anotación
En evaluaciones recientes de las perspectivas estratégicas para el desarrollo de la energía nucleoeléctrica, se puede observar la tendencia de una actitud condescendiente y arrogante hacia la energía termonuclear, que, lamentablemente, corresponde en gran parte a la situación real. Al mismo tiempo, un análisis de los problemas y potencialidades de dos tecnologías nucleares basadas en reacciones nucleares de fusión de núcleos ligeros y fisión de núcleos pesados muestra lo siguiente. El desarrollo independiente a gran escala de cada una de estas áreas conducirá inevitablemente a la necesidad de superar los problemas aún sin resolver de naturaleza tecnológica, de ciencia de materiales, ambiental y económica, lo que planteará la cuestión de la conveniencia de un mayor desarrollo de estos sectores energéticos. Al mismo tiempo, las características físicas de los procesos de fisión y fusión indican objetivamente la conveniencia de combinarlos en un solo sistema nuclear, lo que provoca un gran efecto sinérgico que suprime sus aspectos negativos, desarrollando tecnologías nucleares de forma independiente.
El artículo presenta los cálculos de la multiplicación de neutrones termonucleares en el manto de un reactor termonuclear híbrido, que confirman la validez física y confiabilidad de la elección de la dirección estratégica de desarrollo en forma de un sistema de energía nuclear integrado.
norte
Introducción
Ahora, en las evaluaciones de la vía estratégica del desarrollo de la energía nucleoeléctrica, se están llevando a cabo serias reevaluaciones de las disposiciones aparentemente establecidas. El concepto de dos componentes para el desarrollo de la energía nucleoeléctrica, en el que los reactores de fisión rápida y térmica funcionan en conjunto, ha sido objeto recientemente de una seria revisión. Anteriormente, se suponía que el desarrollo estructural de la energía nucleoeléctrica se basaría en la etapa inicial, en la creación de capacidad a expensas de los reactores térmicos. En el futuro, habrá reactores rápidos con una alta tasa de reproducción del orden de 1,5 y superior. Esto permitirá, con una escasez cada vez mayor de uranio natural, organizar un ciclo de combustible cerrado con un reprocesamiento eficiente del combustible nuclear gastado irradiado y satisfacer la necesidad de isótopos fisionables produciéndolos en reactores rápidos. Se asumióque en el sistema de energía nuclear la proporción de reactores térmicos será de alrededor del 60% y la proporción de reactores rápidos será de alrededor del 40%. Los reactores térmicos asumirán los inconvenientes de trabajar en el sistema eléctrico (rango de potencia adaptado a las necesidades del consumidor, funcionamiento en curva de carga variable, cubrir necesidades no eléctricas del sistema, etc.). Los reactores rápidos funcionarán principalmente sobre la base de una línea de base y producirán combustible a partir de isótopos crudos para ellos mismos y para los reactores térmicos.y producir combustible a partir de isótopos crudos para sí mismo y para reactores térmicos.y producir combustible a partir de isótopos crudos para sí mismo y para reactores térmicos.
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Sin embargo, los graves accidentes que se han producido en las centrales nucleares han llevado a la necesidad de endurecer significativamente los requisitos de seguridad para las centrales nucleares. Por este motivo, se realizaron importantes ajustes en los diseños de reactores rápidos enfocados a la producción intensiva de combustible, y ya se están considerando nuevos diseños conceptuales de reactores rápidos con una tasa de reproducción cercana a la unidad, con una baja intensidad energética del núcleo. En esta situación, los partidarios de nuevos proyectos de reactores rápidos han encontrado otra forma de mantener su importancia. Comenzaron a propagar un escenario que asume que en el largo plazo el rechazo de los reactores térmicos es inevitable, que en cualquier desarrollo de eventos los reactores rápidos reemplazarán a los térmicos.
La gente tiene diferentes evaluaciones del futuro y muchos creen que la dirección propuesta para el desarrollo de la energía nucleoeléctrica puede no realizarse, y el nuevo concepto del dominio de los reactores rápidos resultará erróneo. Y esta posición está ampliamente justificada. Las alternativas disponibles nos permiten hablar de las opciones para el desarrollo del sistema nuclear en una configuración mucho más atractiva.
Son evidentes las deficiencias sistémicas más notorias en la construcción de energía nucleoeléctrica, basada principalmente en reactores rápidos. Incluso si asumimos que el reactor rápido en sí está perfectamente fabricado y no tiene fallas que susciten dudas sobre su absoluta superioridad sobre cualquier otro proyecto, existen inevitables dificultades sistémicas.
Primero. La parte principal del isótopo fisible recién producido (plutonio) en reactores rápidos se producirá en el núcleo, donde se producirá la energía y se formará la mayor parte de los productos de fisión radiactivos. Este combustible altamente activo debe procesarse químicamente rápidamente. El reprocesamiento liberará todos los isótopos radiactivos del combustible irradiado. Una gran cantidad de radiactividad saldrá del elemento combustible sellado y se distribuirá por toda la sala de trabajo. A pesar de que intentarán mantener bajo control toda esta radiactividad, determinará el principal riesgo de posibles incidentes radiactivos, por diversos motivos, desde el notorio factor humano hasta el sabotaje planificado.
Segundo. Los reactores rápidos deberán reemplazar a los térmicos, casi por completo. Teniendo en cuenta que el prototipo requerido de reactores rápidos aún no está disponible, que tal reemplazo se llevará a cabo gradualmente, que comenzará no antes de mediados de siglo, e incluso si todos en el mundo aceptan apoyarlo, el procedimiento durará al menos dos siglos. Durante este tiempo, entre los que vivan después de nosotros, probablemente habrá personas que sean capaces de idear e implementar un perfil más atractivo de la industria nuclear. Y los esfuerzos para crear el reactor rápido ideal serán en vano.
Tercero. El reciclaje múltiple de plutonio conducirá a la formación de una cantidad significativa de actínidos menores, isótopos ausentes en la naturaleza, que la humanidad, por diversas razones, no tiene la intención de soportar y requiere su destrucción. También será necesario organizar la transmutación de estos isótopos, un proceso con un alto riesgo de accidente también capaz de conducir a una importante contaminación radiactiva del medio ambiente.
Uno podría aceptar estas deficiencias como un mal inevitable, pero tal posición solo puede justificarse en ausencia de una alternativa, pero existe.
Energía de fusión
Una alternativa al dominio de los reactores rápidos puede ser el desarrollo de un sistema de energía nuclear basado en reactores de fusión y fisión. Las propuestas para el uso de reactores termonucleares en la estructura de la energía nuclear, proporcionando un aumento significativo en el potencial de neutrones del sistema, fueron realizadas por I. V. Kuchatov Más tarde, apareció el concepto de un reactor termonuclear híbrido, en cuyo blanco se produjo un nuevo isótopo fisible y se produjo energía. En los últimos años ha continuado el desarrollo de este concepto. La nueva versión del sistema nuclear supone que los reactores de fusión (reactores termonucleares) funcionan para producir combustible nuclear a partir de isótopos en bruto para reactores de fisión, y los reactores de fisión, como ahora, producen energía.
En un artículo publicado recientemente "Problemas nucleares de la ingeniería de la energía termonuclear", los autores concluyeron que la fusión termonuclear, por varias razones, no debe considerarse como una tecnología energética a gran escala. Pero tal conclusión es completamente injusta cuando se considera un sistema integrado en el que las tecnologías de la energía nuclear (fusión y fisión) se complementan entre sí y brindan un desempeño más eficiente de funciones que son difíciles para las demás.
La creación de un sistema de energía nuclear fiable con reactores de fisión y fusión es más preferible en el marco del ciclo del combustible de torio. En este caso, la proporción de reactores termonucleares en el sistema será mínima (menos del 10%), el isótopo fisionable artificial uranio-233, obtenido del isótopo de alimentación torio-232 es la mejor opción para los reactores de neutrones térmicos, en el sistema nuclear unido el problema de los transuranos menores simplemente no existirá. La cantidad de Am, Cm, etc. producida en el sistema. será insignificante. Dicho sistema tendrá un ciclo de combustible en el que el riesgo de contaminación radiactiva del medio ambiente será el mínimo.
El criterio natural para la implementación de este concepto es el balance de neutrones. La reacción nuclear en la que se basará la producción de neutrones en un reactor de fusión es la reacción de fusión de tritio y deuterio
D + T = He + n +17,6 MeV
Como resultado de la reacción se obtiene un neutrón con una energía de 14,1 MeV y una partícula alfa con una energía de 3,5 MeV, que queda para calentar el plasma. Un neutrón de alta energía que atraviesa la pared de la cámara de vacío entra en el manto de un reactor termonuclear, en el que se multiplica; cuando es capturado por un isótopo crudo, se obtiene un nuevo isótopo fisionable. La multiplicación de un neutrón termonuclear ocurre como resultado de las reacciones (n, 2n), (n, 3n) y (n, fisión) - la reacción de fisión de núcleos pesados, en este caso, un isótopo crudo. Todas estas reacciones son de naturaleza umbral. La figura 1 muestra los gráficos de las secciones transversales indicadas. Para asegurar la máxima multiplicación de neutrones, es importante que la composición de combustible de la manta contenga una cantidad mínima de núcleos ligeros y, por supuesto, absorbentes de neutrones.
Fig. 1 Microsecciones de multiplicación de neutrones en Th-232.
Para evaluar el potencial de producción de nuevos isótopos fisionables en un reactor termonuclear, se realizó una serie de cálculos para diferentes variantes de composiciones de combustible general con torio como isótopo de alimentación. Los cálculos se realizaron utilizando varios programas y bibliotecas de datos nucleares. Los programas utilizados fueron biblioteca MCU ENDF / B-6, MCNP, biblioteca ENDF / B-6, biblioteca de grupo LUKY. La tabla muestra los resultados de los cálculos de captura de neutrones por torio-232 por una fuente de neutrones de fusión para una composición de combustible con la relación especificada de concentraciones de isótopos nucleares. En algunas realizaciones, se asumió que la proporción especificada de isótopos se obtuvo no como un compuesto químico, sino de manera constructiva, cuando se agitó una cierta cantidad de torio con una cantidad apropiada del isótopo deseado.
Cuadro 1 Multiplicación de neutrones termonucleares (E = 14,1 MeV) en la capa de un reactor híbrido con una composición de combustible de torio.
La última columna enumera los valores que caracterizan la multiplicación de neutrones debido a la reacción de fisión del isótopo crudo. Se dan los valores de producción de neutrones debido a la fisión, es decir, ν∑f. En el programa del grupo LUKY, las matrices de sección transversal para la reacción (n, 2n) y (n, 3n) se integran con las secciones transversales para la dispersión inelástica. Esto no permite obtener los valores de las velocidades de estas reacciones por separado.
En general, los datos calculados presentados concuerdan entre sí, lo que da motivos para contar con la multiplicación efectiva de neutrones termonucleares en la capa de un reactor híbrido. Los resultados del cálculo presentados en la tabla muestran el potencial de multiplicación teórico de los neutrones termonucleares (14,1 MeV). En un medio infinito de torio, es aproximadamente 2,6, es decir un neutrón se multiplica debido a reacciones (n, 2n) y reacciones (n, 3n) aproximadamente 2 veces, y debido a la fisión del torio-232 en 1.5 veces. Los cálculos para diferentes programas y diferentes bibliotecas difieren en aproximadamente un 10%. Estas diferencias se deben al uso de varias bibliotecas de datos nucleares. Teniendo en cuenta el error indicado, los resultados presentados pueden servir como una guía conservadora para evaluar los parámetros de reproducción de isótopos fisionables en el manto de un reactor termonuclear. Muestran que el factor determinante que conduce a una disminución en la capacidad de multiplicación de la manta es la presencia en ella de isótopos de dispersión de luz, incluidos O-16, F-19, que también tienen una reacción de dispersión de neutrones inelásticos a altas energías. Los cálculos muestran que el uso de S-12 para la fabricación de revestimientos para pilas de combustible que llenan la manta es bastante prometedor. El uso de grafito puede considerarse como una de las opciones de diseño. Incluso en el caso de que haya dos veces y media más núcleos de carbono que torio, el factor de multiplicación de los neutrones termonucleares es cercano a 2. Esto significa que con la correcta organización del balance de neutrones, se puede obtener un núcleo de un nuevo isótopo fisionable uranio-233 en una manta, y un núcleo tritio.lo que conduce a una disminución en la capacidad de multiplicación de la manta es la presencia de isótopos de dispersión de luz en ella, incluidos O-16, F-19, que también tienen una reacción de dispersión inelástica de neutrones a altas energías. Los cálculos muestran que el uso de S-12 para la fabricación de revestimientos para pilas de combustible que llenan la manta es bastante prometedor. El uso de grafito puede considerarse como una de las opciones de diseño. Incluso en el caso de que haya dos veces y media más núcleos de carbono que torio, el factor de multiplicación de los neutrones termonucleares es cercano a 2. Esto significa que con la correcta organización del balance de neutrones, se puede obtener un núcleo de un nuevo isótopo fisionable uranio-233 en una manta, y un núcleo tritio.lo que conduce a una disminución en la capacidad de multiplicación de la manta es la presencia de isótopos de dispersión de luz en ella, incluidos O-16, F-19, que también tienen una reacción de dispersión inelástica de neutrones a altas energías. Los cálculos muestran que el uso de C-12 para la fabricación de revestimientos para pilas de combustible que llenan la manta es bastante prometedor. El uso de grafito puede considerarse como una de las opciones de diseño. Incluso en el caso de que haya dos veces y media más núcleos de carbono que torio, el factor de multiplicación de neutrones termonucleares es cercano a 2. Esto significa que con la correcta organización del balance de neutrones, se puede obtener un núcleo de un nuevo isótopo fisionable uranio-233 en una manta, y un núcleo tritio. El F-19 también tiene una reacción de dispersión inelástica de neutrones a altas energías. Los cálculos muestran que el uso de S-12 para la fabricación de revestimientos para pilas de combustible que llenan la manta es bastante prometedor. El uso de grafito puede considerarse como una de las opciones de diseño. Incluso en el caso de que haya dos veces y media más núcleos de carbono que torio, el factor de multiplicación de los neutrones termonucleares es cercano a 2. Esto significa que con la correcta organización del balance de neutrones, se puede obtener un núcleo de un nuevo isótopo fisible uranio-233 en una manta, y un núcleo tritio. F-19, que también tienen una reacción de dispersión inelástica de neutrones a altas energías. Los cálculos muestran que el uso de C-12 para la fabricación de revestimientos para pilas de combustible que llenan la manta es bastante prometedor. El uso de grafito puede considerarse como una de las opciones de diseño. Incluso en el caso de que haya dos veces y media más núcleos de carbono que torio, el factor de multiplicación de los neutrones termonucleares es cercano a 2. Esto significa que con la correcta organización del balance de neutrones, se puede obtener un núcleo de un nuevo isótopo fisionable uranio-233 en una manta, y un núcleo tritio. El uso de grafito puede considerarse como una de las opciones de diseño. Incluso en el caso de que haya dos veces y media más núcleos de carbono que torio, el factor de multiplicación de los neutrones termonucleares es cercano a 2. Esto significa que con la correcta organización del balance de neutrones, se puede obtener un núcleo de un nuevo isótopo fisionable uranio-233 en una manta, y un núcleo tritio. El uso de grafito puede considerarse como una de las opciones de diseño. Incluso en el caso de que haya dos veces y media más núcleos de carbono que torio, el factor de multiplicación de neutrones termonucleares es cercano a 2. Esto significa que con la correcta organización del balance de neutrones, se puede obtener un núcleo de un nuevo isótopo fisionable uranio-233 en una manta, y un núcleo tritio.
Por supuesto, en la práctica, habrá pérdidas de neutrones y se necesitarán neutrones adicionales para compensarlas. Estos neutrones pueden producirse de diversas formas. Por ejemplo, algo del tritio, que se requiere para la reacción de fusión, se puede producir en el núcleo de un reactor de fisión. El potencial de este método de reposición de neutrones es muy alto. En los reactores de fisión térmica para el ciclo del combustible del uranio-233, la tasa de reproducción es de aproximadamente 0,8, es decir para un núcleo de uranio-233 quemado, se pueden obtener 0,8 núcleos de tritio. Este valor cubrirá con creces todas las pérdidas de neutrones. Es posible reducir el contenido de carbono de la capa de un reactor de fusión, es decir para adelgazar el revestimiento de la pila de combustible, el potencial de esta propuesta es de 0,2 a 0,3 neutrones adicionales. Otra forma de permitir una pequeña fisión de uranio-233 acumulado en el manto. Potencial razonable de esta opción,lo que no conducirá a un aumento significativo de los productos de fisión de los núcleos pesados en la capa es más de 0,5 neutrones.
Conclusión
La importancia de la multiplicación de neutrones eficiente en el blanco de un reactor híbrido es tanto más importante porque permite abandonar el reprocesamiento de SNF de los reactores de fisión. Habrá suficientes neutrones en el sistema para compensar completamente la pérdida de isótopos fisionables durante la producción de energía en los reactores de fisión mediante su producción a partir del isótopo de alimentación en la capa de un reactor termonuclear.
No importa en absoluto qué tipo de reactores de fisión haya en el sistema, rápidos o térmicos, grandes o pequeños.
La extracción del uranio-233 recién producido de la composición del combustible general irá acompañada de la liberación de radiactividad en aproximadamente dos o tres órdenes de magnitud menos, en comparación con la opción en la que los isótopos fisionables tendrán que separarse del SNF de los reactores de fisión. Esta circunstancia garantizará el mínimo riesgo de contaminación radiactiva del medio ambiente.
Con base en los cálculos realizados, es fácil estimar la proporción de reactores termonucleares híbridos. Será menos del 10% de la potencia térmica de todo el sistema y, por lo tanto, la carga económica de todo el sistema no será grande, incluso si los reactores termonucleares híbridos son más costosos que los reactores de fisión.
Las tecnologías termonucleares integradas en el sistema nucleoeléctrico y su desarrollo futuro deben considerarse como la dirección general del desarrollo estratégico de la industria nuclear, capaz de resolver problemas clave de suministro de energía durante mucho tiempo, prácticamente a cualquier escala, con un riesgo mínimo de impacto radiactivo negativo en el medio ambiente.
