anotação
Nas últimas avaliações das perspectivas estratégicas para o desenvolvimento da energia nuclear, nota-se a tendência de uma atitude arrogante condescendente em relação à energia termonuclear, o que, infelizmente, em grande parte corresponde ao estado real das coisas. Ao mesmo tempo, uma análise dos problemas e do potencial de duas tecnologias nucleares baseadas em reações nucleares de fusão de núcleos leves e fissão de núcleos pesados mostra o seguinte. O desenvolvimento independente em grande escala de cada uma dessas áreas levará inevitavelmente à necessidade de superar os problemas ainda não resolvidos de tecnologia, ciência dos materiais, meio ambiente e economia, o que levantará a questão da oportunidade de maior desenvolvimento desses setores de energia. Ao mesmo tempo, as características físicas dos processos de fissão e fusão indicam objetivamente a conveniência de combiná-los em um único sistema de energia nuclear, o que provoca um grande efeito sinérgico que suprime seus aspectos negativos, desenvolvendo tecnologias nucleares de forma independente.
O artigo apresenta os cálculos da multiplicação de nêutrons termonucleares na manta de um reator termonuclear híbrido, que confirmam a validade física e a confiabilidade da escolha da direção estratégica de desenvolvimento na forma de um sistema de energia nuclear unido.
Introdução
Agora, nas avaliações da trajetória estratégica de desenvolvimento da energia nuclear, estão ocorrendo sérias reavaliações das disposições aparentemente estabelecidas. O conceito de dois componentes para o desenvolvimento da energia nuclear, no qual reatores de fissão rápida e térmica operam em conjunto, passou recentemente por uma revisão séria. Anteriormente, presumia-se que o desenvolvimento estrutural da energia nuclear se basearia, na fase inicial, na capacitação à custa dos reatores térmicos. No futuro, haverá reatores rápidos com uma alta taxa de reprodução da ordem de 1,5 e superior. Isso possibilitará, com a crescente escassez de urânio natural, organizar um ciclo fechado de combustível com reprocessamento eficiente do combustível nuclear irradiado e satisfazer a necessidade de isótopos físseis, produzindo-os em reatores rápidos. Foi assumidoque no sistema de energia nuclear a participação dos reatores térmicos será de cerca de 60% e a dos reatores rápidos será de cerca de 40%. Os reatores térmicos assumirão o inconveniente de trabalhar no sistema de potência (faixa de potência adaptada às necessidades do cliente, trabalhar em uma curva de carga variável, atender às necessidades não elétricas do sistema, etc.). Os reatores rápidos irão operar predominantemente na base e produzir combustível a partir de isótopos brutos para eles próprios e para reatores térmicos.e para produzir combustível a partir de isótopos brutos para si e para reatores térmicos.e para produzir combustível a partir de isótopos brutos para si e para reatores térmicos.
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No entanto, os graves acidentes que ocorreram em usinas nucleares levaram à necessidade de aumentar significativamente os requisitos de segurança para usinas nucleares. Por esse motivo, ajustes significativos foram feitos nos projetos de reatores rápidos com foco na produção intensiva de combustível, e novos projetos conceituais de reatores rápidos já estão sendo considerados com uma razão de cruzamento próxima da unidade, com baixa intensidade energética do núcleo. Nessa situação, adeptos de novos projetos de reatores rápidos encontraram outra forma de manter sua importância. Eles começaram a propagar um cenário que assume que no longo prazo o abandono dos reatores térmicos é inevitável, que em qualquer desenvolvimento de eventos os reatores rápidos substituirão os reatores térmicos.
As pessoas têm avaliações diferentes sobre o futuro e muitos acreditam que a direção proposta para o desenvolvimento da energia nuclear pode não se concretizar, e o novo conceito de domínio dos reatores rápidos se revelará errado. E esta posição é amplamente justificada. As alternativas disponíveis permitem-nos falar sobre as opções para o desenvolvimento do sistema nuclear em uma configuração muito mais atrativa.
As desvantagens sistêmicas mais perceptíveis na construção da energia nuclear, predominantemente baseada em reatores rápidos, são óbvias. Mesmo supondo que o próprio reator rápido é feito com perfeição e não tem falhas que levantem dúvidas sobre sua superioridade absoluta sobre quaisquer outros projetos, existem dificuldades sistêmicas inevitáveis.
Primeiro. A maior parte do isótopo físsil recém-produzido (plutônio) em reatores rápidos será produzida no núcleo, onde a energia será produzida e a maior parte dos produtos de fissão radioativos serão formados. Este combustível altamente ativo deve ser processado quimicamente rapidamente. O reprocessamento irá liberar todos os isótopos radioativos do combustível irradiado. Uma grande quantidade de radioatividade deixará o elemento de combustível selado e será distribuída por toda a sala de trabalho. Apesar de tentarem manter toda essa radioatividade sob controle, isso determinará o principal risco de potenciais incidentes radioativos, por diversos motivos, desde o notório fator humano até a sabotagem planejada.
Segundo. Os reatores rápidos terão que substituir os térmicos, quase completamente. Considerando que o protótipo necessário de reatores rápidos ainda não está disponível, que tal substituição ocorrerá gradualmente, que não começará antes da metade do século, e mesmo que todos no mundo concordem em apoiá-lo, o procedimento durará pelo menos dois séculos. Durante esse tempo, entre aqueles que viveram depois de nós, provavelmente haverá pessoas capazes de inventar e implementar um perfil mais atraente da indústria nuclear. E os esforços para criar o reator rápido ideal serão em vão.
Terceiro. A reciclagem múltipla do plutônio levará à formação de uma quantidade significativa de actinídeos menores, isótopos ausentes na natureza, com os quais o homem, por razões diversas, não pretende suportar e exige sua destruição. Também será necessário organizar a transmutação desses isótopos, processo com alto risco de acidente também capaz de levar a significativa contaminação radioativa do meio ambiente.
Pode-se aceitar essas deficiências como um mal inevitável, mas tal posição só pode ser justificada na ausência de uma alternativa, mas ela existe.
Energia de fusão
Uma alternativa ao domínio dos reatores rápidos pode ser o desenvolvimento de um sistema de energia nuclear baseado em reatores de fusão e fissão. Propostas para a utilização de reatores termonucleares na estrutura da energia nuclear, proporcionando um aumento significativo no potencial de nêutrons do sistema, foram feitas por I. V. Kuchatov Mais tarde, surgiu o conceito de um reator termonuclear híbrido, no qual um novo isótopo físsil foi produzido e energia foi produzida. Nos últimos anos, o desenvolvimento deste conceito continuou. A nova versão do sistema nuclear assume que os reatores de fusão (reatores termonucleares) operam para produzir combustível nuclear a partir de isótopos brutos para reatores de fissão, e os reatores de fissão, como agora, produzem energia.
Em um artigo publicado recentemente "Problemas Nucleares da Energia de Fusão", os autores concluíram que a fusão, por uma série de razões, não deve ser considerada uma tecnologia de energia em grande escala. Mas essa conclusão é completamente injusta quando se considera um sistema integrado no qual as tecnologias de energia nuclear (fusão e fissão) se complementam e proporcionam desempenho mais eficiente de funções que são difíceis para a outra.
A criação de um sistema de energia nuclear confiável com reatores de fissão e fusão é mais preferível dentro da estrutura do ciclo do combustível de tório. Neste caso, a participação de reatores termonucleares no sistema será mínima (menos de 10%), o isótopo físsil artificial urânio-233, obtido do isótopo de alimentação tório-232 é a melhor opção para reatores de nêutrons térmicos, no sistema nuclear unido o problema de transuranos menores simplesmente não existirá. A quantidade de Am, Cm, etc. produzida no sistema. será insignificante. Tal sistema terá um ciclo de combustível no qual o risco de contaminação radioativa do meio ambiente será menor.
O critério natural para a implementação deste conceito é o equilíbrio de nêutrons. A reação nuclear na qual a produção de nêutrons em um reator de fusão será baseada é a reação de fusão de trítio e deutério
D + T = He + n +17,6 MeV
Como resultado da reação, obtém-se um nêutron com energia de 14,1 MeV e uma partícula alfa com energia de 3,5 MeV, que permanece para aquecer o plasma. Um nêutron de alta energia voando através da parede da câmara de vácuo entra na manta de um reator termonuclear, no qual se multiplica; quando é capturado por um isótopo bruto, um novo isótopo físsil é obtido. A multiplicação de um nêutron termonuclear ocorre como resultado das reações (n, 2n), (n, 3n) e (n, fissão) - a reação de fissão de núcleos pesados, neste caso, um isótopo bruto. Todas essas reações são de natureza liminar. A Figura 1 mostra os gráficos das seções transversais indicadas. Para garantir a multiplicação máxima de nêutrons, é importante que a composição do cobertor de combustível contenha uma quantidade mínima de núcleos de luz e, claro, absorvedores de nêutrons.
Fig. 1 Microssecções de multiplicação de nêutrons em Th-232.
Para avaliar o potencial para a produção de novos isótopos físseis em um reator termonuclear, uma série de cálculos para diferentes variantes de composições de combustível de manta com tório como um isótopo de alimentação foi realizada. Os cálculos foram realizados usando vários programas e bibliotecas de dados nucleares. Os programas usados foram a biblioteca MCU ENDF / B-6, MCNP, a biblioteca ENDF / B-6, a biblioteca de grupos LUKY. A tabela apresenta os resultados dos cálculos da captura de nêutrons pelo tório-232 por uma fonte de nêutrons de fusão para uma composição de combustível com a proporção especificada de concentrações de isótopos nucleares. Em algumas modalidades, foi assumido que a proporção indicada de isótopos foi obtida não como um composto químico, mas construtivamente, quando uma certa quantidade de tório foi agitada com a quantidade apropriada do isótopo desejado.
Tabela 1 Multiplicação de nêutrons termonucleares (E = 14,1 MeV) na manta de um reator híbrido com uma composição de combustível de tório.
A última coluna lista os valores que caracterizam a multiplicação de nêutrons devido à reação de fissão do isótopo bruto. Os valores da produção de nêutrons devido à fissão são dados, ou seja, ν∑f. No programa do grupo LUKY, as matrizes de seção transversal para a reação (n, 2n) e (n, 3n) são integradas às seções transversais para espalhamento inelástico. Isso não permite obter os valores das taxas dessas reações separadamente.
Em geral, os dados calculados apresentados estão em boa concordância entre si, o que justifica contar com a multiplicação efetiva de nêutrons termonucleares na manta de um reator híbrido. Os resultados dos cálculos apresentados na tabela mostram o potencial teórico de multiplicação dos nêutrons termonucleares (14,1 MeV). Em um meio infinito de tório, é de aproximadamente 2,6, ou seja, um nêutron se multiplica devido às reações (n, 2n) e reações (n, 3n) aproximadamente 2 vezes, e devido à fissão do tório-232 em 1,5 vezes. Os cálculos para diferentes programas e diferentes bibliotecas diferem em cerca de 10%. Essas diferenças se devem ao uso de várias bibliotecas de dados nucleares. Levando em consideração o erro indicado, os resultados apresentados podem servir como uma diretriz conservadora para avaliar os parâmetros de criação de isótopos físseis na manta de um reator termonuclear. Eles mostram que o fator determinante que leva a uma diminuição na capacidade multiplicadora da manta é a presença nela de isótopos de espalhamento de luz, incluindo O-16, F-19, que também apresentam uma reação de espalhamento inelástico de nêutrons em altas energias. Cálculos mostram que o uso do C-12 para a fabricação de revestimentos de células a combustível para enchimento da manta é bastante promissor. O uso de grafite pode ser considerado uma das opções de design. Mesmo no caso em que há duas vezes e meia mais núcleos de carbono do que tório, o fator de multiplicação de nêutrons termonucleares é próximo a 2. Isso significa que com a organização correta do equilíbrio de nêutrons, um núcleo de um novo isótopo físsil urânio-233 pode ser obtido em uma manta e um núcleo trítio.o que leva a uma diminuição na capacidade de multiplicação da manta é a presença de isótopos de espalhamento de luz nela, incluindo O-16, F-19, que também apresentam uma reação de espalhamento inelástico de nêutrons em altas energias. Cálculos mostram que a utilização do S-12 para a fabricação de revestimentos para células a combustível que preenchem a manta é bastante promissora. O uso de grafite pode ser considerado uma das opções de design. Mesmo no caso em que há duas vezes e meia mais núcleos de carbono do que tório, o fator de multiplicação de nêutrons termonucleares é próximo a 2. Isso significa que com a organização correta do equilíbrio de nêutrons, um núcleo de um novo isótopo físsil urânio-233 pode ser obtido em uma manta e um núcleo trítio.o que leva a uma diminuição na capacidade de multiplicação da manta é a presença de isótopos de espalhamento de luz nela, incluindo O-16, F-19, que também apresentam uma reação de espalhamento inelástico de nêutrons em altas energias. Cálculos mostram que o uso do C-12 para a fabricação de revestimentos de células a combustível para enchimento da manta é bastante promissor. O uso de grafite pode ser considerado uma das opções de design. Mesmo no caso em que há duas vezes e meia mais núcleos de carbono do que tório, o fator de multiplicação de nêutrons termonucleares é próximo a 2. Isso significa que com a organização correta do equilíbrio de nêutrons, um núcleo de um novo isótopo físsil urânio-233 pode ser obtido em uma manta e um núcleo trítio. F-19, que também tem uma reação de espalhamento inelástico de nêutrons em altas energias. Cálculos mostram que a utilização do C-12 para a fabricação de revestimentos para células a combustível no enchimento da manta é bastante promissora. O uso de grafite pode ser considerado uma das opções de design. Mesmo no caso em que há duas vezes e meia mais núcleos de carbono do que tório, o fator de multiplicação de nêutrons termonucleares é próximo a 2. Isso significa que com a organização correta do equilíbrio de nêutrons, um núcleo de um novo isótopo físsil urânio-233 pode ser obtido em uma manta e um núcleo trítio. O F-19 também tem uma reação de espalhamento inelástico de nêutrons em altas energias. Cálculos mostram que o uso do C-12 para a fabricação de revestimentos de células a combustível para enchimento da manta é bastante promissor. O uso de grafite pode ser considerado uma das opções de design. Mesmo no caso em que há duas vezes e meia mais núcleos de carbono do que tório, o fator de multiplicação de nêutrons termonucleares é próximo a 2. Isso significa que com a organização correta do equilíbrio de nêutrons, um núcleo de um novo isótopo físsil urânio-233 pode ser obtido em uma manta e um núcleo trítio. O uso de grafite pode ser considerado uma das opções de design. Mesmo no caso em que há duas vezes e meia mais núcleos de carbono do que tório, o fator de multiplicação de nêutrons termonucleares é próximo a 2. Isso significa que com a organização correta do equilíbrio de nêutrons, um núcleo de um novo isótopo físsil urânio-233 pode ser obtido em uma manta e um núcleo trítio. O uso de grafite pode ser considerado uma das opções de design. Mesmo no caso em que há duas vezes e meia mais núcleos de carbono do que tório, o fator de multiplicação de nêutrons termonucleares é próximo a 2. Isso significa que com a organização correta do equilíbrio de nêutrons, um núcleo de um novo isótopo físsil urânio-233 pode ser obtido em uma manta e um núcleo trítio.
Claro, na prática, haverá perdas de nêutrons e nêutrons adicionais serão necessários para compensá-los. Esses nêutrons podem ser produzidos de várias maneiras. Por exemplo, parte do trítio, que é necessário para a reação de fusão, pode ser produzido no núcleo de um reator de fissão. O potencial desse método de reposição de nêutrons é muito alto. Em reatores de fissão térmica para o ciclo de combustível de urânio-233, a razão de reprodução é de cerca de 0,8, ou seja, para um núcleo de urânio 233 queimado, podem ser obtidos 0,8 núcleos de trítio. Este valor cobrirá mais do que todas as perdas de nêutrons. É possível reduzir o teor de carbono da manta de um reator de fusão, ou seja, para tornar o revestimento da célula de combustível mais fino, o potencial desta proposta é de 0,2.-0,3 nêutrons adicionais. Outra forma de permitir uma pequena fissão do urânio-233 acumulado na manta. Potencial razoável desta opção,o que não levará a um aumento significativo nos produtos da fissão de núcleos pesados na manta é mais de 0,5 nêutrons.
Conclusão
A importância da multiplicação eficiente de nêutrons no espaço em branco de um reator híbrido é tanto mais importante porque torna possível abandonar o reprocessamento do combustível nuclear usado de reatores de fissão. Haverá nêutrons suficientes no sistema para compensar completamente a perda de isótopos físseis durante a produção de energia em reatores de fissão por sua produção a partir do isótopo de alimentação na manta de um reator termonuclear.
Não importa que tipo de reatores de fissão existam no sistema, rápidos ou térmicos, grandes ou pequenos.
A extração do urânio-233 recém-produzido da composição do combustível de manta será acompanhada pela liberação de radioatividade em cerca de duas a três ordens de magnitude a menos, em comparação com a opção quando os isótopos físseis terão que ser separados do SNF dos reatores de fissão. Esta circunstância garantirá o mínimo de risco de contaminação radioativa do meio ambiente.
Com base nos cálculos realizados, é fácil estimar a proporção de reatores termonucleares híbridos. Será menos de 10% da energia térmica de todo o sistema e, portanto, o ônus econômico de todo o sistema não será grande, mesmo que os reatores termonucleares híbridos sejam mais caros do que os de fissão.
As tecnologias termonucleares incorporadas ao sistema de energia nuclear e seu desenvolvimento futuro devem ser consideradas como a direção geral do desenvolvimento estratégico da indústria nuclear, capaz de resolver problemas-chave de abastecimento de energia por muito tempo, praticamente em qualquer escala, com um risco mínimo de impacto radioativo negativo sobre o meio ambiente.
