенным устройствам является техническое решение по первому варианту устройства, представленному в патенте РФ №2557616 от 26.06.2015 МПК G21C 1/30 «Способ преобразования ядерной энергии в тепловую и устройство для его осуществления (варианты)».

Недостатком известного способа является низкая эффективность преобразования ядерной энергии в тепловую вследствие неравномерности преобразования энергии в объеме мишени.

Недостатком известного устройства является необходимость замены мишени при ее использовании в течение достаточно длительного времени вследствие снижения эффективности энерговыработки из-за неизбежного уменьшения доли делящегося материала в активной зоне мишени.

Техническим эффектом при осуществлении предложенного способа являются повышение эффективности преобразования ядерной энергии в тепловую, снижение себестоимости энерговыработки.

Техническим эффектом при реализации предложенных устройств является снижение себестоимости энерговыработки, увеличение коэффициента использования установленной мощности.

Технический результат по способу преобразования ядерной энергии в тепловую достигают тем, что создают и ускоряют пучок ионов, облучают им материал глубоко подкритической мишени, получают в ней поток вторичных частиц, включающий два и более поколения ядерных фрагментов, и высвобождают внутриядерную энергию в мишени с размерами, обеспечивающими передачу ей кинетической энергии пучка и потока вторичных частиц, компенсируют убыль материала мишени, при облучении мишени осуществляют перемещение пучка ионов по ее поверхности в телесном угле полного поглощения ею потока вторичных частиц и одновременно перемешивают содержимое мишени.

Технический результат в устройстве преобразования ядерной энергии в тепловую достигают тем, что в первом варианте устройства, содержащем расположенные последовательно и соосно ускоритель пучка ионов и блок транспортировки пучка, а также ориентированную вертикально глубоко подкритическую мишень из жидкого расплава, включающего тяжелые химические элементы, в жаропрочном, радиационно- и коррозионностойком корпусе с открытым верхним торцом, блок теплового трансформера и резервный блок, устройство дополнительно оснащено блоком электромагнитной развертки пучка ионов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и блоком перемешивания содержимого мишени, при этом блок развертки пучка ионов расположен соосно между блоком транспортировки пучка и мишенью, а блок перемешивания содержимого мишени выполнен с возможностью электромагнитного контакта с ее материалом.

Во втором варианте устройства, содержащем расположенные последовательно и соосно ускоритель пучка ионов и блок транспортировки пучка, а также ориентированную вертикально глубоко подкритическую мишень, включающую тяжелые химические элементы, в жаропрочном радиационно- и коррозионностойком корпусе с открытым верхним торцом и связанные с ней блок теплового трансформера и резервный блок, мишень имеет сыпучее содержимое, устройство дополнительно оснащено блоком электромагнитной развертки пучка ионов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и блоком перемешивания содержимого мишени, а в нижней части корпуса мишени выполнено отверстие, при этом блок развертки пучка ионов расположен соосно между блоком транспортировки пучка и мишенью, а блок перемешивания содержимого мишени выполнен с возможностью механического контакта с содержимым мишени через оба отверстия в ее корпусе.

При этом сыпучее содержимое мишени может быть выполнено в виде тепловыделяющих элементов обтекаемой формы.

В предложенном способе преобразования ядерной энергии в тепловую под телесным углом полного поглощения потока вторичных частиц понимают угол, внутри которого осуществляют перемещение первичного пучка ускоренных ионов посредством блока его развертки с тем, чтобы создаваемый таким пучком поток вторичных частиц не выходил за пределы объема содержимого мишени. Характеристики телесного угла, за пределы которого не выходит поток вторичных частиц, образующийся в материале мишени, при фиксированном направлении первичного пучка к ее внешней поверхности экспериментально определены и опубликованы, в частности (В.С. Барашенков, В.Д. Тонеев. Взаимодействие высокоэнергетических частиц и атомных ядер с ядрами. М.: Атомиздат, 1972, гл. 3). Это позволяет расчетным путем определить телесный угол перемещения первичного пучка, в пределах которого поток вторичных частиц еще поглощается материалом мишени.

Совместное и одновременное использование операций развертки пучка и перемешивания содержимого мишени, а также средств их реализации является необходимым и достаточным условием достижения указанного технического эффекта. Развертка пучка и непрерывное перемешивание содержимого мишени способствуют повышению эффективности соответствующего преобразования его нуклидного состава под пучком и в потоке вторичных частиц, уменьшению амплитуды колебаний значений сопутствующей энерговыработки с соразмерным снижением энергонапряженности при регулярно осуществляемой компенсации убыли содержимого мишени (посредством резервного блока). Это обеспечивает достижение стационарного режима энерговыработки устройством и его поддержание, в принципе, неограниченно долго.

Предложенные способ и устройства поясняют Фиг. 1-3.

На Фиг. 1 представлен общий вид первого варианта устройства преобразования ядерной энергии в тепловую, реализующего предложенный способ.

На Фиг. 2 представлен общий вид второго варианта устройства, реализующего предложенный способ.

На Фиг. 3 представлена укрупненная циклограмма работы обоих вариантов устройства в стационарном режиме.

Цифрами на фигурах чертежей обозначены:

1 - ускоритель пучка ионов,

2 - блок транспортировки пучка,

3 - блок развертки пучка,

4 - глубоко подкритическая мишень полного поглощения,

5 - блок перемешивания содержимого мишени,

6 - резервный блок,

7 - тепловой трансформер,

8 - запорное устройство,

9 - трубопровод подпитки мишени,

10, 11, 12, 13 - трубопроводы теплоносителя,

14 - открытый верхний торец мишени,

15 - отверстие в нижней части мишени.

В обоих вариантах устройства (см. Фиг. 1 и 2) выход ускорителя линейного обратной волны 1 (УЛОВ, см. А.С. Богомолов, Т.С. Бакиров. Ионные ускорители для использования в индустрии. М.: Куна, 2012, 87 с. ) соосно сопрягают со входом блока транспортировки пучка 2. К выходу последнего также соосно подключают вход блока развертки пучка 3. Ориентированную вертикально мишень 4 размещают соосно ниже выхода блока развертки пучка 3 на удалении, необходимом для снижения негативного воздействия ионизирующего излучения от нее на оборудование этого блока.

Форму и размеры мишени 4 выбирают из условия обеспечения полного поглощения в ее содержимом развернутого первичного пучка и потока вторичных частиц для изначально задаваемых параметров получения и извлечения образующегося там избыточного тепла.

Различие обоих вариантов устройства друг от друга обусловлено их предназначением и проявляется в конструкции и составе мишени 4, блока перемешивания содержимого мишени 5, резервного блока 6 и теплового трансформера 7.

Первый вариант устройства (см. Фиг. 1) включает мишень 4 с содержимым в виде жидкого расплава, включающего актинидные элементы, и ориентирован на утилизацию отработавшего ядерного топлива, малых актинидов, прочих долгоживущих радионуклидов, а также других промышленных радиоактивных и химических отходов, и сопряженную с ней генерацию электрической и тепловой энергии, в том числе для внешних потребителей.

Для гомогенизации жидкого расплава, включающего тяжелые химические элементы, используют блок перемешивания 5 с возможностью электромагнитного контакта с содержимым мишени 4. Примерами реализации такого блока могут служить устройства, представленные, например, в патентах РФ 2571971, 2567970, 2453395.

Второй вариант устройства (см. Фиг. 2) на основе мишени 4 с сыпучим содержимым предназначен преимущественно для крупномасштабной промышленной тепло- и электрогенерации, в том числе в составе ядерно-технологических комплексов широкой номенклатуры с соразмерным выжиганием отработавшего ядерного топлива и малых актинидов, включение которых в содержимое мишени 4 способствует повышению энерговыработки устройства.

Перемешивание сыпучего содержимого мишени 4 осуществляют посредством соответствующего блока, имеющего механический контакт с материалом мишени через верхнее 14 и нижнее 15 отверстия в ее корпусе. Примером реализации такого блока может служить устройство, конструкция которого представлена в монографии А.Я. Столяревский. Ядерно-технологические комплексы на основе высокотемпературных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 36.

В обоих вариантах устройства (см. Фиг. 1, 2) резервный блок 6 и блок теплового трансформера 7 имеют возможность механического контакта с содержимым мишени 4.

При этом резервный блок 6 располагают над мишенью 4 для обеспечения естественной подачи его материала при открытом запорном устройстве 8 для компенсации убыли содержимого мишени 4. Отметим в этой связи, что основное состояние запорного устройства 8 - «закрыто».

Агрегатное состояние содержимого резервного блока соответствует таковому для содержимого мишени в обоих вариантах устройства (жидкий расплав в первом, сыпучее содержимое - во втором). Соответственно этому осуществляется и отвод избыточного тепла из мишени через трубопроводы теплоносителя 10-13. В первом варианте устройства отвод тепла обеспечивается посредством жидкометаллического теплоносителя, в качестве которого для первого контура теплового трансформера 7 может использоваться само содержимое мишени. Во втором варианте устройства для отвода тепла из мишени используется газообразный теплоноситель, предпочтительно гелий.

Предложенный способ реализуют в двух вариантах устройства следующим образом.

В первом варианте устройства (см. Фиг. 1) пучок релятивистских ионов из ускорителя 1 через блоки транспортировки 2 и развертки пучка 3 направляют через открытый верхний торец 14 в мишень 4.

Ионы пучка инициируют в атомных ядрах содержимого мишени 4 каскадные процессы их разрушения с сопутствующим, как правило, выделением внутриядерной энергии. Порождаемый ими вторичный поток частиц обеспечивает основную энерговыработку в мишени 4 посредством деления ядер актинидных элементов. На излете этого потока, представленного преимущественно нейтронами, немалая его доля поглощается ядрами актинидов, способствуя повышению до известных пределов калорийности содержимого мишени 4. Другая часть этого потока нейтрализуется осколками ядер актинидов с последующей их трансмутацией. Далее посредством блока перемешивания содержимого мишени 5 часть исходных и трансмутированных ядер продуктов деления (в составе смеси с актинидами) перемещается в верхнюю часть мишени, где разрушается (тоже, как правило, с выделением энергии) первичным пучком и в потоке вторичных частиц высокой энергии. Благодаря регулярно осуществляемой посредством резервного блока 6 компенсации убыли содержимого мишени 4 в ней достигается таким образом и поддерживается, в принципе, неопределенно долго равновесная пропорция между продуктами разрушения атомных ядер и актинидами.

Образующиеся в мишени излишки тепла посредством циркуляционных петель, включающих трубопроводы теплоносителя 10-13 теплового трансформера 7, выводят и затем либо целиком преобразуют в электрическую энергию с последующей передачей соответствующей ее доли внешним потребителям, либо частично используют для разнообразных технологических целей в виде высоко- и низкопотенциальной тепловой энергии.

Во втором варианте устройства (см. Фиг. 2.) реализация способа преобразования ядерной энергии в тепловую осуществляется аналогично описанному для первого устройства.

Работа устройств осуществляется в соответствии с циклограммой (см. Фиг. 3).

В ходе штатной эксплуатации первого варианта устройства полностью исключается извлечение из мишени 4 ее содержимого в форме жидких и/или твердых радиоактивных отходов. Радиоактивные материалы, возникающие при эксплуатации второго варианта устройства в виде исчерпавшего ресурс механической прочности сыпучего содержимого его мишени 4, направляют либо на рефабрикацию с последующей их загрузкой в подобную мишень, либо превращают в жидкий расплав для последующего использования в качестве содержимого мишени первого варианта устройства.

По окончании эксплуатационного ресурса обоих устройств или при досрочном выводе их из эксплуатации по иным причинам радиоактивные материалы блоков 4-7 и инфраструктуры 8-13 могут послужить в качестве топлива аналогичных устройств, в том числе следующего поколения.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет создать и развернуть ядерную энергетику, отвечающую требованиям МАГАТЭ: практическая неограниченность запасов топливного сырья, естественная безопасность ядерных энергетических установок, обеспечение режима нераспространения, неизменность радиационного фона Земли.