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用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法以及用于实现该方法的装置（实施例）

阅读：606发布：2020-05-11

专利汇可以提供用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法以及用于实现该方法的装置（实施例）专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法以及一种用于实现该方法的装置涉及重化学元素的核物理化学、核动力工程并更具体地涉及一种用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法和一种通过利用放射性核素并且为此将深度次临界靶暴露于相对论性离子来实现该方法的装置，所述靶包括放射性废料和/或锕系元素和/或乏核燃料。所提出的发明的技术效果是：增加了所产生的热和电力的量以及被处置的放射性废料的量。实现所述方法的装置包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并且引入到靶上的单元、补给单元和热变换器单元，所有串联布置。该装置具有在靶段的数目上不同的三个实施例。具有圆锥形或球形形状的单段靶的装置的第一实施例旨在将能量转化为热。除了在相对论性离子束下的能量生产之外，具有圆柱形或圆锥形形状的两段靶的装置的第二实施例使其可能将具有长寿命放射性核素的放射性废料转化成具有短寿命放射性核素的放射性废料。除了第二实施例的优点之外，具有圆柱形或圆锥形形状的三段靶的装置的第三实施例使其可能通过增加靶的第二段中的裂变核素的份额来实现最大动力生产。，下面是用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法以及用于实现该方法的装置（实施例）专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法在于：产生和加速相对论性离子束，所述束被引导至深度次临界靶的定期更新的材料，其引起靶原子核的裂变，产生包括中子的次级粒子通量，所述次级粒子被布置以分裂重化学元素的同位素的所述原子核，其又引起核能的释放，监控确保束的动能的传递和所述次级粒子向所述靶的传递的靶尺寸情况，并且确定核裂变产物的积聚和更换的持续时间，其特征在于，加速前述相对论性离子束到借助于裂变靶材料生产至少两代的原子核多重碎裂产物的能级，并且由准备用于暴露的材料在超过裂变产物的积聚和更换的持续时间的时间间隔内释放核能，回收所述次级粒子通量，冷却并且转移所述暴露后的材料以回收作为加工材料，用来提取根据所要求保护的方法适合后续使用的材料。
2.一种用于根据权利要求1所述方法的装置，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到所述靶上的单元、由上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的重化学元素制成的深度次临界靶、以及热变换器单元，所有串联布置，其特征在于，所述靶容器相对于所述装置的能量轴具有圆锥形或者球形形状，并且通过管道连接到所述热变换器以及通过管道和关闭机构连接到备用单元，该备用单元允许其补充并且位于所述靶上方。
3.一种用于根据权利要求1所述方法的装置，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到所述靶上的单元、由上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的重化学元素制成的深度次临界靶、以及热变换器单元，所有串联布置，其特征在于，所述靶容器由相对于用于将束运输并引入到所述靶上的单元连续设置的两段制成，所述段相对于所述装置的能量轴的侧表面具有类似圆柱形或圆锥形形状，能够轻易地更换和固定的第一段的基座部分被制成平面的或球面，第二段通过管道连接到所述热变换器以及通过管道和关闭机构连接到备用单元，该备用单元允许其补充并且位于所述靶上方。
4.一种用于根据权利要求1所述方法的装置，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到所述靶上的单元、由上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的重化学元素制成的深度次临界靶、以及热变换器单元，所有串联布置，其特征在于，所述靶容器由相对于用于将束运输并引入到所述靶上的单元连续设置的三段制成，所述段相对于所述装置的能量轴的侧表面具有类似圆柱形或圆锥形形状，能够轻易地更换和固定的第一段的基座部分被制成平面的或球面，第二段和第三段的基座部分为球形并且彼此分开一定距离，该距离等于它们半径差，其中，所述靶容器的第三段通过管道和关闭机构分别连接到第二段和备用单元，而第二段通过管道连接到所述热变换器，同时所述备用单元的设计允许其补充并且所述单元位于所述靶的所述第三段上方。

说明书全文

用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法以及用

于实现该方法的装置(实施例)

[0001] 本发明涉及重化学元素的核化学、核动力工程，更具体地，涉及一种用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法，和一种通过使深度次临界靶暴露于加速重带电粒子束来实现该方法的装置，所述靶的尺寸足以完全吸收此这样的束。

[0002] 本发明还适合于其它目的，包括但不局限于各种材料和物质的辐照和失活、同位素的生产和分离、核掺杂。

[0003] 通过能量分离各种元素的同位素和粒子的研究当前相当活跃。因此，例如，现有技术中已知分离碱金属同位素(俄罗斯联邦专利号№2129909 B01D59/34)、镱同位素(俄罗斯联邦专利号№2119816 B01D59/00，B01D59/34，C01G57/00，1998年)、汞同位素(俄罗斯联邦专利号№2074018 B01D59/34，C01G13/00)的方法。

[0004] 现有技术中已知通过电离处理用于核燃料的材料来分离同位素(俄罗斯联邦专利号№2189273 B01D59/00，于2000年公布)，其中，具有在第一范围内和/或等于第一能级的能量的成分与具有在第二范围内和/或等于第二能级的能量的成分部分地分离，并向等离子体引入与成分相互作用的化学材料。

[0005] 通过能量分离带电粒子的方法和装置(俄罗斯联邦专利号№2187171B01D59/00，2000年)对于核工程来说具有重大的应用相关性。这些解决方案旨在分离带电粒子，例如，在通过能量分离同位素的阶段，同现有技术的当寻找同位素分离方式时被研发的其它解决方案一起，实现可控的核和热核聚变、通过离子束和电子束装置产生带电离子束、并且在加速设备中控制带电粒子束。

[0006] 根据1997年题为“用于硅失活的方法”的俄罗斯联邦专利№2119688 G21F9/00和2000年题为“用于硅的中子嬗变掺杂方法”的专利申请第2000124650号，建议利用源于核电站反应堆芯的次级中子通量来失活、蚀刻和掺杂单晶硅。

[0007] 2001年题为“用于超铀化学元素的煅烧方法以及用于该方法的核反应堆”的俄罗斯联邦专利号№2267826，G21G1/02描述了一种使用其中放置长寿命重元素放射性核素的轻度次临界(k～1)核反应堆堆芯的方法和装置。如其中所建议的，堆芯临界(k＝1)所需要的附加的中子从诸如带有铅靶或铅-铋靶的能量为1GeV的质子加速器之类的外部源注入。然而，由于基于质子束的方法其固有的概念上无法突破的限制，所以该现有技术工程解决方案不允许显著提高核能转化为热的效率。而且，还无法消除用于生产不可接受的高量的长寿命放射性核素的源或与生产适合于核恐怖主义的材料有关的风险。

[0008] 在2003年题为“用于将核能转化为热的方法”的俄罗斯联邦专利号№2238597，G21С1/30中，提出了使用相对质子束来触发由重化学元素(铅、铋、钍和贫化铀以及它们的组合)制成的深度次临界靶中的核级联过程，而靶内容物同时用作燃料和传热介质。发明人指出，伴随加速粒子能量的增加，靶原子核的更深分裂的几率增大。然而，此工程解决方案具有如上所述的由于使用相对论性质子束而导致的相似缺陷，并且没有解决与在所提出的靶中生产的并离开该靶的次级中子束的利用相关联的问题。

[0009] 最接近的现有技术是根据2008年题为“用于将核能转化为热的方法和系统”的俄罗斯联邦专利号№2413314的发明。该方案采用重带电粒子(例如铀、钍、铋和铅同位素的多电荷离子)束的加速直到导致开始产生用作靶的深度次临界堆芯中的级联核子通量的能量，向该靶引导该核子流并监控该靶的状态，在必要时更换该靶的内容物。为了增加所述通量的强度，提出堆芯可以部分或完全由乏核燃料构成。用于该方法的装置包括相对论性多电荷离子加速器，用于将束运输并引入到靶上以与加速器和靶连接的单元，后者一般被放置于坚固的通常为圆柱形的容器中。在反应堆(靶)中生产的过量的热借助于子系统消除，该子系统包括第一和第二回路冷却剂，具有热变换器功能的热电转化单元。

[0010] 然而，上述原型既有所要求保护的优点，也同时存在着与用于增加核能转化为热效率的加速离子束的不完全利用和包括钚和次锕系元素(镎、镅和锔)的长寿命放射性核素的回收的若干缺点。

[0011] 本文中所提出的本发明排除了现有技术中发明和原型的上述缺点。

[0012] 本发明的目的是增加核能转化为热的效率并且回收范围广泛的长寿命放射性核素。

[0013] 这种情况下的长寿命放射性核素是半衰期超过15年的那些。

[0014] 本发明的技术效果在于增加核能转化为热的效率，回收范围广泛的长寿命放射性核素以及生产适用于进一步使用的材料。

[0015] 用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法的技术效果实现如下。产生和加速相对论性离子束，该束被引导至深度次临界靶的定期更新的材料，其引起靶原子核的裂变，产生包括中子的次级粒子通量，次级粒子被布置以分裂重化学元素的同位素的原子核，其再一次引起核能的释放，监控确保束的动能的传递和次级粒子向靶的传递的靶尺寸情况，并且确定核裂变产物的积聚和更换的持续时间。加速前述相对论性离子束到借助于裂变靶材料生产至少两代的原子核多重碎裂产物的能级，并且由准备用于暴露的材料在超过裂变产物的积聚和更换的持续时间的时间间隔内释放核能。回收次级粒子通量，冷却并且转移暴露后的材料以回收作为加工材料，用来提取根据所要求保护的方法适合后续使用的材料。

[0016] 用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的装置的技术效果实现如下。在装置的第一实施例中，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到靶上的单元、适当地封闭在上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的由重化学元素制成的深度次临界靶、以及热变换器单元，所有串联布置，根据本发明的靶容器相对于装置的能量轴具有圆锥形或者球形形状，并且通过管道连接到热变换器以及通过管道和关闭机构连接到备用单元，该备用单元允许其补充并且位于靶上方。因此，提供了用于将核能转化为热的装置的最简单并且因此更可靠的设计。

[0017] 在装置第二实施例中，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到靶上的单元、适当地封闭在上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的由重化学元素制成的深度次临界靶、以及热变换器单元，所有串联布置，根据本发明的靶容器由相对于用于将束运输并引入到靶上的单元连续设置的两段制成，该段相对于装置的能量轴的侧表面具有类似圆柱形或圆锥形形状，能够轻易地更换和固定的第一段的基座部分被制成平面或球面，第二段通过管道连接到热变换器以及通过管道和关闭机构连接到备用单元，该备用单元允许其补充并且位于靶上方。装置的该实施例的区别在于，连同动力生产一起，它提供了以下可能性：通过由放射性废料和/或锕系元素和/或乏核燃料形成的靶的第一段的潜在更换，在相对论性离子束下，将长寿命放射性核素占绝大部分的放射性废料同时转变为大部分是短寿命放射性核素的放射性废料。

[0018] 在装置的第三实施例中，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到靶上的单元、适当地封闭在上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的由重化学元素制成的深度次临界靶、以及热变换器单元，所有串联布置，根据本发明的靶容器由相对于用于将束运输并引入到靶上的单元连续设置的三段制成，该段相对于装置的能量轴的侧表面具有类似圆柱形或圆锥形形状，能够轻易地更换和固定的第一段的基座部分被制成平面或球面，第二段和第三段的基座部分为球形并且彼此分开一定距离，该距离等于它们半径差，其中，靶容器的第三段通过管道和关闭机构分别连接到第二段和备用单元，而第二段通过管道连接到热变换器，同时备用单元的设计允许其补充并且所述单元位于靶的第三段上方。除了第二实施例的优点之外，本实施例突出了通过增加靶的第二段中的可裂变放射性核素的份额(portion)来实现最大动力生产的可能性。

[0019] 所要求保护的方法和装置的特征将通过参考附图1-13和表1得到更好理解。

[0020] 在附图中：

[0021] 图1显示了被能量为1GeV/核子的多电荷238U离子触发的铀靶原子核的多重碎裂的雪崩过程的前六个阶段。

[0022] 图2呈现了包括单段圆锥形靶的用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热以实现本文中所提出的方法的装置的总体视图。

[0023] 图3显示了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的所提出的装置的剖视图。

[0024] 图4描绘了使用单段球形靶实现本文中所提出的方法的用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的装置的总体视图。

[0025] 图5呈现了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的所述装置的剖视图。

[0026] 图6显示了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的装置的总体视图，其中，使用了具有第一圆柱形段的两段圆柱形靶。

[0027] 图7提供了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的所述装置的剖视图。

[0028] 图8显示了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的装置的剖视图，其中，使用了两段圆柱形靶，靶的第一段的基座部分为球形。

[0029] 图9提供了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的装置的剖视图，其中，使用了具有截头锥体状的第一段的两段圆锥形靶。

[0030] 图10呈现了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的装置的剖视图，其中，使用了两段圆锥形靶和两段的球形基座部分。

[0031] 图11示出了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的装置的总体视图，其中，使用了三段圆柱形靶，第一段被制成圆柱形，第二和第三段具有球形基座部分。

[0032] 图12呈现了用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的相同装置的剖视图。

[0033] 图13示出了在长寿命放射性核素上关闭的核燃料循环的图。

[0034] 表1包含长寿命放射性核素的列表。

[0035] 所提出的方法基于在放射性核素原子核(范围为3Н-251Cf)当暴露于相对论性重粒子束(范围从中子、质子、重氢核到多电荷铀离子)时的多重碎裂的动力方面的系统研究过程中得到的结果。核多重碎裂的效果已早为人知(“实验核物理学”，二卷，К.Н.穆辛著，莫斯科原子能出版社，1993年版，第11章第73段)。然而，除了其它因素，没有对作为这样衰减的碎片的结果的核多重碎裂的动力方面进行系统性计算。没有发现或研究通过第二代和进一步的代的碎片衰减靶原子核所释放的动力的效果。

[0036] 基于用于计算由各种化学元素制成的并且暴露于相对论性离子束的靶中的核反应能量的方法(物理量：手册，I.S.格里戈里耶夫和E.Z.梅伊利霍夫合著，莫斯科原子能出版社，1991版)以及在布鲁克黑文国家实验室网站(http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/)上提供的关于中子和3288个核素的质量缺陷值的估计核数据阵列，此项工作已经由使用他们自己的计算机程序的作者执行。计算结果被认为是用实验数据得以证实。

[0037] 进行工作的关键是发现显著特征，更具体地，当靶暴露于相对论性重粒子束(而释放核能量并且吸收相对论性粒子的动能)时，长寿命放射性核素(包括锕系元素)的核多重碎裂的动力特点的优点，其论证了带电核碎片对能量释放效率提升的积极贡献。由此，作者提出了一种针对所述效果的实际应用的解决动力工程、环境和公共卫生问题的新型方法。

[0038] 因此，例如，在238U相对论性多电荷铀离子与14C原子核之间的非弹性碰撞导致其多重碎裂，并且伴有包括中子在内的大约30(如下所计算的)个碎片逃出且弹射粒子动能传递至这些碎片。用相对论性中子击中238U原子核的可能结果是前者坍塌，并且伴有不多于30(如下所计算的)个碎片通过具有能量释放的任何通道逃出。在电荷和质量上与氯核素不相上下或高于(多达包括钯)该氯核素的高能碎片导致238U原子核裂变，并且伴有不多于33(如下所计算的)个碎片逃出并释放能量。对于137Cs多重碎裂，并且伴有类似地，相对论性粒子的动能传递至多个逃出碎片，这些碎片的数量可以多达35。

[0039] 对于多重碎裂的靶原子核裂变的高能产物，得到了相似的结果，该高能产物又击中导致其裂变的随后的原子核。由此形成的带电原子核碎片和中子不仅携带弹射粒子能量，而且还携带经常从多重碎裂中和当这些碎片和中子还与靶原子核碰撞时释放的能量，生成另一代的次级粒子，藉此触发粒子材料裂变的雪崩过程。

[0040] 图1图示了被能量为1GeV/核子的32-电荷238U离子触发的238U原子核的多重碎裂过程的前六个阶段，而以外观(作为第一代)有6个质量不相上下的带电碎片和39个中子为例:

[0041] 1.加速238U离子与靶原子核的碰撞。

[0042] 2.释放194MeV(～3*1012种实现方式选项)的第一代高能碎片的外观。

[0043] 3.第一代碎片的分离。

[0044] 4.第一代碎片与靶原子核碰撞。

[0045] 5.释放～190MeV(计算出的)(超过2*108种实现方式选项)的第二代高能碎片的外观。

[0046] 6.第二代碎片的分离

[0047] 表征本文中所提出的方法的图1示出了第一代的每个中子和带电碎片可以产生，根据计算如下，至少10个高能碎片并且导致释放大约190MeV。在这种情况下，通量粒子产生至少两代碎片，从而摧毁(根据计算如下)超过450个靶原子核并且导致释放大约8.7 GeV(194+45*193 MeV＝8.7GeV)的核能。当生产第三代这样的碎片时，根据计算如下，摧毁的原子核数量增加到4500个，而释放的能量大约为86GeV(194+450*190 MeV＝86GeV)。

[0048] 因此，核裂变的雪崩过程被触发并且开始升级，除其它因素外，包括处于衰减原子核的带电碎片的作用下，随着它们随后的摧毁，该衰减原子核的能量超出沿着这些碎片的轨迹的原子核的库仑势垒。

[0049] 对于第一代的其它原子核碎片(特别是，来自238U原子核的6-碎片摧毁)的可能行为相关联的事件序列的这样的追踪引起类似所谓的环状链，即，具有类似质量和电荷并且产生靶原子摧毁动作的这些序列的接近碎片的链。当靶原子核根据多个选项被分裂成任何其它数量的碎片时，各种尺寸的所述序列自然发生，该多个选项遵循能量、动量、电荷和重子荷守恒法则并且在类似的过程中得以实现。

[0050] 因此，当发生这样的摧毁过程时，出现了动力上不相上下的靶原子核摧毁事件的多个环状序列。换言之，为了确保在靶中由通量的相对论性粒子引发的多个这样的序列的实际上可接受的动力，在其它条件都相同的情况下，所述粒子必须获得对于该目的而言是足够的能量。在这种情况下，通量中的任何粒子都能够利用数量十分巨大的靶原子核，其相应地导致大大降低了对加速器电流强度的要求。

[0051] 靶材料原子核的衰减倍增的所述效果的意义如下。

[0052] 第一，通过将各种材料(包括表1中列出的长寿命放射性核素)合适地放置并且暴露于面向束的靶段中的重带电粒子的相对论性束，人们可以借助于伴生性的放射性化学再生和再加工，通过对相应的已辐照的靶材料的多次再循环工艺，实现几乎完全回收它们。

[0053] 第二，放射性废料的回收产物(既针对分离的废料，即，长寿命放射性核素占绝大部分的废料，又针对未分离(和/或化学)废料，以及来自研究、工业和动力反应堆的乏核燃料)在经过冷却、放射化学或其它转化之后，这样的回收产物可以在国民经济的多种领域中得到应用。这是因为前述产物主要是稳定的和中子缺乏的核素。如已知的，后者(占绝大多数)与现有的反应堆类型的燃料中生产的中子过剩的那些的区别在于具有相当短的半衰期值。

[0054] 第三，在完全吸收相应的靶段中的次级中子通量的条件下，生产可裂变放射性核素，而靶中产生的动力升高并且转化为电力，具体地为了补偿为了加速粒子束而耗费的电力。因此产生的多余的电力可以被其它动力消耗者所消耗掉。

[0055] 所提出的装置包括加速器、深度次临界靶、用于将束运输并引入到靶上的单元、热变换器和备用单元。

[0056] 附图中的附图标记表示如下：

[0057] 1-相对论性离子束加速器；

[0058] 2-用于将束运输并引入到靶上的单元；

[0059] 3-靶；

[0060] 4-备用单元；

[0061] 5-热变换器；

[0062] 6-靶补给管道；

[0063] 7-备用单元关闭机构；

[0064] 8，9，10，11-冷却剂管道；

[0065] 12-靶的第一段；

[0066] 13-靶的第二段；

[0067] 14-靶的第三段；

[0068] 15-用于用第三段的材料补给靶的第二段的管道；

[0069] 16-靶的第三段的关闭机构；

[0070] 相对论性重离子束借助于反行波直线加速器1生成(BTWLA，见А.S.博格莫洛夫、Т.S.巴可洛夫，“工业用离子加速器”，莫斯科，Kuna，2012版，87页)，而获得了不少于100 MeV/核子的加速多电荷离子的能量。多电荷离子超过所述能级允许几乎完全使用它们用于触发前面所提及的核过程的多样性。

[0071] 根据最小化来自用于将束运输并引入到靶上的单元上的所述段的辐照后的材料的电离辐射的负面影响的条件推导出从将束运输并引入到靶上的单元到该靶的距离，该束从该靶被立即引导到与该单元相邻的靶段上。

[0072] 单段靶3和两段靶和三段靶的第二段12的材料由放射性废料、包含用于直接摧毁的长寿命放射性核素的其它物质(包括少量锕系元素(钚和少量锕系元素))、和/或低熔点的U-Fe系共晶的形式的乏核燃料形成。这样的材料最初可以为固相或液相。对于单段靶3，根据其中完全吸收不仅有初级束而且还有次级粒子通量(包括中子)的条件推导出这些材料的层沿着束轨迹的厚度。层厚度和加速器束强度确定充分熔化这样的靶的材料的能力。根据束中的较大部分的初级粒子转化(在该段中)形成大量的中子缺乏裂变产物的次级通量的条件推导出在两段靶和三段靶的情况下的第一段12的厚度。由于即使在相对深度核多重碎裂的情况下仍然释放核能，所以第一段12中的材料的温度升高到足够至少部分熔化材料的值。暴露于两段靶或三段靶中的第一段12的束(积聚有核裂变产物)的持续时间一般在数值上得以确定，从必要性出发，进行到实现适当部分的衰减靶材料，但还保持相应的容器具有足够的强度。一旦达到指定辐照剂量，该段的材料就被更换为新的一个(制备的)，而随后冷却和将暴露的材料转移到放射化学企业作为制造具有意味着在加速器束装置下燃耗的放射性核素的下轮批次材料的库存。在这种背景下，应当指出的是，所提出的装置的使用寿命可以实现，其无可比拟地长于不仅在靶的第一段中而且还在整个靶中积聚核裂变产物所需的时间。

[0073] 靶的第二段13的材料(见图6-10和图12)主要由锕系元素制造，包括绝对遵守深度次临界的要求的贫铀和/或再生铀和/或乏核燃料。在该靶段中，较大部分的能量从所有种类的摧毁释放，优先核能释放。因此，第二段的材料被制造为低熔点的U-Fe系共晶，一旦被暴露于强大的粒子通量，该低熔点的U-Fe系共晶就达到其熔点并且其熔体然后用作初级冷却剂以经由管道8-11从靶中移除热量(见图6-12)。连同从靶中移除过量的热量一起，管道还通过实际混合提供靶材料的均质化。在意味着利用失去摧毁繁殖可裂变核素的232Th和/或238U原子核的能力的中子通量的三段靶的情况下，类似的共晶用于将第三段14的材料转化成液相(见图11和图12)。所有的三个段和所有的三个实施例中这样的共晶可以被更换为相应的化学元素或它们的组合物的液体盐熔体。

[0074] 三段靶的第三段14中的材料的量与允许及时补偿由于在加热后不仅将材料转变为液相而且作为在束下燃耗延长的结果而导致的第二段13中的材料的必然减少的足够的盈余一起被采用。为了这个目的，来自靶的第三段14的适当量的熔化材料经由补给管道6和关闭机构7以自然头水平由置于靶的第三段上方的加热的备用单元4(见图11和图12)供给。在具有单段靶和两段靶的装置的实施例中，相同的功能由备用单元4执行(见图2-10)。离开那里，经由补给管道6和关闭机构7，减少在其中释放较大部分的热量的靶的那些段中以材料水平进行补偿。关于这点，值得指出的是，关闭机构(“关闭的”)的主要位置在图1-12中示出。

[0075] 为了补偿三段靶的第二段13中的材料减少，富含来自靶的第三段14的可裂变核素的所需量的暴露后的材料经由管道15借助于关闭机构16的泵形成部分由第三段14的容器供给(见图11和图12)。

[0076] 该装置的操作如下。

[0077] 在稳态操作模式下，在用于将束运输并引入到靶2上的单元的帮助下，平均电流为～1mA并且能量为～1GeV/核子的加速器多电荷238U离子束1被引导到具有单段靶的装置的靶3上(见图2-5)或者两段靶或三段靶的第一段12上(见图6-12)。

[0078] 在具有圆锥形或球形容器的单段靶3(图2-5)和由放射性废料和/或锕系元素和/或乏核燃料制造的材料的情况下，初级粒子束生成次级粒子通量，其第一代还摧毁了靶原子核。在靶3的底部部分中，次级粒子通量被利用。其中，核能量被释放，其在靶中被转换为热。靶材料的减少经由适配有关闭机构7的管道6由备用单元4补偿。过量的热量经由管道8，9，10，11从靶3移除到热变换器5，其中，它被转化为电力。

[0079] 在装置的第二实施例中，它具有带有容器的两段靶(图6-10)，该容器的侧表面具有圆柱形或圆锥形形状。此外，第一段12的基座部分被制成平面的或球形，根据第一实施例，第一段的内容物与靶的内容物相同，而第二段13填充有严格遵守深度次临界条件的锕系元素和/或乏核燃料。初级束在第一段中生成次级粒子通量，从而使材料其中的原子核中子缺乏。第二段中的次级粒子通量提供更大部分的能量释放并且与单段靶的情况类似被利用。靶材料中的减少经由适配有关闭机构7的管道6由备用单元4补充。过量的热量经由管道8，9，10，11从第二段13移除到热变换器5，其中，它被转化为电力。

[0080] 在其中靶被制成三段的装置的第三实施例中(见图12)，该段的侧表面是圆柱形或圆锥形，第一段的基座部分被制成平面的或球形，第二段和第三段的基座部分是球形的且彼此分开一定距离，该距离等于它们半径差。根据在第三段中充分吸收离开第二段的次级中子通量的条件推导出第二段和第三段的容器之间的距离。在第三段中，完全利用中子通量得以确保。靶的第三段借助于管道和关闭机构被分别连接到第二段和备用单元。第一段12和第二段13填充有与上述两段靶的相应的段相同的材料，同时第三段14的材料由贫和/或再生238U和/或232Th制造。第二段确保能量释放，在第三段14中，失去摧毁238U和/或232Th原子核能力的次级中子通量通过将它们转化为可裂变核素来循环。

[0081] 该装置的前述目的(产生热量和电力，利用长寿命放射性核素)允许基于长寿命放射性核素发展关于化学废料的详尽多个相关封闭循环，包括通过核释放核能生产热量和电力。

[0082] 作为示例，图13中提供了由长寿命放射性核素封闭的核燃料循环图。根据该图，几乎所有的乏核燃料和放射性废料(包括含有在这样的燃料循环中产生的钚和少量锕系元素)被送到连接的回收循环，该连接的回收循环包括所提出的装置、冷却辐照后的材料用于放射化学加工的储存设施、用于用长寿命放射性核素(和/或化学废料)制备材料用于暴露的生产设施。在这种情况下，这样的材料还包括含有232Th和/或238U的那些，其用于除其他目的之外在装置内繁殖可裂变核素。长寿命放射性核素回收过程的产物是不仅在核燃料循环中唯一所需求的而且还超出其极限的热量和电力。

[0083] 上述回收循环可以涉及来自采矿、湿法冶金和其它生产设施的放射性废料；在铀浓缩(由235U同位素)的过程中产生的贫化铀；乏核燃料；再生铀、钚和少量锕系元素；以及来自放射化学生产设施的放射性废料。

[0084] 在图13中呈现的图适用于使用快中子反应堆或不与不可避免地会产生放射性废料的其他类型的装置和生产设施一起形成在长寿命放射性核素上封闭的所有类型的核燃料循环(U、U-Pu、Th-U等)，而原则上，总体拒绝当今被实行的掩埋这些废料。

[0085] 应当指出的是，当其输入不仅包括乏核燃料、与其再处理伴生的放射性废料、钍、铀、钚和少量锕系元素，而且还包括其他性质的放射性废料(比如在拆解使用寿命到期或出于任何其他原因退役的核反应堆和/或类似设施的过程中所产生的那些废料时)，上述回收循环也具有自致值。

[0086] 以类似的方式，对于任何工业，封闭循环类似于图13中所描绘的循环并且使用所提出的回收装置形成在作为回收循环的输入给送的相应的化学废料上，但还适于主要燃耗在给定的工业中形成大量废料的化学元素。在这样的情况下，工业将接收其所需要的热量和电力并且相邻的核燃料循环将提供上文所提及的消耗品和装配部分用于回收循环。

[0087] 因此，全面实现所提出的用于将核能转化为热的方法和装置将允许不仅实现了完全符合适用IAEA要求的设计过程的那些和核燃料循环的现有类型和修改的合乎逻辑的完整性和环境一致性(无限量的燃料库存、地球辐射背景的不变性、不扩散制度的不可侵犯性、核电设施的固有安全性)，而且还以有目的且一致的方式的开发了一种能够确保除其它方面之外包括其核段在内的作为一个整体的工业领域中的人类活动的充分的合法性的深度次临界环境友好动力工程。

[0088] 表1

[0089] 长寿命放射性核素列表

[0090]N LLR T1/2,yrs N LLR T1/2,yrs N LLR T1/2,yrs
1 Be-10 1.387(12)+6 31 I-129 1.57(4)+7 61 Th-229 7932(28)
2 C-14 5700(30) 32 Cs-135 2.3(3)+6 62 Th-230 7.54(3)+4
3 Al-26 7.17(24)+5 33 Cs-137 30.08(9) 63 Th-232 1.40(1)+10
4 Si-32 153(19) 34 La-137 6(2)+4 64 Pa-231 3.276(11)+4
5 Cl-36 3.01(2)+5 35 Pm-145 17.7(4) 65 U-232 68.9(4)
6 Ar-39 269(3) 36 Sm-146 10.3(5)+7 66 U-233 1.592(2)+5
7 Ar-42 32.9(11) 37 Sm-151 90(8) 67 U-234 2.455(6)+5
8 K-40 1.248(3)+9 38 Eu-150 36.9(9) 68 U-235 7.04(1)+8
9 Ca-41 1.02(7)+5 39 Gd-148 70.9(10) 69 U-236 2.342(4)+7
10 Ti-44 60,0(11) 40 Gd-150 1.79(8)+6 70 U-238 4.468(3)+9
11 Mn-53 3.74(4)+6 41 Tb-157 71(7) 71 Np-236 153(5)+3
12 Fe-60 2.62(4)+6 42 Tb-158 180(11) 72 Np-237 2.144(7)+6
13 Ni-59 7.6(5)+4 43 Dy-154 3.0(15)+6 73 Pu-238 87.7(1)
14 Ni-63 101.2(15) 44 Ho-163 4570(25) 74 Pu-239 24110(30)
15 Se-79 2.95(38)+5 45 Ho-166m 1.20(18)+3 75 Pu-240 6561(7)
16 Kr-81 2.29(11)+5 46 Hf-178m 31(1) 76 Pu-242 3.75(2)+5
17 Sr-90 28.90(3) 47 Hf-182 8.90(9)+6 77 Pu-244 8.00(9)+7
18 Zr-90 1.61(5)+6 48 Re-186m 2.0+5 78 Am-241 432.6(6)
19 Nb-91 6.8(13)+2 49 Ir-192m 241(9) 79 Am-242m 141(2)
20 Nb-92 3.47(24)+7 50 Pt-193 50(6) 80 Am-243 7370(40)
21 Nb-93m 16,12(12) 51 Hg-194 444(77) 81 Cm-243 29.1(1)
22 Nb-94 2.03(16)+4 52 Pb-202 52.5(28)+3 82 Cm-244 18.1(1)
23 Mo-93 4.0(8)+3 53 Pb-205 1.73(7)+7 83 Cm-245 8423(74)
24 Tc-97 4.21(16)+6 54 Pb-210 22.20(22) 84 Cm-246 4706(40)
25 Tc-98 4.2(3)+6 55 Bi-207 31.55(4) 85 Cm-247 1.56(5)+7
26 Tc-99 2.111(12)+5 56 Bi-208 3.68(4)+5 86 Cm-248 3.48(6)+5
27 Pd-107 6.5(3)+6 57 Bi-210m 3.04(6)+6 87 Cm-250 8.3+3
28 Ag-108m 438(9) 58 Po-209 102(5) 88 Bk-247 1380(250)
29 Sn-121m 43.9(5) 59 Ra-226 1600(7) 89 Cf-249 351(2)
30 Sn-126 2.30(14)+5 60 Ac-227 21.772(3) 90 Cf-251 898(44)

[0091] 注：LLR-长寿命放射性核素列表

[0092] T1/2-半衰期

[0093] 1.387(12)+6-(1.387±0.012)*106

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