Гибридные реакторы

С точки зрения безопасности основным недостатком современного энергетического ядериого реактора является большой избыток делящегося материала, загружаемого в реактор (из количества ^sU, содержащегося в исходном топливе можно изготовить несколько десятков атомных бомб). Устойчивая работа реактора в критическом режиме обеспечивается специальными стержнями, поглощающими нейтроны, которые в ходе кампании (по мере выгорания делящегося материала) постепенно удаляются из реактора. Опасность такой ситуации заключается в том, что существует некоторая вероятность (хотя и небольшая) развития неконтролируемой цепной реакции, что может привести к тяжёлой аварии.

С точки зрения безопасности наиболее перспективной считается установка, состоящая из подкритического (неспособного самостоятельно поддерживать цепную реакцию) реактора и некоторого устройства (бустера), обеспечивающего дополнительную подачу нейтронов, необходимых для приведения реактора в критический режим. В случае аварийной ситуации бустер выключается, и реактор незамедлительно глохнет. Очевидно, что гибридный реактор будет намного безопаснее стандартного реактора.

В качестве ядерного бустера может использоваться любой источник нейтронов: другой атомный реактор, термоядерный реактор, ускоритель протонов, электронов или ионов, но наиболее перспективным считается применение ускорителя протонов. Подкритические ядерные реакторы, в которых бустером является ускоритель протонов, обычно называются электроядерными системами.

Бустер — вспомогательное устройство для увеличения силы и скорости действия основного механизма (агрегата).

Бустер в реакторостроении — подкритический реактор (коэффициент размножения нейтронов k

Электроядерный реактор - атомный реактор, предназначенный для получения энергии и потоков нейтронов, в котором в качестве драйвера используется ускоритель.

«Электрояд» - размножение в урановом блоке лавины нейтронов, родившихся вследствие дробления ядер урана пучком разогнанных ускорителем частиц.

Электроядерная система (Accelerator-Driven Systems, ADS - подкритическая система с внешними источниками нейтронов) — устройство для получения энергии из делящихся ядер элементов, бомбардируемых мощными пучками заряженных частиц (например, протонами). Достоинством таких реакторов являются:

  • - широкая топливная база (например, Pb, Bi, 238U, Th, Hg, и др.);
  • - работа в безопасном (глубокоподкритичном) режиме;
  • - лёгкость регулирования мощности, запуска и остановки реактора;
  • - возможность утилизации оружейного плутония и «сжигания» ядерных отходов.

Ожидается, что такие установки помимо использования в энергетике, найдут применение для утилизации отработавшего топлива или оружейного плутония, уничтожения трансурановых элементов и некоторых продуктов деления с целью уменьшения количеств радиоактивных отходов перед их окончательным захоронением.

Замечание. Идея объединения ускорителя частиц и уранового реактора высказана в 50-х годах 20-го века Лоуренсом (США) и Семёновым (СССР) - управляемый ускорителем реактор, УУР. Она основывалась на том, что при столкновении с -з8и протон с энергией ~1 ГэВ выбивает ~зо нейтронов, превращая -з8и в 2з9Ри. Внедрение УУР стимулировалось не стремлением к безопасности реакторов, а необходимостью быстрой наработки оружейного плутония.

Идея использования электроядерных систем в производстве атомного оружия не была осуществлена, поскольку требовала ускорителя с огромным током в сотни мА, что труднодостижимо даже сейчас. Применение таких систем для снижения коэффициента Кэфф и повышения тем самым безопасности реактора требует существенно меньших токов.

Интерес к электроядерным системам возрос после того как К.Руббиа предложил схему «один ускоритель - один безопасный подкритический реактор», потребляющий нарабатываемый им плутоний и транс- мутирующий радиоактивные отходы как свои, так и чужие. Поскольку перед такими системами не стоит цель наработки плутония, то для их функционирования достаточно ю мА тока ускорителя, что находится в пределах современных технических возможностей. Здесь пучки ускоренных протонов бомбардируют свинец, а образовавшиеся в результате ядерных реакций нейтроны размножаются в окружающем слое из МОКС-топлива.

В настоящее время для гибридных реакторов наиболее перспективными являются нейтронные источники, работающие на ядерной реакции скалывания. Современные ускорители (например, линейные) обеспечивают интенсивные (до 250 мА) потоки протонов, ускоренных для сверхвысоких энергий (несколько ГэВ). При бомбардировке такими протонами мишени (из свинца, ртути, тантала или свинца) при одном ударе выбиваются 20-30 нейтронов. Подобный источник нейтронов способен работать как в непрерывном, так и в импульсном (что более важно) режимах.

Кроме протонов в электроядерных системах могут использоваться и другие типы бомбардирующих частиц. Прежде всего, это дейтроны и более тяжелые ядра. Например, при Е - 1 ГэВ дейтрон рождает на 15% больше нейтронов, чем протон, при меньших энергиях преимущества дейтронов становятся ещё заметнее. Использование тяжёлых ионов невыгодно, поскольку ионизационные потери пропорциональны квадрату электрического заряда иона и изначальный избыток нейтронов не может их компенсировать. Правда, при очень высоких энергиях вследствие релятивистских эффектов ионизационные потери снижаются и, кроме того, при столкновении сильно разогнанных ядер возможно их полное дробление на отдельные протоны и нейтроны.

Пучки электронов мало пригодны для электроядерных установок - ионизационные потери электронов в сотни раз превосходят потери протонов, и энергия пучка идёт в основном на нагрев мишени. Однако ток электронных ускорителей может быть намного большим, чем у протонных, что позволяет достигнуть такого же выхода нейтронов, как и при бомбардировке мишени пучком протонов, а выделившуюся в мишени тепловую энергию можно трансформировать обратно в электрическую. При этих условиях электронные ускорители становятся конкурентоспособными.

Сильноточные ускорители сложны и дороги, поэтому предпринимаются попытки разработки электроядерных установок с токами в несколько мА. С этой целью активную зону с ядерным горючим окружают слоем вещества, которое пропускает быстрые нейтроны и захватывает медленные. В центре установки располагается реактор, поджигаемый внешним протонным пучком и многократно усиливающий поток рожденных в мишени быстрых нейтронов, которые в свою очередь поджигают следующий, находящийся за вентильным слоем реактор, и так далее. Первичный пучок протонов в этом случае может быть значительно меньшей интенсивности, чем в однореакторых системах.

В России разработана концепция ADS с двумя областями бланкета - внутренний бланкет с быстрым спектром нейтронов (F-бланкет) и внешний - с тепловым спектром нейтронов (Г-бланкет). Стальная стенка F-бланкета из нержавеющей стали и внутренняя стенка Т-бланкета создают отражатель быстрых нейтронов для F-бланкета и структурную компоненту7 (вместе с внутренним тяжеловодным отражателем), обеспечивающую одностороннюю нейтронную связь. Система работает при низком уровне подкритичности, что приводит к низким значениям тока протонного пущка при условиях безопасности, соответствующих намного более высокой подкритично- сти основной, тепловой части бланкета.

Помимо урана в электроядерной системе топливом может слуокить торий. Важно, что в реакторе на ториевом топливе практически не образуется плутония. С точки зрения нераспространения ядерного оружия такие реакторы выглядят привлекательно.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >