Реакторы-самоеды вряд ли появятся в железе в обозримом будущем, так как эта концепция выдвигает чрезмерные требования к конструкционным материалам. Но несмотря на это, процесс защиты интеллектуальной собственности по таким установкам набирает обороты.

Профессиональный сайт Nuclear Street в очередном обзоре патентных новинок в Соединённых Штатах, затрагивает тему быстрого бридера "Searete" с "путешествующей волной" - реактора, называемого в отечественной литературе самоедом.

Самоеду для подпитки не требуется обогащённый уран или плутоний. Разумеется, определённое количество делящегося материала загружается в него перед первой кампанией - так называемая запальная зона. В дальнейшем в реактор добавляется только природный или даже обеднённый уран, а его критичность поддерживается за счёт конверсии в зоне ²³⁸U в ²³⁹Pu.

В некоторых модификациях самоедов подгрузка сырьевых изотопов не требуется, и всё необходимое для работы реактора в течение всего срока службы количество ²³⁸U с самого начала размещается в активной зоне

Главное преимущество самоедов перед традиционными быстрыми реакторами, работающими в замкнутом топливном цикле, заключается в отсутствии нужды для внешних производств по переработке ОЯТ. Главный недостаток - необычайно высокие флюенсы и с.н.а., набираемые в топливных и конструкционных материалах к концу кампании топлива. Материалов, надёжно доказавших бы свою работоспособность при таких параметрах, в настоящее время не существует.

В Соединённых Штатах подана заявка №20090252273 на патент, в котором описывается быстрый бридер-самоед, способный работать 50-100 лет без частичных перегрузок. Он использует принцип, названный в заявке как "волна горения" (deflagration wave). Процесс энерговыделения в бридере перемещается за время жизни реактора из одной части активной зоны в другую, вовлекая в цепную реакцию загруженные запасы сырьевых изотопов.

Принцип "волны горения" может быть легко пояснён на примере горения сигареты - курильщик поджигает кончик сигареты, и огонь постепенно приближается к её началу, уничтожая по пути запасы табака и производя конечный продукт (в данном случае, дым, насыщенный никотином).

Но любая аналогия хромает, и наш случай - не исключение. Между принципами действия самоеда и сигареты есть принципиальная разница, так как в сигарете исходно хранится весь запас "топлива" (табака), нужный для её работы, а в самоеде топливо сначала создаётся путём поглощения нейтронов в сырьевых изотопах.

Конечно, можно обойтись и без бридинга и загрузить в обычный легководный реактор ²³⁵U в количестве, достаточном для беспрерывной работы блока в течение нескольких десятилетий. Оставив в стороне вопросы о материалах и о способности оборудования блока обходиться столь длительное время без ремонта и обслуживания, отметим только, что в таком аппарате потребуется существенное - мягко говоря! - утяжеление системы управления для компенсации огромной избыточной реактивности. По этой причине, самоеды всё-таки рассматриваются только в бридерном исполнении. - AtomInfo.Ru.

Автор американской заявки на патент Джон Джилланд (John Gilleland) говорит, что на самом деле внутри бридера "Searete" путешествуют две волны, а не одна. Первая волна - это волна воспроизводства, волна накопления плутония из ²³⁸U. Вслед за ней движется волна выгорания, по фронту которой происходит сжигание плутония, наработанного при проходе первой волны.

Физика процесса понятна. Как только на фронте первой волны появляется достаточная концентрация плутония, в этом месте интенсифицируются реакции деления, которые начинают сжигать плутоний - то есть, приходит волна выгорания. Образующиеся при делении избыточные нейтроны бомбардируют находящиеся по соседству нетронутые запасы ²³⁸U, и волна накопления плутония делает очередной шаг вперёд.

На схематичной картинке из американской патентной заявки принцип работы реактора объясняется следующим образом. В центре реактора расположена запальная зона 300, содержащая делящийся материал - высокообогащённый уран. Для пуска реактора должен быть задействован линейный ускоритель. Он нужен для того, чтобы обстрелять пучком протонов промежуточные мишени, из которых появятся необходимые для старта СЦР нейтроны.

Как только запальная зона будет "подожжена" - то есть, в реакторе начнётся самоподдерживающаяся реакция деления - стартует процесс накопления плутония 304 и образуется фронт выгорания 302. Волны должны двигаться в пределах структуры 310, содержащей достаточное количество сырьевых изотопов для работы самоеда в течение всего требующегося срока.

Естественно, что линейный ускоритель, который играет в концепции роль пускового источника, будет нужен один единственный раз - только при пуске реактора.

Будем надеяться, что сущность поданной в США заявки сводится к защите именно комбинации использования пускового ускорителя и принципа волн накопления и выгорания. В противном случае, заявку придётся сравнить с попытками запатентовать смайлик или кириллический алфавит, так как первые упоминания о реакторах-самоедах были сделаны на международных конференциях в середине XX века. - AtomInfo.Ru.

Компания "Searete, LLC", поддерживающая заявку №20090252273, хотела бы запатентовать и топливо, которое могло бы оказаться полезным для самоедов. В патентной заявке №20090252283, описывается "топливная пена" с большим содержанием пустот.

Пустоты (80) по своему суммарному объёму позволяют удерживать все образующиеся в процессе деления газообразные осколки.

В тепловых энергетических реакторах, эксплуатирующихся в настоящее время, проблему распухания привыкли решать путём создания между топливом (70) и внешней оболочкой (50) газового зазора. Однако в этом случае осколки от теплоносителя отделяются одной лишь стенкой, что приводит на практике к постоянному выходу осколков в теплоноситель через неплотности и создаёт риск серьёзного радиоактивного инцидента при массовой разгерметизации твэлов.

В патентной заявке №20090252273 предлагается решить проблему выхода осколков из топливного элемента за счёт создания внутренних пустот. На них возложена и другая задача, на сей раз, прочностного характера. Расширение топливной композиции при нагревании будет происходить в топливной пене внутрь пустот, а прирост внутреннего давления на оболочку (50) топливного элемента значительно уменьшится - то есть, топливная пена распухнет внутрь, а не наружу.

Материал, из которого может производиться пена - сплавы или оксиды урана, плутония или тория.

Авторы обеих американских заявок понимают, что ждать реального появления реакторов-самоедов в сколь-либо обозримом будущем не приходится, но, тем не менее, намерены довести процесс патентования до конца.

Если же, всё-таки, найдётся компания или организация, готовая инвестировать в самоеды, то ей придётся для начала получить экспериментальное подтверждение возможности создания волн накопления и выгорания, потому что до сих пор их можно видеть только в распечатках с результатами расчётов, полученных по компьютерным кодам.

ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru

ДАТА: 22.10.2009

Темы: ЯТЦ, Быстрые натриевые реакторы, США