Управляемая ускорителем ядерная система с регулированием эффективного коэффициента размножения нейтронов

Управляемая ускорителем ядерная система с регулированием эффективного коэффициента размножения нейтронов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к управляемым системам с ускорителем (УСУ).

В последние годы во всем мире проявляется значительно интерес к подкритическим реакторам с управляемым ускорителем, например, для ядерных реакторов сжигания трансурановых (ТРУ), реактора-размножителя на основе тория и для увеличения производства электроэнергии (УПЭ), которые описаны в документе WO 95/12203.

Уровень техники

В подкритической системе коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, и для обеспечения разветвленной цепной реакции, в частности, можно использовать дополнительные нейтроны, которые получают с помощью внешнего протонного ускорителя. Подкритическая система оказывается особенно выгодной в тех областях применения, где существует гораздо более слабый вклад эффективных запаздывающих нейтронов, чем в традиционном ядерном реакторе с водой под давлением (РВД), небольшой или неблагоприятный доплеровский температурный коэффициент, а также, возможно, положительный коэффициент пустотности, в зависимости от условий охлаждающего агента. Подкритический режим является особенно полезным в случае быстрого реактора-размножителя на основе изотопа U-238, или теплового, или быстрого реактора-размножителя на основе изотопа Th-232, поскольку в этом случае для завершения процесса необходим не один нейтрон, а два: один нейтрон для производства расщепляющегося вещества и второй - для расщепления дочерних элементов, лишь немного меньше, чем размножение нейтронов, благодаря расщеплению.

Как хорошо известно, в подкритической системе коэффициент размножения нейтронов k представляет собой среднюю вероятность того, что данный нейтрон ядра может продолжать цепную реакцию. Тогда результирующее среднее количество вторичных нейтронов, полученных за счет каскада, исходя из каждого нейтрона, поступающего от внешнего управляемого ускорителя, определяется уравнением:

k+k2+k3+…=k/(l-k)=-1/ρ, где (означает, так называемую избыточную реактивность. В подкритической системе существует условие ρ<0.

В размножение нейтронов подкритической системы дают вклад два компонента, а именно, мгновенный вклад k_p, благодаря мгновенным нейтронам деления, и вклад k_d, обусловленный запаздывающими нейтронами, генерированных очень малой частью β_эф осколков деления, которые генерируют нейтроны через несколько секунд после протекания начального расщепления с коэффициентом k=k_р+k_d. В течение времени запаздывания эти нейтроны не являются свободными нейтронами: они "заранее накапливаются" в ядре (таком как Kr-87), и во время указанного краткого периода они не подвергаются какому-либо заметному замедлению или поглощению. Явление накапливания указанных нейтронов увеличивает эффективное время отклика.

В таблице 1 показаны 6 семейств распада осколков деления, излучающих запаздывающие нейтроны, для U-233, U-235 и Pu-239 расщепляющихся актинидов. Для каждого семейства приведены данные экспоненциального времени жизни для нейтронного излучения и интенсивности частичного деления, как для быстрых (незамедленных) нейтронов (β_быст), так и тепловых нейтронов (β_теп). Для каждого исходного состояния актинида данные значительно различаются.

Как видно из таблицы 1, в случае расщепляющихся элементов U-233, Pu-239 и U-235 для типичных семейств период запаздывающих нейтронов изменяется приблизительно от одной секунды до одной минуты в зависимости от состава расщепляющихся актинидов. Конечно, независимо от источника, как направляемые лучом внешние нейтроны, так и запаздывающие нейтроны в последующем подвергаются размножению.

Таблица 1.
Экспоненциальные семейства запаздывающих нейтронов (н.) для различных делящихся ядер
Элемент	№группы	Время жизни быстрых н. (1/λi), c	Относительный выход быстрых н.βi/β	Время жизни тепловых н. (1/λi) с	Относительный выход тепловых н. βi/β
233-U	1	80,00	0,096	79,37	0,086
2	27,78	0,208	29,67	0,299
3	7,25	0,242	7,19	0,252
4	ЗД4	0,327	3,08	0,278
5	0,82	0,087	0,88	0,051
6	0,32	0,041	0,40	0,034
сумма	βбыст=0,0026	βтеп=0,0026
235-U	1	78,74	0,038	80,65	0,0330
2	31,55	0,213	32,79	0,2190
3	8,70	0,188	9,01	0,1960
4	3,22	0,407	3,32	0,3950
5	0,71	0,128	0,88	0,1150
6	0,26	0,026	0,33	0,0420
сумма	βбыст=0,0064	Втеп=0,0067
239-Ru	1	77,52	0,038	78,13	0,035
2	32,15	0,280	33,22	0,298
3	7,46	0,216	8,06	0,211
4	3,02	0,328	3,08	0,326
5	0,79	0,103	0,89	0,086

	6	0,31	0,035	0,37	0,044
сумма	βбыст=0,0020	βтеп=0,0022

Обычно используются различные единицы реактивности, среди которых имеется "доллар" ($). Доллар определяется как варьирование Δk коэффициента размножения нейтронов k, который точно равен вкладу запаздывающих нейтронов, а именно, Δк=β_эфф, причем "цент" равен сотой части доллара. Фактическими значениями являются 1 $=2,1·10^-3 для U-233, 1 $=2,9·10^-3 для Pu-239 и 1 $=2,1·10^-3 для U-235.

Можно видеть, что каждый изотоп дает вклад различного числа запаздывающих нейтронов в любой фактической топливной смеси. Поэтому целесообразно определить величину β_эфф для реакторной системы:

где: β_эф(i) означает долевой вклад в общее расщепление изотопа (i) в смеси n изотопов, присутствующих в реакторе. Отмечается, что Р_эф(1) изменяется во времени вследствие работы реактора и радиоактивного распада;

β_эф (i) означает вклад запаздывающих нейтронов для изотопа (i).

С 50-х годов интенсивно разрабатывается теория подкритических систем для ядерного топлива. Сравнительно недавно, с появлением усилителя мощности и концепции УСУ, в значительной степени был экспериментально исследован ряд подкритических устройств с практически нулевой мощностью, среди которых эксперименты на фирме FEAT в ЦЕРНе (Швейцария), MASURCA в Кадараше (Франция) и ф. Ялина в Минске (Беларусь).

В указанных экспериментах был подробно описан ряд способов идентификации параметров, относящихся к реактивности. Главным образом, указанные способы основаны на использовании кратковременного импульсного источника с лучом малого энергопотребления (например, с конфигурацией импульса Дирака). В этих способах выделяется очень малое количество энергии расщепления, и отсутствуют заметные изменения температуры. Способы соответствуют задачам калибровки и оценкам реактивности. Однако указанные исследования не полностью соответствуют определению практического мониторинга реактивности, причем необходимы методики регулирования с обратной связью для работы промышленной, системы большой мощности, управляемой с помощью ускорителя, где, напротив, луч обладает большой мощностью и является непрерывным, то есть, аналогично методам регулирования традиционного критического реактора.

В отличие от вышеупомянутых устройств с почти нулевой подкритической энергией, в укрупненных электростанциях, ориентированных на промышленное производство энергии (или критических, или подкритических), изменения температуры играют фундаментальную роль. В системе большой мощности наиболее существенным механизмом обратной связи для реактивности является Доплеровский эффект, который зависит от мгновенного распределения температуры в активной зоне топлива. При нагревании материала, уширяются резонансы в поперечном сечении, таким образом, изменяется вероятность протекания реакции, и поэтому изменяется коэффициент размножения нейтронов k. Существенным параметром является так называемый температурный коэффициент, определяемый как Δk_T=dk/dT (в единицах К^-1), где Т означает абсолютную температуру каждого элемента топлива. Фактически значение (Δk_T)=(dk/dT), соответственно усредненное по всему объему реактора, сильно зависит от характера элементов, входящих в состав активной зоны. Значение температурного коэффициента может быть или положительным или отрицательным, в зависимости от состава и геометрии топлива и материалов охлаждающего агента.

Изменения температуры также влияют на поведение охлаждающего агента и на геометрическую структуру активной зона в целом. Когда температура возрастает, происходит уменьшение плотности охлаждающего агента ρ(Т), этому соответствует уменьшение количества захваченных нейтронов и геометрическое увеличение параметра решетки. Соответственно изменяется спектр нейтронов и, следовательно, коэффициент размножения нейтронов k за счет так называемого коэффициента пустотности dk/(dρ/ρ), с помощью которого вводятся изменения, суммированные для температурного коэффициента dk/dT, и за счет изменения "выпучивания" вследствие геометрического расширения.

В традиционном критическом реакторе изменение (не фактического значения) произведенной энергии во времени управляется путем регулирования коэффициента размножения нейтронов k в зависимости от времени. Затем реактор эксплуатируется в критическом режиме самогенерирующейся энергии с коэффициентом k~1. Оператор непосредственно определяет направление и скорость движения управляющего стержня, то есть, эффективно определяет вторую производную от уровня мощности. Мгновенное превышение k больше единицы никогда не должно превышать 1 $, так как критический реактор управляется только по степени вклада запаздывающих нейтронов, причем скорость изменения мощности остается на приемлемо малом уровне. В указанных условиях скорость изменения определяется наличием запаздывающих нейтронов с целью обеспечения достаточного времени для механического регулирования самогенерирующейся энергии с помощью управляющих стержней. Например, в стандартном реакторе РВД, увеличение критического коэффициента на 1/1000 выше значения k=1 может привести к росту совокупности нейтронов приблизительно на 0,9% в секунду, что оставляет достаточно времени для исправления критического коэффициента с помощью управляющих стержней, до того как произойдет чрезмерное увеличение скорости реакции. Если значение (k-1) превышает весь вклад, обусловленный запаздывающими нейтронами, реактор "мгновенно" становится критическим, с наиболее тяжелыми последствиями. Время жизни нейтрона обычно будет порядка нескольких микросекунд, причем для критического коэффициента, превышающего мгновенное значение всего лишь на 1/1000, скорость размножения будет возрастать в (1,001)¹⁰⁰⁰~2·10⁴ раз каждую секунду!

В подкритическом реакторе энергия расщепления поступает непосредственно за счет тока протонного пучка. Это соответствует точной пропорциональности между энергией, образовавшейся за счет теплового расщепления, Р_терм и энергией пучка внешнего ускорителя Р_пучка=i_пучка·Т_р/е, где i_пучка означает протонный ток в Амперах, е представляет собой элементарный заряд протона и Т_р означает кинетическую энергию в эВ. Множитель между Р_терм и Р_пучка равен k/(1-k), который генерируется за счет ядерного каскадного процесса.

Разработка современных ускорителей допускает выработку значительного потока нейтронов путем расщепления ядра с помощью высокоэнергетического источника протонов. Расщепление в тяжелой Z мишени, например, такой как расплавленный свинец, может создавать не менее 30 нейтронов на 1 протон для пучка протонов, имеющего кинетическую энергию 1 ГэВ. Ускорители в указанном энергетическом интервале, например, или циклотроны, или сверхпроводящие линейные ускорители (СЛИУС), могут производить пучки с энергией Р_пучка, то есть, вплоть до 50% от необходимой подачи первоначального электропитания, таким образом, от ускорителя требуется только небольшая ограниченная часть электропитания, которая генерируется за счет реактора.

В предыдущих подкритических проектах значение критического коэффициента k выбирали достаточно удаленным от единицы, обычно k~0,97 или даже меньше, однако достаточным для обеспечения того, что соответствующий подкритический диапазон работоспособности гарантирован заранее, даже в весьма исключительно неблагоприятных условиях. Механизм "быстрого выключения реактора" необходим только в случае аварийной остановки и когда реактор не был в эксплуатации в течение очень длительного периода времени.

В указанных условиях (k~0,97) для подкритической УПЭ, традиционно эксплуатируемой на тепловой мощности 1,5 ГВт, требуется, например, ток i_пучка приблизительно 24 мА для протонного пучка с кинетической энергией 1 ГэВ на расщепляемой свинцовой мишени. Это является существенным технологическим прогрессом, как для самого ускорителя, так и для расщепляемой мишени.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в разработке альтернативного способа работы, который дает возможность эффективно управлять реактором в режиме большой мощности (подходит для электростанций промышленной выработки энергии), без потребности в очень большом ускорителе.

В изобретении предлагается работать в подкритических условиях, при возможно большом значении коэффициента размножения нейтронов к для того, чтобы снизить потребление энергии от ускорителя, с уменьшением его размеров, и следовательно, стоимости и сложности ускорителя.

Раскрыт способ эксплуатации УСУ в подкритических условиях. Способ включает в себя:

- наведение ускоренных частиц на расщепляемую мишень;

- размножение нейтронов из расщепляемой мишени в активной зоне, в которую загружено ядерное топливо, содержащее расщепляющийся и делящийся материал; и

- регулирование реактивности в активной зоне таким образом, чтобы поддерживать эффективный коэффициент размножения нейтронов в диапазоне выше 0,98.

Было установлено, что при эксплуатации с указанными большими значениями эффективного коэффициента размножения нейтронов k_эфф (обычно единица или несколько $ ниже критического) наблюдается совершенно другая феноменология. В отличие от традиционно рекомендованного случая k~0,97, количество нейтронов расщепления, генерируемых пучком, становится сопоставимым с долей β_эфф, обусловленной количеством запаздывающих нейтронов. Поэтому оба источника сопоставимым образом дают вклад в каскад размножения. Любые изменения протонного тока будут вызывать существенные модуляции полученной энергии расщепления, с характеристической временной диаграммой запаздывающих нейтронов, и обеспечивать точную оценку в ходе работы коэффициента размножения нейтронов k или реактивности ρ.

Эффективный коэффициент размножения нейтронов k_эфф можно управлять таким образом, чтобы он был совместимым: (а) с максимальным значением k, при котором подкритический реактор может быть приведен в действие, и (b) с наибольшим значением k, при котором можно поддерживать безопасный режим.

Например, ядерный подкритический реактор быстрого деления U-233 со значением (1-k)=3,15·10^-3 и тепловой мощностью Р_терм=1,5 ГВт можно управлять с использованием протонного пучка с кинетической энергией 1 ГэВ и током пучка i=2,0 мА, который взаимодействует с мишенью в расплавленном свинце, в полном соответствии с существующим уровнем техники ускорителей. Тогда суммарный коэффициент усиления ускорителя по мощности при (1-k)=3,15·10^-3 обычно составляет G=Р_терм/Р_пучка~750.

В целом, способ настоящего изобретения хорошо подходит для использования в промышленной выработке энергии с приемлемой энергией ускоряющего пучка, например, в диапазоне от 0,5 до 5 МВт.

В варианте осуществления, вышеуказанный диапазон эффективного коэффициента размножения нейтронов составляет выше 0,99 и ниже 0,999, таким образом, обеспечивается весьма большое усиление мощности в системе.

Реактивность в активной зоне предпочтительно контролируют в диапазоне выше - 4 $, где единица реактивности '$' указана для реакторной системы. Предпочтительный диапазон управления реактивностью в долларах находится между - 3 $ и - 0,5 $.

Работа в весьма высоком диапазоне значений к обеспечивает подходящие условия для всех основных измерений, которые необходимы для системы регулирования подкритической активной зоны с управляемым ускорителем в укрупненных электростанциях, ориентированных на промышленное производство энергии. Как в большинстве существующих ядерных реакторов, счетчики нейтронов обычно распределены в активной зоне. Тогда регулирование реактивности в активной зоне может включать:

- использование шагового изменения для уменьшения тока пучка ускоренных частиц;

- измерение варьирования скорости счета нейтронов, обеспечиваемое счетчиком нейтронов, в ответ на этап изменения тока пучка;

- оценку падения скорости счета, связанной с потерей мгновенных нейтронов вследствие указанного шагового изменения; и

- вычисление отношения оценки падения скорости счета к величине скорости счета до указанного шагового изменения.

С целью получения статистически надежной оценки падения скорости счета нейтронов при наличии изменения температуры, варьирование скорости счета преимущественно экстраполируется от момента после шагового изменения тока пучка до момента указанного шагового изменения. Экстраполированное значение в момент шагового изменения дает показание относительного уровня запаздывающих нейтронов в стационарном режиме, который непосредственно предшествует этапу изменения, что прямо относится к реактивности ρ в долларах. Отмечается, что количество нейтронов, сразу после шагового изменения тока пучка, обычно нельзя измерить непосредственно, поскольку для датчиков требуется достаточная статистика отсчетов, которая практически не может быть реализована, так как указанный "квази-стационарный" уровень поддерживается недостаточно долго вследствие: (i) ослабления запаздывающих нейтронов, связанного с потерянными нейтронами расщепления, которые уже не вызывают новых расщеплений после шагового изменения, и (ii) изменений коэффициента размножения, вызванных колебаниями температуры внутри активной зоны.

В частности, период после шагового изменения, в котором поддерживается пониженное значение тока пучка, и изменение скорости счета нейтронов измеряется для экстраполяции, может продолжаться больше 0,100 секунды или, предпочтительно, больше 1 секунды. С целью ограничения термического напряжения в структуре активной зоны, шаговое изменение соответствует только части тока пучка. Типично на этапе изменения ток пучка снижается меньше чем на 50%.

При практическом осуществлении способа ускоренные частицы, направленные на расщепляемую мишень, имеют вид непрерывного пучка частиц. Импульсный пучок не вполне подходит, поскольку слишком часто повторяющиеся, внезапные (в микросекундах) переключения полного потока протонов даже на относительно короткий период времени едва ли применимы для любого крупного реактора вследствие требований безопасности, в связи с избыточным количеством повторяющихся тепловых ударов в структуре активной зоны.

В подкритической системе с управляемым ускорителем основным элементом регулирования является изменяемость протонного тока. Обычно варьирование тока должно иметь допустимо малую скорость изменения и во всех случаях должно иметь ограниченную амплитуду. Таким образом, предпочтительно пучок частиц эксплуатируется при номинальном токе, за исключением периодов оценки реактивности в активной зоне, причем управление реактивностью включает в себя регулирование положения управляющих элементов, поглощающих нейтроны в активной зоне.

Наибольшее значение k, которое можно поддерживать, связано с ростом этого коэффициента вследствие варьирования пучка и обычно k связано с (отрицательным) температурным коэффициентом активной зоны. В частности рабочее значение k должно быть значительно удалено от критического, чтобы при неизбежном внезапном затухании пучка вследствие случайной неисправности ускорителя, так называемом "размыкании", обеспечить условие, что коэффициент k никогда не превышает единицу (1). Желательно очень быстро обнаружить "размыкание" пучка, чтобы можно было принять чрезвычайные корректирующие меры с целью предупреждения критического состояния. Падение температуры стержневых тепловыделяющих элементов после того, как произошло-исключительно внезапное "размыкание" вследствие затухания протонного пучка, является относительно быстрым, причем постоянная времени основного ослабления составляет лишь несколько секунд. В случае мгновенного и неожиданного изменения или затухания протонного тока будет автоматически активироваться мгновенное введение подвижных управляющих стержней с уменьшением реактивности ("быстрая остановка реактора"), чтобы увести реактор достаточно далеко от потенциально критических условий, еще до того, как произойдет основное изменение температуры стержневых тепловыделяющих элементов, из которых состоит реактор. Таким образом, вариант осуществления способа изобретения включает в себя: детектирование любого прерывания ускоренных частиц; и в ответ на детектирование прерывания, в активную зону вводятся поглотители нейтронов для быстрой остановки реактора. Предпочтительно поглотители нейтронов для быстрой остановки реактора вводятся в активную зону спустя период, превышающий 100 миллисекунд, предпочтительно больше 1 секунды, после детектирования прерывания ускоренных частиц. В указанный период можно регистрировать изменение скорости счета нейтронов с использованием счетчиков нейтронов, распределенных в активной зоне. Затем оценивается уменьшение скорости счета, связанное с затуханием мгновенных нейтронов вследствие прерывания, чтобы получить значение реактивности на основе отношения вычисленного уменьшения скорости счета к скорости счета нейтронов до прерывания.

С целью поддержания стабильных условий эксплуатации активной зоны при работе пучка частиц с номинальным значением тока (за исключением фаз оценки реактивности в активной зоне), управление реактивностью может включать:

- непрерывный мониторинг скорости счета нейтронов, обеспечиваемый счетчиком нейтронов, распределенных в активной зоне; и

- в ответ на детектирование состояния отклонения наблюдаемой скорости счета, проводится операция оценки реактивности в активной зоне.

Это дает возможность проверить стабильность работы и получить оценку реактивности (в связи с ослаблением пучка, вызванным колебаниями температуры) только в случае, когда необходимо убедиться, что нужны (или не нужны) некоторые действия для коррекции реактивности (такие как перемещение управляющих стержней).

[0036] Другой вариант, который может сочетаться с предыдущим, заключается в периодическом проведении операции оценки реактивности. Однако периодичность таких операций должна быть достаточной (обычно больше чем 1 час), чтобы минимизировать термическое напряжение в активной зоне.

Кроме того, предпочтительно, чтобы случайное событие "размыкания" пучка было весьма ограниченным (по сравнению с обычными условиями в традиционном протонном ускорителе), чтобы избежать повторных тепловых ударов в структуре активной зоны. Они могут быть предотвращены путем введения соответствующих дополнительных мер для всех компонентов, связанных с ускорителем. Например, ускоренные частицы могут поступать из комплекса ускорителя, имеющего избыточные компоненты для обеспечения непрерывности тока пучка.

В частности, устройство ускорителя может иметь, по меньшей мере, одну ускоряющую структуру с множеством установленных последовательно ускоряющих резонаторов, чтобы получить соответствующие приращения энергии. Если приращение энергии в одном из резонаторов утрачено, потерянную энергию перераспределяют между другими резонаторами с использованием ускоряющих фаз высокочастотных колебаний. Кроме того, устройство ускорителя может иметь множество ускоряющих структур, и в случае неисправности одной из ускоряющих структур, увеличивается ток пучка, по меньшей мере, в одной другой ускоряющей структуре с целью поддержания суммарного тока ускоренных частиц. В одном варианте осуществления два пучка частиц из множества ускоряющих структур подвергаются латеральному объединению выше расщепляемой мишени по ходу пучка с использованием магнитной структуры и перегородки. Указанные два пучка частиц могут включать первый протонный пучок и пучок отрицательных ионов, имеющий такую же кинетическую энергию, причем электроны отрываются из пучка отрицательных ионов, давая второй протонный пучок, объединенный с первым протонным пучком выше расщепляемой мишени по ходу пучка.

Другой замысел изобретение относится к подкритической ядерной системе, управляемой ускорителем, которая включает в себя:

- по меньшей мере, один ускоритель частиц (один находится в эксплуатации, в случае необходимости, есть дополнительный ускоритель в состоянии ненагруженного резерва);

- расщепляемую мишень, принимающая ускоренные частицы;

- активную зону, рядом с расщепляемой мишенью, в которую загружают ядерное топливо, содержащее делящийся материал;

- контур охлаждающего агента для рекуперации тепла из активной зоны;

- счетчики нейтронов, распределенные в активной зоне; и

- систему управления, работающую вместе со счетчиком нейтронов, для регулирования реактивности, таким образом, чтобы поддерживать эффективный коэффициент размножения нейтронов на уровне выше 0,98.

Другие признаки и преимущества способа и устройства, раскрытые в изобретении, станут понятны из следующего описания не ограничивающих вариантов осуществления, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 представляет собой принципиальную схему активной зоны подкритического реактора, которая может быть использована для осуществления способа согласно изобретению.

На фигуре 2 приведена зависимость типичного выхода нейтронов расщепления для каждого протона, падающего на плотную мишень расплавленного свинца, от энергии протона.

На фигуре 3 схематически показан пример устройства протонного ускорителя, включающего запасное резервное оборудование, которое может быть использовано для осуществления изобретения.

Фигура 4 иллюстрирует альтернативный пример устройства ускорителя.

На фигуре 5 графически представлена величина вклада уцелевших запаздывающих нейтронов, сразу после этапа снижения протонного тока, в зависимости от числа $, вдали от замедленного критического состояния.

На фигуре 6 графически представлены различные условия эксплуатации в зависимости от суммарного коэффициента k размножения нейтронов, или числа $, для случая реактора-размножителя на основе U-233.

На фигуре 7 графически представлена величина счета нейтронов в условных единицах (ус.ед.) в зависимости от времени после "размыкания" пучка в момент t=0.

На фигуре 8 графически представлена величина счета нейтронов в условных единицах в зависимости от времени после 30% шагового изменения тока пучка в момент t=0.

Осуществление изобретения

Цели, признаки и преимущества изобретение теперь будут продемонстрированы более подробно с помощью следующего описания предпочтительных вариантов осуществления. Кроме того, другие цели и преимущества станут понятными из обсуждения следующего описания и прилагаемых чертежей. Все указанные конкретные примеры представлены лишь с целью иллюстрации, а не для ограничения объема изобретения.

В УСУ, схематически представленной на фигуре 1, нейтроны расщепления генерируются в мишени 101, расположенной области центра активной зоны реактора 100, путем наведения высокоэнергетических частиц, таких как протоны, имеющих кинетическую энергию порядка 1 ГэВ, на тяжелые ядра, образующие мишень. Среди различных материалов, подходящих для расщепляемой мишени, предпочтительно используется свинец по причине высокого выхода нейтронов при атаке свинца высокоэнергетическими протонами. Кроме того, свинец в жидкой фазе можно использовать в качестве охлаждающего агента для извлечения тепловой энергии из активной зоны. Другие элементы, в том числе висмут, имеют привлекательные свойства для использования в качестве расщепляемых мишеней.

Типичная активная зона 100, показанная на фигуре 1, имеет оболочку 102, в которой содержится жидкий свинец. Область центра 101 активной зоны, где формируется указанная выше расщепляемая мишень, окружена топливными блоками 103. Ядерное топливо содержит продуктивные элементы, такие как Th-232 или U-238, которые могут воспроизводить расщепляющиеся элементы (U-233 или Pu-239) после захвата нейтронов. Расщепляющийся элемент может подвергаться делению путем взаимодействия с другим нейтроном. Мгновенные и запаздывающие нейтроны, образовавшиеся при реакции деления, наряду с новыми нейтронами расщепления из мишени, продолжают процесс воспроизводства и расщепления топлива. Суммарный коэффициент k размножения нейтронов поддерживается ниже единицы, чтобы избежать критического состояния.

В конфигурации, продемонстрированной на фигуре 1, топливные блоки 103 погружены в расплавленный свинец, который нагревается за счет переноса кинетической энергии от осколков деления. В оболочке предусмотрены один или несколько теплообменников 104 для извлечения тепла из свинцового охлаждающего агента. Вторичный контур, например, основан на водяном паре, который приводит в действие турбину. Падающий пучок протонов 105 поступает в область центра 101 мишени в активной зоне через окно 106 для пучка, которое расположено в конце канала 107 для пучка. Компоновка активной зоны 100 в основном может быть такой же, как описано в документе WO 95/12203, в котором также поясняется физика процесса.

Как и в традиционных критических реакторах, счетчики нейтронов 110 распределены в топливной области активной зоны, чтобы непрерывно получать скорость счета нейтронов, являющейся характеристикой потока нейтронов внутри активной зоны. Система управляющего стержня 111 также предусмотрена в активной зоне для того, чтобы регулировать реактивность, как описано ниже. Наконец, другие стержни, поглощающие нейтроны, образуют систему быстрой остановки реактора, которая активируется при детектировании определенных условий работы.

Система управления (не показана) собирает информацию от различных датчиков, предусмотренных в устройстве ускорителя и в активной зоне реактора, включая счетчики нейтронов 110, для обеспечения работы установки, в том числе устройства ускорителя, системы 111 управляющих стержней и системы 112 поглотителя для быстрой остановки реактора. Ниже дополнительно описан способ осуществления указанного контроля.

На фигуре 2 приведена кривая зависимости среднего числа нейтронов расщепления, полученных за счет единственного протона в этом иллюстративном примере, поступающего в плотную мишень, выполненную из расплавленного свинца, от энергии протона.

В ряде документов уровня техники можно выбрать ускоритель. Непрерывная интенсивность протонов может изменяться мгновенно и в широком диапазоне, по желанию вплоть до нуля, с помощью управляющей сетки в источнике протонов.

С целью демонстрации, на фигуре 3 схематически показан вариант сверхпроводящего СЛИУС мощностью 1 ГэВ со спаренным избыточным блоком. Следует признать, что можно выбрать альтернативные способы ускорения с эквивалентными характеристиками. Система ускорителя, приведенная на фигуре 3, имеет хорошо обоснованную конструкцию. В устройстве можно выделить три основных сегмента:

- инжектор 1, составляющий источник получения протонов, имеющих энергию в диапазоне около 10 кэВ, радиочастотный квадрупольный ускоритель (RFQ) протонов приблизительно до энергии 5 МэВ, с последующим СЛИУС с дрейфовой трубкой (DTL), до характерной энергии протонов 15 МэВ;

- промежуточная секция 2, со структурой DTL, или обычной, или сверхпроводящей, чтобы ускорить протоны приблизительно до 85 МэВ;

- и окончательно структура 3 сверхпроводящего СЛИУС, которая завершает процесс ускорения до заданной энергии (1 ГэВ в этом иллюстративном примере).

Предпочтительным признаком другой традиционной ускоряющей структуры является требование очень небольшой скорости случайных "размыканий" вследствие неисправности пучка. Ниже представлены два способа, соответственно на основе подходящей избыточности активных компонентов и подходящего дублирования ускоряющих структур.

Избыточность может быть осуществлена для каждого активного компонента ускорителя. Каждый ускоряющий резонатор обладает высокочастотным (ВЧ) синхронным фазовым углом φ₅, вокруг которого в процессе ускорения отдельные частицы осуществляют колебания в продольном фазовом пространстве. Случайное затухание ВЧ в одном (или возможно в нескольких) резонаторе будет поддерживать ток ускоренного пучка при условии, что существует достаточный резерв ВЧ напряжения для того, чтобы дать другим резонаторам самопроизвольно перераспределить необходимое приращение усиления по напряжению с соответственно увеличенным значением sin(φ_s).

Дублирование заключается в удваивании комплектных ускоряющих структур от источника до конечной энергии, с двумя (или возможно больше) полностью независимыми каналами, смонтированными в двух соседних, но отдельно экранированных корпусах. В случае необходимости это позволяет управлять (ремонтировать) доступом в одну из структур, при эксплуатации другой структуры, как показано на фигуре 3. Каждый независимый ускоряющий канал способен полностью обеспечивать необходимый ток i_пучка, хотя каждый из них при обычном регулировании работать, например, при токе i_пучка/2. Эти два тока ускоренных протонов точно и непрерывно измеряются с помощью независимых трансформаторов тока 4 и 5. В случае непредвиденной неисправности ("размыкании") одной из структур, полный ток i_пучка, принимается спустя ничтожно малое время (порядка микросекунды) за счет другой, уже работающей структуры. В соответствии с общеизвестной практикой, в конце ускорителей обе транспортировки пучков подвергаются латеральному объединению, например, с помощью соответствующей магнитной перегородки 6, и перемещаются с помощью обычной поворотной и фокусирующей структуры 7 магнитного транспорта к расщепляемой мишени 101 внутри активной зоны подкритического реактора 100. Суммарный ток пучков в любой момент измеряется специальным трансформатором 10 избыточного тока.

В альтернативном сценарии, один из ускорителей эксплуатируется с отрицательными ионами Н^-=Н⁰е^-=(ре^-)е^-, и еще один с протонами Н⁺. Оба пучка с противоположными зарядами сводятся вместе с помощью магнита, и очень тонкой съемной фольгой удаляют электроны, а именно е^-, и таким образом, получается единственный слитый протонный пучок. Как показано на фигуре 4, в то время как протонный пучок измеряется трансформатором тока 4, другой трансформатор тока 11 измеряет отрицательный ионный ток. Указанные два пучка сводятся вместе с помощью двух отдельных поворотных магнитов 12, 13 и обычного магнита 14. Отрицательный пучок удаляется с помощью тонкой фольги 15, и полученный протонный пучок транспортируется к расщепляемой мишени с помощью (резервного) трансформатора 10 суммарного тока.

Аналогичные рассуждения на основе избыточности и дублировании применимы к любому другому альтернативно ускоряющему способу, как, например, к альтернативному способу с циклотроном.

В соответствии с настоящим изобретением, три основных компонента внутри реактора обеспечивают процессы, необходимые для контроля и регулирования подкритической активной зоны с управляемым ускорителем, приводимым в действие выделенным током протонного пучка. Этими компонентами являются:

- поглощающая система 112 для быстрой остановки реактора, чтобы осущест