ускорительный комплекс для трансмутации отходов ядерного производства

Формула изобретения

УСКОРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТРАНСМУТАЦИИ ОТХОДОВ ЯДЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА, содержащий горизонтально расположенный ВЧ-ускоритель пучков протонов, n нейтронопроизводящих мишеней, канал транспортировки и разводки пучка по мишеням, подкритический размножающий нейтроны бланкет и канал с долгоживущими радиоактивными отходами, отличающийся тем, что введены дипольный триплет, расположенный в канале транспортировки и разводки пучка между ускорителем и бланкетом, m нейтронных вентилей, разделяющих цилиндрической формы с вертикальной осью объем бланкета на m+1 концентрически расположенных размножающих нейтроны подкритических секций, имеющих форму кольцевых цилиндров и связанных по нейтронному потоку через нейтронные вентили только в направлении от мишеней к оси бланкета, при этом канал с долгоживущими радиоактивными отходами размещен по оси бланкета, все n мишеней размещены во внешней размножающей секции бланкета, кроме этого, первый диполь дипольного триплета выполнен в виде поворотного на 90^o магнита, а второй и третий диполи выполнены в виде пары быстроциклирующих отклоняющих магнитов для обеспечения круговой развертки пучка по мишеням, фазы токов в обмотках магнитов сдвинуты на 90^o, причем частота повторения импульсов тока ускорителя F(Г_у) и частота тока в обмотке магнитов f(Г_у) связаны соотношением

F=n f.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям ионов, и может быть использовано при создании ускорительных комплексов, предназначенных для уничтожения (трансмутации) долгоживущих радиоактивных отходов (ДРАО) ядерного производства.

Известна система переработки ядерных отходов с относительно малым потреблением электрической энергии, содержащая авгиев реактор АВFR на быстрых нейтронах, хранилище для охлаждения "свежего" ядерного топлива, радиохимический завод и долговременное хранилище [1]

Недостатком данного проекта системы является то, что он основан на высокопоточном ядерном реакторе на быстрых нейтронах, который ядерно опасен.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является проект установки для трансмутации ДРАО [2] содержащий горизонтально расположенный ВЧ ускоритель пучков протонов, работающий в непрерывном режиме, канал транспоpтировки и разводки пучка по мишеням, нейтронопроизводящие мишени, подкритический размножающий нейтроны бланкет и канал с ДРАО.

Недостатком такой установки является то, что трансмутация ведется в основном от нейтронов, полученных в мишени со слабым размножением нейтронов в бланкете, что приводит к высоким первичным затратам на создание ускорителя и высокому расходу электроэнергии при эксплуатации ускорителя. Для повышения эффективности трансмутации при условии сохранения ядерной безопасности необходимо увеличить степень размножения нейтронов в бланкете, имеющем специальную конструкцию с большим числом нейтронопроизводящих мишеней, последовательно облучаемых с большой частотой переключения пучка заданного тока ускорителя.

Однако такой ускорительный комплекс не обладает техническими средствами высокочастотной разводки ускоренного пучка на большое число мишеней (больше трех), расположенных в кольцевой геометрии, соответствующей конструкции специального бланкета.

Кроме того, в данном комплексе, работающем в непрерывном режиме, при повышении частоты переключения пучка с мишени на мишень неизбежны потери электроэнергии в моменты прохождения пучка между мишенями.

Технический результат изобретения заключается в снижении энергопотребления ускорителя при сохранении ядерной безопасности.

Согласно изобретению технический результат достигается тем, что в ускорительный комплекс для уничтожения ДРАО ядерного производства, содержащий горизонтально расположенный ВЧ ускоритель пучка протонов, канал транспортировки и разводки пучка по мишеням, нейтронопроизводящие мишени, подкритический размножающий нейтроны бланкет и канал о ДРАО, введены дипольный триплет между ускорителем и бланкетом, n мишеней и m нейтронных вентилей, разделяющих цилиндрической формы с вертикальной осью объем бланкета на m+1 концентрически расположенных размножающих нейтроны подкритических секций, имеющих форму кольцевых цилиндров и связанных по нейтроному потоку через нейтронные вентили только в направлении от мишеней к оси бланкета, при этом канал с ДРАО размещен по оси бланкета, все n мишеней равномерно размещены по объему внешней размножающей секции бланкета, а дипольный триплет содержит поворотный магнит на 90 град первый диполь, а второй и третий диполи служат устройством круговой развертки пучка по мишеням и выполнены в виде пары быстроциклирующих отклоняющих магнитов, фазы токов в обмотках которых сдвинуты на 90 град, причем частота посылок импульсов тока пучка ускорителя F и частота тока в обмотках магнитов f связаны соотношением

F=n f, где число мишеней n=3-16.

Технический результат достигается также тем, что число нейтронных вентилей m=1-4.

На чертеже приведена структурная схема ускорительного комплекса для трансмутации отходов ядерного производства для случая размещения бланкета на местности ниже оси ускорителя.

Ускорительный комплекс содержит горизонтально расположенный ВЧ ускоритель 1 пучков ионов, канал 2 транспортировки и разводки пучка по мишеням 3, дипольный триплет 4, включающий поворотный магнит на 90 град первый диполь 5 и второй 6 и третий 7 диполи, выполненные в виде последовательно расположенных быстроциклирующих магнитов и служащие устройством круговой развертки пучка по n нейтронопроизводящим мишеням 3. Мишени 3 равномерно размещены по объему внешней размножающей секции подкритического размножающего нейтроны бланкета 8 цилиндрической формы с вертикальной осью. Нейтронные вентили 9 разделяют объем бланкета 8 на концентрически расположенные размножающие нейтроны подкритические секции 10, имеющие форму кольцевых цилиндров, а канал 11 с ДРАО размещен по оси бланкета 8.

Ускорительный комплекс для трансмутации отходов ядерного производства работает следующим образом.

Ускоренные в импульсном ВЧ ускорителе 1 протоны с энергией 600-800 МэВ, следующие с частотой повторения F=50-200 Гц, поступают в канал 2 транспортировки и разводки пучка, где попадают в дипольный триплет 4. В первом диполе 5, представляющем собой поворотный магнит на 90 град, пучок поворачивается вертикально вниз и поступает в устройство круговой развертки пучка, представляющее собой два дипольных магнита (диполи 6 и 7), токи в обмотках которых имеют одинаковую частоту f=3-70, Гц с фазами, сдвинутыми относительно друг друга на 90 град. Далее через соответствующий выход дипольного триплета 4 пучок поступает через канал 2 транспортировки и разводки на связанную с ним нейтронопроизводящую мишень 3, состоящую из тяжелого металла (свинец, уран-238). Наличие сдвига по фазе 90 град между токами в обмотках магнитов с частотой f синхронизованной с частотой повторения импульсов F приводит к тому, что импульсный ток пучка разворачивается по кругу и последовательно импульсы пучка протонов поступают на соответствующие мишени 3. Импульсный характер пучка, синхронизированного с токами в обмотках магнитов (диполи 6 и 7 ), позволяет снизить энергопотребление и избежать облучения конструктивных элементов выходной части канала 2 транспортировки. Протоны преобразуются на мишени 3 в быстрые нейтроны с коэффициентом конверсии 7-20 нейтронов на один протон. Полученные нейтроны размножаются в первой секции бланкета 8, имеющей коэффициент умножения нейтронов 1/(1-К_эф), где К_эф коэффициент размножения нейтронов в среде, содержащей делящееся вещество (например, плутоний, америций). К_эф= 0,90-0,97 определяет степень подкритичности секции бланкета 8, т.е. его ядерную безопасность. Часть нейтронов (10-20%), сгенерированных в первой секции бланкета, через нейтронный вентиль 9, состоящий из последовательно расположенных слоев поглотителя тепловых нейтронов и замедлителя быстрых нейтронов, поступает во вторую секцию бланкета по направлению к центру бланкета, где опять умножается. Таким образом, в центре бланкета, где находится канал 11 с ДРАО, получается многократно увеличенная плотность потока нейтронов в соответствии с выбранным числом подкритических секций 10 бланкета. Введение нейтронных вентилей 9 в бланкет 8 прерывает поток нейтронов в направлении от центра бланкета к мишеням 3,что позволяет сохранять подкритичность бланкета 8 при высоком суммарном коэффициенте умножения нейтронов. Полученная в центре бланкета плотность потока нейтронов может превышать 10¹⁶ н/(см²с). Большой коэффициент умножения нейтронов в бланкете, полученный за счет введения новых признаков, позволяет при заданной плотности потока нейтронов в канале 11 с ДРАО понизить в соответствующее число раз ток ВЧ линейного ускорителя 1, необходимый в известном техническом решении. Например, при использовании трехсекционного бланкета с К_эф= 0,97 средний ток протонов может быть снижен не менее чем в 10 раз. Это дает возможность при величине импульсного тока, равной величине непрерывного тока в известном техническом решении, повысить скважность до 10 и сохранить высокий электронный КПД ускорителя. Некоторый рост относительной доли затрат мощности на непрерывное питание накалов мощных электронных ламп и модуляторов в значительной мере компенсируется сокращением затрат на водоохлаждение и термостатирование систем ускорителя. Поэтому использование предложенного решения позволяет в 5-10 раз снизить энергопотребление ускорителя при сохранении ядерной безопасности комплекса.