Способ трансмутации радиоактивных отходов и устройство для его осуществления

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ТРАНСМУТАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Аншаков Олег Матвеевич Сорокин Владимир Николаевич Уголев Игорь Иванович Чуркин Юрий Иванович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Способ трансмутации радиоактивных отходов, при котором в цилиндрической активной зоне осуществляют размножение нейтронов исходного потока с энергией 14 МэВ от нейтронного генератора на свинцовой матрице с распределенным бериллием, последующее размножение нейтронов на свинцовой матрице с распределенными ядерным топливом и радиоактивными отходами, с трансмутацией последних замедление и размножение нейтронов в подкритической тепловой зоне и трансмутацию радиоактивных отходов,содержащихся в указанной зоне. 2. Устройство для осуществления трансмутации радиоактивных отходов, содержащее генератор нейтронов с энергией 14 МэВ, мишень которого размещена в полости зоны из свинца, выполненной цилиндрической, с распределенным в ней бериллием свинцовую матрицу, выполненную в форме кольца вокруг зоны из свинца, с распределенными в ней ядерным топливом и радиоактивными отходами водородосодержащую подкритическую тепловую зону с радиоактивными отходами, окружающую свинцовую матрицу свинцовые торцевые отражатели быстрой зоны, включающей зону из свинца и свинцовую матрицу, и торцевые и радиальные отражатели тепловой зоны из водородосодержащего замедлителя. 11944 1 2009.06.30 Изобретение относится к атомной энергетике, в частности, к производству энергии,трансмутации радиоактивных отходов, выжиганию оружейного плутония и актинидов. Известен способ трансмутации радиоактивных отходов (РАО), заключающийся в использовании нейтронов, полученных в результате взаимодействия пучка нейтронов от нейтронного генератора с центральной свинцовой мишенью с последующим замедлением и размножением их в подкритической тепловой зоне, где формируется тепловой спектр нейтронов, которые используются для трансмутации радиоактивных отходов 1. Недостатками способа являются 1) неэффективное использование нейтронов высокой энергии (14,1 МэВ) от нейтронного генератора в целях трансмутации радиоактивных отходов, т.к. значительная часть генерируемых в свинце нейтронов с энергией спектра деления и ниже поглощаются в свинце 2) трансмутация радиоактивных отходов происходит только в тепловом спектре нейтронов. Известно устройство для реализации данного способа 1. Устройство состоит из нейтронного генератора 3, центральной свинцовой мишени, окружающей ее тепловой зоны с ядерным топливом, водородосодержащим замедлителем и радиоактивными отходами. Недостатками устройства являются низкая эффективность использования нейтронов от нейтронного генератора и трансмутация радиоактивных отходов только в тепловом спектре нейтронов. Известен способ трансмутации радиоактивных отходов с помощью нейтронов, полученных в результате взаимодействия нейтронов от нейтронного генератора со свинцовой матрицей с распределенным в ней ядерным топливом с последующим замедлением и размножением их в тепловой зоне. В этом способе трансмутация радиоактивных отходов происходит в быстром и тепловом спектрах нейтронов 2. Этот способ наиболее близок по технической сущности к заявляемому и поэтому принят в качестве прототипа. Однако по причинам применения ядерного топлива для размножения нейтронов от нейтронного генератора в области энергий нейтронов выше энергии спектра деления и равномерного распределения ядерного топлива в свинцовой матрице этот способ обладает следующими недостатками 1) использование делящихся материалов для воспроизводства нейтронов в области высоких энергий (14 МэВ) неэффективно вследствие малого сечения делящихся материалов в этой области. 2) образование новых радиоактивных отходов в ядерном топливе при делении. Наиболее близким к заявляемому является устройство для реализации данного способа 2. Это устройство состоит из нейтронного генератора 3, свинцовой матрицы с распределенным в ней ядерным топливом и радиоактивными отходами, окружающей ее в радиальном направлении тепловой зоны с водородосодержащим замедлителем, ядерным топливом и радиоактивными отходами, радиальным отражателем и биологической защитой. Недостатками данного устройства являются 1) образование новых радиоактивных отходов в ядерном топливе при его делении 2) неэффективное использование ядерного топлива равномерно распределенного в свинцовой матрице для размножения нейтронов от нейтронного генератора в области энергией 14 МэВ до спектра деления. Задачей изобретения является создание способа трансмутации радиоактивных отходов,обеспечивающего увеличение эффективности использования нейтронов для трансмутации радиоактивных отходов разных типов и уменьшение образования новых радиоактивных отходов. Поставленная задача решается тем, что способ трансмутации радиоактивных отходов,при котором в цилиндрической активной зоне осуществляют размножение нейтронов ис 2 11944 1 2009.06.30 ходного потока с энергией 14 МэВ от нейтронного генератора на свинцовой матрице с распределенным бериллием, последующее размножение нейтронов на свинцовой матрице с распределенным ядерным топливом и радиоактивными отходами, с трансмутацией последних замедление и размножение нейтронов в подкритической тепловой зоне и трансмутацию радиоактивных отходов, содержащихся в указанной зоне. Предлагаемый способ реализуют с помощью устройства для осуществления трансмутации радиоактивных отходов, содержащее нейтронный генератор с энергией 14 МэВ,мишень которого размещена в полости зоны из свинца, выполненной цилиндрической, с распределенным в ней бериллием свинцовую матрицу, выполненную в форме кольца вокруг зоны из свинца, с распределенными в ней ядерным топливом и радиоактивными отходами водородосодержащую подкритическую тепловую зону с радиоактивными отходами, окружающую свинцовую матрицу свинцовые торцевые отражатели быстрой зоны,включающей зону из свинца и свинцовую матрицу, и торцевые и радиальные отражатели тепловой зоны из водородосодержащего замедлителя. Описанный способ позволяет увеличить выход вторичных нейтронов в области высоких энергий, когда в свинцовой матрице ядерное топливо заменено на бериллий. Увеличение выхода вторичных нейтронов происходит в результате того, что сечение реакции(, 2) в 2,5 раза больше сечений реакций (, 2) деления урана-235 при энергии нейтронов 14 МэВ и только при энергии близкой к спектру деления урана-235 становится больше сечения реакции (, 2) на бериллии. Замена части ядерного топлива на бериллий уменьшает образование радиоактивных отходов в быстрой активной зоне. Эффективность трансмутации радиоактивных отходов увеличивается за счет уменьшения образования новых радиоактивных отходов при делении ядерного топлива, так как общее количество топлива уменьшено в результате замены части ядерного топлива на бериллий, замены прямоугольной активной зоны на цилиндрическую, что на 10 снижает загрузку ядерного топлива. Использование бериллия вместо ядерного топлива в области энергий 14 МэВ увеличивает количество генерируемых вторичных нейтронов, что также ведет к увеличению эффективности трансмутации радиоактивных отходов. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2. На фиг. 1 представлено продольное сечение устройства, на фиг. 2 - поперечное сечение А-А фиг. 1. Устройство состоит из нейтронного генератора 1, составной частью которого является ионопровод 2 и тритиевая мишень 3, где образуются нейтроны, центральной свинцовой зоны 4, окружающей ее по торцам и радиусу зоны бериллия с распределенными в ней радиоактивными отходами 5, тепловой зоны 6, состоящей из ядерного топлива, замедлителя и РАО, радиального 7 и торцевых 8 отражателей из бериллия, тепловой зоны и свинцового отражателя быстрой зоны 9. Пример работы устройства для осуществления способа трансмутации радиоактивных отходов. Нейтроны, с энергией 14,1 МэВ, интенсивностью 1,51012 нейтронов в секунду, вылетающие в 4-геометрии из мишени 3, являющейся составной частью генератора 1, поступают в зону свинца 4, окружающую мишень. Зона свинца 4 имеет цилиндрическую форму высотой 500 мм и диаметром 300 мм с полостью, куда помещается мишень 3. В свинце и бериллии происходит вторичная генерация нейтронов за счет реакции (,2), причем сечение на бериллии в 15 раз выше, чем на свинце. Зона 5 состоит из матрицы свинца с распределенным в ней ядерным топливом и радиоактивными отходами и представляет собой кольцо с внутренним диаметром 300 мм,внешним диаметром 600 мм и высотой 500 мм. В этой зоне нейтроны размножаются при делении ядерного топлива и формируется спектр нейтронов деления, которые и вызывают трансмутацию радиоактивных отходов. Нейтроны из зоны 5 попадают в тепловую зону 6, где замедляются до тепловых энергий, размножаются при делении ядерного топлива и вызывают трансмутацию радиоактивных отходов. 3 11944 1 2009.06.30 Тепловая зона собрана из полиэтиленовых блоков размером 808051 мм с 16 отверстиями для тепловыделяющих элементов с низкообогащенным топливом. Часть отверстий в блоках предназначена для размещения контейнеров с радиоактивными отходами. В качестве замедлителя также может быть использован другой водородосодержащий замедлитель - гидрид циркония, вода. Тепловая зона окружена торцевым и радиальным отражателем из полиэтилена или другого водородосодержащего замедлителя. Отражатели увеличивают эффективность использования нейтронов для трансмутации радиоактивных отходов. Свинцовые торцевые отражатели быстрой зоны уменьшают утечку нейтронов из зоны также увеличивают эффективность трансмутации радиоактивных отходов. Таким образом, заявляемый способ трансмутации радиоактивных отходов и устройство для его осуществления позволяет повысить эффективность процесса трансмутации за счет замены топлива на вещество с размножающими свойствами без деления (реакция , 2) и, соответственно, за счет уменьшения образования новых радиоактивных отходов. Источники информации 1...- -. / . 3 . .-(99), 1999, ,. 2. Патент 2212072 МПК 21 9/28,21 1/06, опубл. 10.09.2003. 3. Нейтронный генератор НГ-12-1 - базовая установка для проведения исследований в нейтронном спектре НАН Беларуси. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4