Інститут ізотопу та хімії поверхні Угорської академії наук, Відділ радіаційної безпеки, 1525, Будапешт, стор.77 Трансмутація актиноїдів з використанням енергетичних частинок GeV, ядерні відходи, виробництво електроенергії Арпад Верес Електронна пошта: [email protected]. hu Осінні радіохімічні дні (жовтень 2001) 17-19, Mátraháza) розширена лекція конференції. ІКІ - 2002-01 н. публікація

трансмутація

Передумови та основні причини ситуації:. З точки зору соціального судження: дві атомні бомби, скинуті на Японію, випробування ядерної та водневої бомб, катастрофа на Чорнобильській АЕС, швидкість накопичення довговічних та великих обсягів ядерних відходів та страх перед радіаційною небезпекою призвели до дуже сильна соціальна відмова від усіх видів радіоактивних матеріалів у цілому світі. Б). З точки зору енергетичних потреб: населення нашої планети, (в даний час 6,1 млрд. Чоловік),

10 Гігатон нафтового еквівалента - це приблизна річна потреба в енергії. На кінець століття населення становило 15 мільярдів людей, а попит на енергію

Прогнозується 40 Гт нафтового еквівалента. (1 Гігатонна нафтової енергії

еквівалентно 10 Терават-годинам електроенергії). Системи виробництва енергії змінюються повільно, але за спіральним механізмом вуглецевий газ розробляється за допомогою ядерних або відновлюваних енергетичних систем. На атомні електростанції припадає значна частка виробництва електроенергії у багатьох країнах світу, включаючи Угорщину (середній світовий показник: 17%, США: 15%, середній рівень ЄС: 35%). Це також породило низку проблем, які спонукали дослідників та енергетичних політиків шукати все нові і нові ресурси. В). Мета презентації: Окреслити нові можливості переробки ядерних відходів та виробництва енергії, що забезпечуються спалацією. В рамках презентації ми окреслимо: механізми реакції трансмутації; основні характеристики прискорювачів протонів та спалаційних джерел нейтронів; методи хімічного розділення відпрацьованого палива та мішеней; вивчені на сьогодні процедури зменшення накопичення ядерних відходів та їх утилізації для виробництва енергії, а також міжнародні програми. 3

2. Ядерна передача ядерних реакцій атомної ядра низької енергії (мев-мев). Захоплення частинок (p, n тощо) (> 32 типи реакцій). Поділ (n t = 0,025 ev, n gy = 0,5-15 МеВ): Поділ утворює два ядра (близько 90 і 130 за масою) і 2-3 нейтрони. Ці дві форми взаємодії добре відомі і не будуть обговорюватися далі. ПРОПОЗИЦІЯ (1947, Сербер; США) Коли ядро ​​бомбардується частинками з дуже високою енергією (GeV) (протон, фотон тощо), утворюється багато легких частинок і утворень ядер. Цей тип реакції називається спалацією. Адронне спалювання: Спаляція, спричинена адронними мезонами (піон, каон едамезон), баріонами (р, n, гіперон та ін.) Та їх античастинками. Фотонне спалювання: (γ-фотон, гальмівне випромінювання) 4

Вихід нейтронних протонів GeV 50 Кількість вторинних нейтронів (n/ge 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Енергія протона (GeV) U-238 Вт Pb Рисунок 2 Енергетична залежність виходу нейтронів/протонів у мішенях Pb, W та 238 U, (W. Gudowski, Nucl. Phys. A663 & 664, 169c; 2000) Оцінка виходу нейтронів при поділі Відомо, що ядра 235 U мають 86% ймовірність розподілу: 235 U (n, f) продуктів поділу + 200 МеВ/енергія поділу та 2,493 нейтрони. Якби ділення не супроводжувалося вищезазначеним випромінюванням нейтронів, при діленні 500 енергія виділялася б при 500. Прискорювач міг перетворити це на 45000x0 45 = 19800 МеВ енергії протонного пучка з ефективністю 45%, що у випадку з протоном 1600 МеВ може призвести до утворення 19800/1600 = 12,375 протонів.

40 нейтронів/протонів (рис. 2), отже, генерується 12 375x40 = 495 нейтралів, що розростаються, що становить 495x0,86

Це може спричинити розщеплення 425,7 235 U. Якщо розглядати утворення реальних 2493 нейтронів за ділення замість 0, то кількість нейтронів ділення: 500x2.493 = 1246,5 н і кількість нейтралів, що розростаються: 495 н 1741,5; і 1741,5/500 3,483 нейтронів/поділ. Це 3,483-2,493

1 надлишок нейтронів може бути використаний для спалювання довговічних ядерних відходів, що також призводить до значного надлишку виробництва енергії. 6

3.1. Основне обладнання для спалювання A) Схеми прискорювачів протонів Інжектор 300 МГц 600 МГц RFQ DTL (CCL = зчеплений порожнин Linac) 80 кев 7 МеВ 100 МеВ 2300 однопорожнинний резонатор 1000 МеВ ------ 15 м ------ - -------- 60 м --------- ------------------------------ - - 530 м -------------------------------- Рисунок 3. Структурна схема прискорювача протону струмом пучка струмом 1 мкв (100 м) (Казарицький та ін., Nucl. Instr. Meth. A414, 21, 1998). LAMPF Cocroft- H + DTL 201 МГц Перетворювач CCL 805 МГц 800 МеВ Уолтон 1 м середні Інжектори H - 750 кев 100 МеВ 732 м 4276 комірка 17 м пік 0,5 10 9 ppb ATS 100 м середній RFQ радіочастотний квадруполь 20 років технологія 1,5 10 9 ppb DTL Drift-Tube Linac після розробки CCL Coupled-Cavity Linac GTA 350 МГц, 125 м 1600 МеВ 700 МГц, 250 м 250 м середня Інжектор RFQ DTL воронка 250 м піковий фільтр 2,2 10 9 ppb 100 кев 2,5 МеВ 20 МеВ 40 МеВ ATW 30 м 2060 м 10275 осередок Рисунок 4. Розробка лінійних прискорювачів протонів (1972-92) у США (Bowman et al., Nucl. Instr. Meth. A320, 336; 1992). 8

Підкритична реакторна система, керована прискорювачем, показана на малюнку 3, здатна перетворювати 239 Pu та 100 кг/рік актиніду з чистотою ядерної зброї 400 кг/рік. Рисунок 4 ілюструє розвиток продуктивності акселератора в США за 20 років. Б). Джерела нейтронів, що розростаються. Дані про потужність робочих джерел нейтронів, що розростаються, та деякі дані двох обладнання, що будуються (ESS, AUSTRON), можна побачити на рисунку 5. Вони призначені насамперед для задоволення потреб різних дисциплін. Спалювання ядерних відходів та робота докритичних електростанцій сприяють прискорювачам дуже високої інтенсивності та джерелам спалації. Енергія імпульсу (кДж) 100 80 60 40 20 0 ISIS 2 Великобританія ISI S 2 Великобританія 0,36 МВт Austron 0,5 МВт JHF Японія 0,6 МВт SNS США 1,0 МВт ESS 5,0 МВт Сила джерела (МВт) Часові шкали ESS (E) його створення 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 09 2010 Попереднє дослідження Kivit.-tan. Дослідження та розробка Проектування Будівництво Введення в дію протону: (E)

1,95 10 15 об/хв; n-рідини (пік): (E)

2,6 10 16 н/см 2; (THE)

7,5 10 15 н/см 2; тривалість протонного імпульсу: (E) Ще більш значного згоряння можна досягти за допомогою джерела з потоком 10 19 γ/см 2 с, яке, можливо, можна було б розробити за допомогою гамма-лазера у віддаленому майбутньому. 99,4% Рисунок 13. Трансмутація продукту ділення 137 Cs, (Бородіна та співавт., Препринт НПІ МГУ - 98-41/52. З наведеного рисунку видно, що зменшення внаслідок самочинного розпаду = 0,6% за 3 місяці, тоді як кількість 137 Ядра Cs внаслідок опромінення З продуктів розпаду чудовим є лише 2-річний період напіввиведення 134 Cs.

4. УТВОРЕННЯ ТА АКУМУЛЯЦІЯ ЯДЕРНИХ ВІДХОДІВ 4.1. Вироблення продуктів поділу в 1 т відпрацьованого палива (33 МВт/кг) [г/т] [год.] [Рік T 1/2] [г/т] 1) 99 1) 2) Тс 210 000 810 99 Tc 2) 135 Cs 3 000 000 360 135 Cs 3) 129 I 16 700 000 170 Рисунок 14 Урожайність [г/т] 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 Продукти поділу 4.2. Актиноїди в 1 т відпрацьованого палива (33 МВт/кг) [г/т] [Закон] [Т 1/2, рік] [г/т] 1) 239 Пу 24 400 5450 * 2) 237 Нп 2100000450 3) 243 Am 7 400 100 4) 245 Cm 8 500 1,2 * Загальний Pu: 9 700 г/т Урожайність [g/t] 600 400 200 0 1/10 x1 0 1 2 3 4 Pu-239, Np- 237, Am-243, Cm-245 4.3. Накопичення: 880 т до 1992 р., 90 т/рік у 1993 р. Пу виробляв 350 ГВт електроенергії. На 2015 рік прогнозується накопичення 250 000 тонн ядерних відходів (2000 тонн Pu), передбачаючи виробництво електроенергії у 1998 році. Розподіл за регіонами:

(1/3) США 70 000 т корпусу. Pu> 500 т; > (1/3) Росія (СНД);