О возможностях по снижению энерговыделения при наработке

А.Е. СИНЦОВ, Э.Ф. КРЮЧКОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
О ВОЗМОЖНОСТЯХ ПО СНИЖЕНИЮ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ НАРАБОТКЕ 237Np и
231
Pa
В БЛАНКЕТЕ ТЯУ
Рассматриваются возможности снижения энерговыделения при наработке
ядерной установки.
237Np
и
231Pa
в бланкетном модуле термо-
Как известно, предполагаемые высокие темпы развития ядерной энергетики потребуют освоение новых
инновационных технологий, прежде всего, улучшающих использование ядерного топлива. По-видимому,
одной из таких инноваций может стать использование искусственных изотопов 237Np и/или 231Pa в ядерном
топливном цикле (ЯТЦ). Дело в том, что подмешивание этих изотопов к ядерному топливу позволит заметно повысить глубину выгорания, и, кроме того, позволит повысить защищенность ядерных материалов в
ЯТЦ за счет образующихся в результате ядерных превращений 238Pu и/или 232U.
Как было показано ранее [1], значимые количества 237Np и 231Pa возможно наработать в бланкетных модулях термоядерной установки (ТЯУ) из 238U и 232Th (238U(n,2n) 237U(- T1/2=7 дней) 237Np), (232Th(n,2n) 231Th
(- T1/2=25.5 часов) 231Pa). При этом, видимо, наиболее сложным в процессе наработки 237Np или 231Pa будет
формирование соответствующего бланкетного модуля ТЯУ, т.к. известно, что реакции с участием 238U и
232
Th в жесткой области энергий нейтронов сопровождаются интенсивной генерацией вторичных нейтронов
и заметным энерговыделением. Например, оценки показывают (см. табл.), что при образовании одного ядра
237
Np в урановом бланкете толщиной 20 см в результате деления 238U будет выделяться почти в пять раз
больше энергии, чем в плазме, в результате DT-реакции синтеза. В этой связи наработка 231Pa будет выгодно
отличаться от наработки 237Np, т.к. при образовании одного ядра протактиния энерговыделение в бланкете и
в плазме будет сопоставимо.
Что касается вторичных нейтронов, то, видимо, важным будет не столько их количество, сколько энергетическое распределение. Дело в том, что в резонансной области энергий велика вероятность (n,)–реакции, в
результате которой будут образовываться делящиеся изотопы 239Pu и 233U. Так, оценки показывают, что добавление 1% 239Pu или 233U к 238U или 232Th приведет к увеличению энерговыделения на 40 и 75%, соответственно.
Таким образом, учитывая, что одна из основных задач бланкета является защита несущей конструкции
вакуумной камеры и внешнего оборудования от теплового и нейтронного излучения, накопление 237Np или
231
Pa должно осуществляться в многослойном бланкетном модуле. Причем, дополнительные слои должны
характеризоваться хорошими поглощающими свойствами. Как показали оценки [2], целесообразно использовать сравнительно тонкие слои 238U или 232Th (слои наработки) порядка 10 см, а в качестве материала слоев, размещаемых за слоями наработки, предпочтительней использовать LiH. Подобное исполнение бланкетного модуля (см. табл.) позволяет существенно снизить интенсивность наработки делящихся изотопов.
Заметно снизить энерговыделение при наработке 237Np или 231Pa можно за счет уменьшения содержания
238
U или 232Th, правда в этом случае снижаются скорости всех реакций, которые будут происходить в слоях
наработки 237Np или 231Pa, и повысится вероятность термоядерному нейтрону покинуть слои наработки.
Оказывается [], в этом случае предпочтительней комбинировать слои наработки, состоящие из урана и тория, причем, целесообразней под первой стенкой, в области с повышенным потоком термоядерных нейтронов размещать слои из слабо делящегося тория, а урановые слои размещать за торием в области с пониженным потоком. Подобная компоновка бланкетного модуля в сочетании со слоями, состоящими из LiH за слоями наработки, позволяет существенно снизить энерговыделение и скорость наработки делящихся изотопов
(см. табл.), а также позволяет накапливать 237Np и 231Pa в одном бланкетном модуле.
Таблица 1
Число вторичных нейтронов (), энерговыделение (Q) и скорость (n,)–реакции (Rn) для различных моделей
урановых и ториевых бланкетов, в расчете на одно ядро 237Np и 231Pa, соответственно
Однослойный
бланкет
20см U 20см Th
dt,
нейтр./ядро
Qdt,
МэВ/ядро
nf,
нейтр./ядро
Qn,f,
МэВ/ядро
nxn,
нейтр./ядро
Rn,
реак./ядро
Двухслойный
бланкет
10смU10см
10см
ThLiH
10см
Lih
5,2
4,73
Трехслойный
бланкет, 6см Th6см U-10см LiH
4,06
3,2
4,24 (Np+Pa)
71,5
56,3
91,5
83,2
74,6 (Np+Pa)
7,05
0,94
6,42
0,91
0,44 (Pa)+2,4 (Np)
315,4
48,0
288,1
46,1
22(Pa)+108 (Np)
2,25
2,23
2,25
2,23
2,24 (Np+Pa)
4,11
1,34
2,26
0,98
0,83(Pa)+0,84(Np)
Список литературы
1. Синцов А.Е. Особенности формирования бланкета ТЯУ для наработки плутония, защищенного от распространения, Научная
сессия МИФИ 2004, Сборник научных трудов, Москва-2004, т.8, стр. 72-73.
2. Синцов А.Е., и др. Нейтронно-физические особенности формирования бланкета ТЯУ для совместной наработки 237Np и 231Pa,
Материалы XIII семинара по проблемам физики реакторов «Топливные циклы АЭС: экономичность, безопасность, нераспространение», Москва, 2-6 сентября 2004 г., с. 107-109.