penjelasan
Dalam penilaian baru-baru ini mengenai prospek strategis untuk pengembangan tenaga nuklear, seseorang dapat memperhatikan kecenderungan sikap sombong yang merendahkan terhadap tenaga termonuklear, yang, sayangnya, sebagian besar sesuai dengan keadaan sebenarnya. Pada masa yang sama, analisis masalah dan potensi dua teknologi nuklear berdasarkan reaksi nuklear pelakuran nukleus ringan dan pembelahan yang berat menunjukkan yang berikut. Pembangunan berskala besar yang bebas dari masing-masing bidang ini pasti akan menyebabkan keperluan untuk mengatasi masalah yang masih belum dapat diselesaikan dari segi teknologi, sains bahan, alam sekitar dan ekonomi, yang akan menimbulkan persoalan mengenai keberkesanan pengembangan lebih lanjut dari sektor tenaga ini. Pada masa yang sama, ciri fizikal proses pembelahan dan peleburan secara objektif menunjukkan kegunaan menggabungkannya dalam satu sistem tenaga nuklear, yang menyebabkan kesan sinergi yang besar yang menekan aspek negatif mereka, mengembangkan teknologi nuklear secara bebas.
Artikel ini mengemukakan pengiraan pendaraban neutron termonuklear dalam selimut reaktor termonuklear hibrid, yang mengesahkan kesahan dan kebolehpercayaan fizikal pilihan arah pembangunan strategik dalam bentuk sistem tenaga nuklear bersepadu.
Pengenalan
Sekarang, dalam penilaian jalan pengembangan tenaga nuklear yang strategik, penilaian ulang dari ketentuan yang nampaknya sedang dilakukan sedang dilakukan. Konsep dua komponen untuk pengembangan tenaga nuklear, di mana reaktor pembelahan cepat dan termal beroperasi secara bersamaan, baru-baru ini telah mengalami penyemakan serius. Sebelumnya, diasumsikan bahwa pengembangan struktur tenaga nuklear akan didasarkan pada tahap awal, pada pengembangan kapasitas dengan mengorbankan reaktor termal. Selepas itu, reaktor pantas dengan nisbah pembiakan tinggi 1.5 dan lebih tinggi akan muncul. Ini akan memungkinkan, dengan meningkatnya kekurangan uranium semula jadi, untuk mengatur siklus bahan bakar tertutup dengan pemrosesan ulang bahan bakar nuklear habis yang disinari dengan efisien dan untuk memenuhi kebutuhan akan isotop fisil dengan menghasilkannya dalam reaktor cepat. Itu diandaikanbahawa dalam sistem tenaga nuklear bahagian reaktor termal adalah sekitar 60%, dan bahagian reaktor cepat adalah sekitar 40%. Reaktor terma akan menanggung ketidakselesaan bekerja dalam sistem kuasa (julat kuasa yang disesuaikan dengan kehendak pengguna, bekerja dalam kurva beban berubah, menyediakan keperluan sistem bukan elektrik, dll.). Reaktor cepat akan beroperasi terutamanya pada asas dan menghasilkan bahan bakar dari isotop mentah untuk mereka sendiri dan untuk reaktor terma.dan untuk menghasilkan bahan bakar dari isotop mentah untuk dirinya sendiri dan untuk reaktor terma.dan untuk menghasilkan bahan bakar dari isotop mentah untuk dirinya sendiri dan untuk reaktor terma.
Kecenderungan moden
Video promosi:
Namun, kemalangan serius yang terjadi di loji tenaga nuklear menyebabkan perlunya memperketat syarat keselamatan untuk loji tenaga nuklear. Atas sebab ini, penyesuaian yang signifikan dibuat untuk reka bentuk reaktor cepat yang tertumpu pada pengeluaran bahan bakar intensif, dan reka bentuk konsep baru reaktor cepat sudah dipertimbangkan dengan nisbah pembiakan hampir dengan kesatuan, dengan intensiti tenaga inti yang rendah. Dalam keadaan ini, penganut projek baru reaktor cepat telah menemui cara lain untuk mengekalkan kepentingannya. Mereka mulai menyebarkan senario yang menganggap bahawa dalam jangka panjang pengabaian reaktor terma tidak dapat dihindari, bahawa dalam setiap perkembangan peristiwa reaktor cepat akan menggantikan yang panas.
Orang mempunyai penilaian yang berbeza untuk masa depan dan banyak yang percaya bahawa arah yang dicadangkan untuk pengembangan tenaga nuklear mungkin tidak dapat direalisasikan, dan konsep baru dominasi reaktor cepat akan menjadi salah. Dan kedudukan ini sebahagian besarnya dibenarkan. Alternatif yang ada membolehkan kita berbicara mengenai pilihan untuk pengembangan sistem tenaga nuklear dalam konfigurasi yang lebih menarik.
Kelemahan sistemik yang paling ketara dalam pembinaan tenaga nuklear, terutamanya berdasarkan reaktor pantas, jelas. Walaupun kita menganggap bahawa reaktor cepat itu sendiri dibuat dengan sempurna dan tidak mempunyai kekurangan yang akan menimbulkan keraguan mengenai keunggulan mutlaknya berbanding projek lain, terdapat kesulitan sistemik yang tidak dapat dielakkan.
Pertama. Sebilangan besar isotop fissile yang baru dihasilkan (plutonium) dalam reaktor cepat akan dihasilkan di teras, di mana tenaga akan dihasilkan dan sebahagian besar produk pembelahan radioaktif akan terbentuk. Bahan bakar yang sangat aktif ini mesti diproses secara kimia dengan cepat. Pemprosesan semula akan melepaskan semua isotop radioaktif dari bahan bakar yang disinari. Sebilangan besar radioaktiviti akan meninggalkan unsur bahan bakar tertutup dan diedarkan ke seluruh ruang kerja. Walaupun fakta bahawa mereka akan berusaha memastikan semua radioaktiviti ini terkawal, ia akan menentukan risiko utama kemungkinan berlakunya insiden radioaktif, kerana pelbagai sebab, dari faktor manusia yang terkenal hingga sabotaj yang dirancang.
Kedua. Reaktor pantas mesti menggantikan yang termal, hampir sepenuhnya. Memandangkan prototaip reaktor cepat yang diperlukan belum tersedia, penggantian sedemikian akan berlaku secara beransur-ansur, ia akan bermula tidak lebih awal dari pertengahan abad ini, dan walaupun semua orang di dunia bersetuju untuk menyokongnya, prosedur ini akan berlangsung sekurang-kurangnya dua abad. Selama ini, di antara mereka yang hidup selepas kita, mungkin akan ada orang yang dapat datang dan menerapkan profil industri nuklear yang lebih menarik. Dan usaha untuk mewujudkan reaktor pantas yang ideal akan sia-sia.
Ketiga. Kitar semula plutonium yang berlipat ganda akan menyebabkan pembentukan sejumlah besar aktinida kecil, isotop yang tidak ada di alam semula jadi, dengan mana manusia, dengan pelbagai alasan, tidak berniat untuk bertahan, dan memerlukan pemusnahannya. Ia juga perlu untuk mengatur transmutasi isotop-isotop ini, suatu proses dengan risiko kemalangan yang tinggi juga mampu menyebabkan pencemaran radioaktif terhadap persekitaran.
Seseorang dapat menerima kekurangan ini sebagai kejahatan yang tidak dapat dielakkan, tetapi kedudukan seperti itu dapat dibenarkan hanya jika tidak ada alternatif, tetapi memang ada.
Tenaga pelakuran
Alternatif untuk dominasi reaktor cepat adalah pengembangan sistem tenaga nuklear berdasarkan reaktor fusi dan pembelahan. Cadangan untuk penggunaan reaktor termonuklear dalam struktur tenaga nuklear, yang memberikan peningkatan yang signifikan dalam potensi neutron sistem, dibuat oleh I. V. Kuchatov Kemudian, konsep reaktor termonuklear hibrid muncul, di mana isotop fisil baru dihasilkan dan tenaga dihasilkan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pengembangan konsep ini berterusan. Versi baru sistem nuklear menganggap bahawa reaktor fusi (reaktor termonuklear) beroperasi untuk menghasilkan bahan bakar nuklear dari isotop mentah untuk reaktor pembelahan, dan reaktor pembelahan, seperti sekarang, menghasilkan tenaga.
Dalam artikel yang baru diterbitkan "Masalah Nuklear Tenaga Fusion", penulis menyimpulkan bahawa pelakuran, untuk beberapa sebab, tidak boleh dianggap sebagai teknologi tenaga berskala besar. Tetapi kesimpulan ini sama sekali tidak adil ketika mempertimbangkan sistem bersatu di mana teknologi tenaga nuklear (peleburan dan pembelahan) saling melengkapi dan memberikan prestasi fungsi yang lebih efisien yang sukar bagi yang lain.
Penciptaan sistem tenaga nuklear yang boleh dipercayai dengan reaktor pembelahan dan peleburan sangat disukai dalam rangka kitaran bahan bakar thorium. Dalam kes ini, proporsi reaktor termonuklear dalam sistem akan minimum (kurang dari 10%), isotop fisikal buatan uranium-233, yang diperoleh dari isotop torium-232 umpan, adalah pilihan terbaik untuk reaktor neutron termal, dalam sistem nuklear bersatu masalah transuran kecil tidak akan wujud. Jumlah Am, Cm, dan lain-lain yang dihasilkan dalam sistem. akan diabaikan. Sistem sedemikian akan mempunyai kitaran bahan bakar di mana risiko pencemaran radioaktif terhadap persekitaran akan menjadi yang paling rendah.
Kriteria semula jadi untuk pelaksanaan konsep ini adalah keseimbangan neutron. Tindak balas nuklear yang menjadi asas penghasilan neutron dalam reaktor peleburan adalah reaksi peleburan tritium dan deuterium
D + T = Dia + n +17.6 MeV
Sebagai hasil tindak balas, neutron dengan tenaga 14.1 MeV dan zarah alfa dengan tenaga 3.5 MeV diperoleh, yang tetap untuk memanaskan plasma. Neutron bertenaga tinggi yang terbang melalui dinding ruang vakum memasuki selimut reaktor termonuklear, di mana ia berlipat ganda; apabila ditangkap oleh isotop mentah, isotop fisil baru diperoleh. Pendaraban neutron termonuklear berlaku akibat tindak balas (n, 2n), (n, 3n) dan (n, pembelahan) - reaksi pembelahan inti berat, dalam kes ini, isotop mentah. Semua reaksi ini bersifat ambang batas. Rajah 1 menunjukkan graf keratan rentas yang ditunjukkan. Untuk memastikan pendaraban neutron maksimum, adalah penting bahawa komposisi bahan bakar selimut mengandungi jumlah inti cahaya minimum dan, tentu saja, penyerap neutron.
Rajah. 1 Mikroseksi pendaraban neutron pada Th-232.
Untuk menilai potensi pengeluaran isotop fisil baru dalam reaktor termonuklear, satu siri perhitungan untuk varian berbeza komposisi bahan bakar selimut dengan torium sebagai isotop umpan dilakukan. Pengiraan dilakukan dengan menggunakan pelbagai program dan perpustakaan data nuklear. Program yang digunakan ialah perpustakaan MCU ENDF / B-6, MCNP, perpustakaan ENDF / B-6, perpustakaan kumpulan LUKY. Jadual menunjukkan hasil pengiraan penangkapan neutron oleh thorium-232 per satu sumber neutron peleburan untuk komposisi bahan bakar dengan nisbah kepekatan isotop nuklear yang ditentukan. Dalam beberapa perwujudan, diasumsikan bahawa nisbah isotop yang ditentukan tidak diperoleh sebagai sebatian kimia, tetapi secara konstruktif, ketika sejumlah thorium diaduk dengan jumlah isotop yang diinginkan.
Jadual 1 Pendaraban neutron termonuklear (E = 14.1 MeV) dalam selimut reaktor hibrid dengan komposisi bahan bakar thorium.
Lajur terakhir menyenaraikan nilai-nilai yang mencirikan pendaraban neutron kerana reaksi pembelahan isotop mentah. Nilai penghasilan neutron kerana pembelahan diberikan, iaitu ν∑f. Dalam program kumpulan LUKY, matriks keratan rentas untuk tindak balas (n, 2n) dan (n, 3n) disatukan dengan keratan rentas untuk hamburan inelastik. Ini tidak membenarkan memperoleh nilai kadar tindak balas ini secara berasingan.
Secara keseluruhan, data yang dikira disajikan sesuai dengan satu sama lain, yang memberi alasan untuk bergantung pada pendaraban neutron termonuklear yang efisien dalam selimut reaktor hibrid. Hasil pengiraan yang ditunjukkan dalam jadual menunjukkan potensi pendaraban teoritikal neutron termonuklear (14.1 MeV). Dalam medium thorium yang tidak terhingga, kira-kira 2.6, iaitu satu neutron berlipat ganda kerana reaksi (n, 2n) dan tindak balas (n, 3n) kira-kira 2 kali, dan kerana pembelahan thorium-232 dalam 1.5 kali. Pengiraan untuk program yang berbeza dan perpustakaan yang berbeza berbeza sekitar 10%. Perbezaan ini disebabkan oleh penggunaan beberapa perpustakaan data nuklear. Dengan mengambil kira kesalahan yang ditunjukkan, hasil yang disajikan dapat berfungsi sebagai panduan konservatif untuk menilai parameter pembiakan isotop fisil dalam selimut reaktor termonuklear. Mereka menunjukkan bahawa faktor penentu yang membawa kepada penurunan kemampuan pendaraban selimut adalah adanya isotop penyebaran cahaya di dalamnya, termasuk O-16, F-19, yang juga mempunyai reaksi penyebaran neutron inelastik pada tenaga tinggi. Pengiraan menunjukkan bahawa penggunaan C-12 untuk pembuatan pelapis untuk sel bahan bakar mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit boleh dianggap sebagai salah satu pilihan reka bentuk. Walaupun terdapat nukleus karbon dua setengah kali lebih banyak daripada thorium, faktor pendaraban neutron termonuklear mendekati 2. Ini bermakna bahawa dengan organisasi keseimbangan neutron yang betul, satu inti uranium isotop fisil baru dapat diperoleh dalam selimut, dan satu nukleus tritium.yang membawa kepada penurunan kemampuan pendaraban selimut adalah adanya isotop penyebaran cahaya di dalamnya, termasuk O-16, F-19, yang juga mempunyai reaksi penyebaran neutron yang tidak elastik pada tenaga tinggi. Pengiraan menunjukkan bahawa penggunaan S-12 untuk pembuatan pelapis untuk sel bahan bakar mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit boleh dianggap sebagai salah satu pilihan reka bentuk. Walaupun terdapat nukleus karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor pendaraban neutron termonuklear mendekati 2. Ini bermakna bahawa dengan organisasi keseimbangan neutron yang betul, satu inti uranium isotop fisil baru dapat diperoleh dalam selimut, dan satu nukleus tritium.yang membawa kepada penurunan kemampuan pendaraban selimut adalah adanya isotop penyebaran cahaya di dalamnya, termasuk O-16, F-19, yang juga mempunyai reaksi penyebaran neutron yang tidak elastik pada tenaga tinggi. Pengiraan menunjukkan bahawa penggunaan S-12 untuk pembuatan pelapis untuk sel bahan bakar mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit boleh dianggap sebagai salah satu pilihan reka bentuk. Walaupun terdapat nukleus karbon dua setengah kali lebih banyak daripada thorium, faktor pendaraban neutron termonuklear mendekati 2. Ini bermakna bahawa dengan organisasi keseimbangan neutron yang betul, satu inti uranium isotop fisil baru dapat diperoleh dalam selimut, dan satu nukleus tritium. F-19 juga mempunyai reaksi penyebaran neutron inelastik pada tenaga tinggi. Pengiraan menunjukkan bahawa penggunaan C-12 untuk pembuatan pelapis untuk sel bahan bakar mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit boleh dianggap sebagai salah satu pilihan reka bentuk. Walaupun terdapat nukleus karbon dua setengah kali lebih banyak daripada thorium, faktor pendaraban neutron termonuklear mendekati 2. Ini bermakna bahawa dengan organisasi keseimbangan neutron yang betul, satu inti uranium isotop fisil baru dapat diperoleh dalam selimut, dan satu nukleus tritium. F-19 juga mempunyai reaksi penyebaran neutron yang tidak elastik pada tenaga tinggi. Pengiraan menunjukkan bahawa penggunaan C-12 untuk pembuatan pelapis untuk sel bahan bakar mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit boleh dianggap sebagai salah satu pilihan reka bentuk. Walaupun terdapat nukleus karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor pendaraban neutron termonuklear mendekati 2. Ini bermakna bahawa dengan organisasi keseimbangan neutron yang betul, satu inti uranium isotop fisil baru dapat diperoleh dalam selimut, dan satu nukleus tritium. Penggunaan grafit boleh dianggap sebagai salah satu pilihan reka bentuk. Walaupun terdapat nukleus karbon dua setengah kali lebih banyak daripada thorium, faktor pendaraban neutron termonuklear mendekati 2. Ini bermakna bahawa dengan organisasi keseimbangan neutron yang betul, satu inti uranium isotop fisil baru dapat diperoleh dalam selimut, dan satu nukleus tritium. Penggunaan grafit boleh dianggap sebagai salah satu pilihan reka bentuk. Walaupun terdapat nukleus karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor pendaraban neutron termonuklear mendekati 2. Ini bermakna bahawa dengan organisasi keseimbangan neutron yang betul, satu inti uranium isotop fisil baru dapat diperoleh dalam selimut, dan satu nukleus tritium.
Sudah tentu, dalam praktiknya, akan ada kehilangan neutron dan neutron tambahan akan diperlukan untuk mengimbanginya. Neutron seperti itu dapat dihasilkan dengan pelbagai cara. Sebagai contoh, sebahagian tritium, yang diperlukan untuk tindak balas pelakuran, dapat dihasilkan di teras reaktor pembelahan. Potensi kaedah pengisian semula neutron ini sangat tinggi. Dalam reaktor pembelahan termal untuk kitaran bahan bakar uranium-233, nisbah pembiakan adalah kira-kira 0.8, iaitu untuk satu nukleus uranium-233 yang dibakar, 0,8 inti tritium dapat diperoleh. Nilai ini akan melebihi semua kerugian neutron. Adalah mungkin untuk mengurangkan kandungan karbon selimut reaktor peleburan, iaitu. untuk menjadikan pelapis sel bahan bakar menjadi lebih nipis, potensi cadangan ini ialah 0.2.-0.3 neutron tambahan. Cara lain untuk membiarkan pembelahan kecil uranium-233 terkumpul di dalam selimut. Potensi yang munasabah dari pilihan ini,yang tidak akan membawa kepada peningkatan ketara dalam produk pembelahan inti berat di dalam selimut adalah lebih daripada 0.5 neutron.
Kesimpulannya
Kepentingan pendaraban neutron yang cekap di tempat reaktor hibrid adalah lebih penting kerana memungkinkan untuk meninggalkan pemprosesan semula bahan bakar nuklear habis dari reaktor pembelahan. Akan ada cukup neutron dalam sistem untuk mengimbangi sepenuhnya kehilangan isotop fisil semasa penghasilan tenaga dalam reaktor pembelahan dengan pengeluarannya dari isotop umpan di selimut reaktor termonuklear.
Tidak kira sama sekali jenis reaktor pembelahan dalam sistem, cepat atau termal, besar atau kecil.
Pengekstrakan uranium-233 yang baru dihasilkan dari komposisi bahan bakar selimut akan disertai dengan pelepasan radioaktiviti dengan kira-kira dua hingga tiga pesanan dengan magnitud kurang, berbanding dengan pilihan ketika isotop fisil harus dipisahkan dari SNF reaktor pembelahan. Keadaan ini akan memastikan risiko minimum pencemaran radioaktif terhadap persekitaran.
Berdasarkan pengiraan yang dilakukan, mudah untuk menganggarkan bahagian reaktor termonuklear hibrid. Ia akan menjadi kurang daripada 10% dari kapasiti terma keseluruhan sistem, dan, akibatnya, beban ekonomi seluruh sistem tidak akan besar, walaupun reaktor peleburan hibrid lebih mahal daripada reaktor pembelahan.
Teknologi termonuklear yang tertanam dalam sistem tenaga nuklear dan pengembangan masa depannya harus dianggap sebagai arah umum pengembangan strategik industri nuklear, yang mampu menyelesaikan masalah utama bekalan tenaga untuk waktu yang lama, hampir dalam skala apa pun, dengan risiko minimum kesan radioaktif negatif terhadap alam sekitar.
