Способ трансмутации изотопов

 

Использование: утилизация радиоактивных отходов . Сущность изобретения: утилизацию осуществляют методом траншутации изотопов, причем для реализации трансмутации используют магнитотормозное гамма - излучение, критическая энергия спектра которого превышает порог фотоядерных реакций (у. хп) - в качестве трансмутируемых изотопов используют долгоживущие радионуклиды - продукты деления ядра трансурановых актинидов, а образующимися нейтронами облучают ядра U - 238 или (и) Th - 232, размещенные в веществезамедлителе нейтронов вокруг ядер трансмутируемого изотопа 2дп ф-лы, 3 табд 6 ил.

(в} RU (и) 2003191 С1 (51) 5 G21F9 30

Комитет Российской Федерации г ио патентам и товарным знакам

: Гг

К ПАХЕНТУ (2Ö» 93003328/25 (22) 18.03.93

-(46) 154 И)З Sea йя 43-42 (76) Еремеев Игорь Петрович (54) СПОСОБ ТРАНСМУТАЦИИ ИЗОТОПОВ (67) Использование: утилизация радиоактивных отходов. Сущность изобретения: утилизацию осуществляют методом трансмутации изотопов, причем для реализации трансмутации используют магнитотормозное гамма — излучение, критическая энергия спектра которого превышает порог фотоядерных реакций (з. xn) — в качестве трансмутируемых изотопов используют долгоживущие радионуклиды— продукты деления ядра трансурановых актинидов, а образующимися нейтронами облучают ядра 0—

238 ипи (и) Th - 232, размещенные в веществезамедлителе нейтронов вокруг ядер трансмутируемого изотопа 2дп ф-лы,3 табл,бил.

2003191

30 ности тормозного излучения электронов, высокой энергетической "ценой" акта трансмутации из-за низкого коэффициента конверсии электронов в нейтроны, большим энерговыделением в мишени — конверторе

45 вследствие больших ионизационных потерь электронов при торможении в веществе, В связи с низкой производительностью и большой энергоемкостью эти способы не могут быть реализованы без дополнительного размножения нейтронов в подкритической среде. Они применимы лишь для трансмутации делящихся актинидов и не решают проблемы уничтожения РАО; поскольку при делении образуются осколки— долгоживущие радионуклиды средних масс.

Целью изобретения является увеличение производительности и снижение удельной энергоемкости процесса трансмутации изотопов, уничтожение РАО от действующих АЭС, воспроизводство ядерного топлива, производство делящихся изотопов иэ

Th — 232, отвалов U — 238 и создание на этой основе замкнутого ядерного .топливного цикла (безотходной ядерной технологии), а также производство радиоактивных изотопов, в том числе трансурановых, для медицинских. космических и технических применений.

- Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано в ядерной технологии и атомной энергетике для уничтожения радиоактивных отходов (РАО), воспроизводства ядерного топлива и создания на этой основе замкнутого ядерного топливного цикла (безотходной ядерной технологии), а также для производства делящихся материалов и радиоактивных изотопов.

Известен способ превращения ("трансмутации") трансурановых изотопов — актиницов посредством бомбардировки протонами высоких энергий и облучения образующимися при этом нейтронами, Спо-,15 соб характеризуется недостаточно высокой скоростью трансмутации из-за низкой плотности и интенсивности ускоряемых пучков протонов, низкой энергетической "ценой" акта трансмутации, большим энерговыделе- 20 нием в среде при бомбардировке ядер про.тонами.

Известен способ трансмутации актинидов посредством облучения нейтронами, образующимися в мишени под действием 25 пучка релятивистских электронов, Способ характеризуется низкой скоростью трансмутации вследствие недостаточно высокой интенсивности и низкой спектральной плотДля достижения цели используют изотопические мишени, изготовленные из содержащихся в отработанном ядерном топливе долгоживущих радиоактивных изотопов — продуктов деления и трансурановых актинидов, устанавливают вокруг мишеней замедлитель нейтронов, в котором размещают 0 — 238 и/или Th — 232, облучают мишени магнитотормозным гамма-излучением, содержащим гамма-кванты с энергией выше порога реакции (y,n) на ядрах каждого из изотопов, а образующиеся фотонейтроны используютдля облучения U 238 и/или Th — 232, На фиг.1 изображена схема, иллюстрирующая применение способа для уничтожения РАΠ— продуктов деления Sr — 90, Сэ—

137 и трансурановых актинидов U — 236 и Ри — 240; на фиг,2 — схемы трансмутации Sr—

90 в ядра стабильных изотопов и U — 236 — a ядра делящихся изотопов с помощью реакции (у,хп); на фиг,3 — схема, иллюстрирующая и рименение способа для производства ядерного топлива и компенсации энергозатрат на уничтожение РАО за счет получения делящихся изотопов из Th 232 и отвалов U — 238.

Способ осуществляютследующимобразом.

На траектории электронов, ускоряемых до ул ьтрарелятивистских энергий, устанавливают системы с однородным и/или пространственно-периодическим магнитным полем. По периферии устанавливают иэотопические мишени, изготовленные из содержащихся в отработанном ядерном топливе долгоживущих радиоактивных изотопов— продуктов деления, изотопов урана и трансурановых актинидов, предварительно разделенных по элементам и по массам ядер, размещая их в медианной плоскости магнитов с однородным полем и/или на оси систем с пространственно — периодическим полем, Мишени окружают замедлителем нейтронов и блоками из U 238, Th — 232, Электроны ускоряют до такой энергии

E. чтобы *ри пропускании через установленные на их орбите магнитные системы с выбранными значениями поля Н критическая энергия Е, спектра возникающего магнитотормозного излученйя, равная

Ес =0,665 Е Н (1) где Е, е кэВ, Е в гэВ, H в Тл, достигала величины энергетического порога Е у фотоядернсй реакции (у,n) для каждого из подлежащих трансмутации изотопов.

Возникшее гамма-излучение выводят с участков орбиты из магнитных систем в периферийную область пространства и

2О03191 направляют на установленные вокруг магнитных систем изотопические мишени, Долгоживущие радиоактивные продукты деления уничтожают, направляя гаммаизлучение на мишени иэ радионуклидов 5

Sr-90, Cs-137 и др„осуществляя их трансмутацию в ядра стабильных изотопов. Четные изотопы урана и трансурановых актинидов трансмутируют в нечетные делящиеся изотопы урана и плутония, обеспечивая воспро- 10 изводство ядерного топлива и компенсируя энергозатраты на уничтожение РАО. Производство ядерного топлива и компенсацию этих энергозатрат осуществляют также, облучая размещенные вокруг мишеней из радионуклидов в веществе — замедлителе нейтронов блоки U — 238 и(или Th — 232 образующимися 8 мишенях фотонейтронами, Для радионуклидов с массой 90 — 150 и 20 для ядер трансурановых актинидов величины Е ул составляют 5-10 Мэв, что соответствует значениям параметра Е2 Н =

=(1-1,5) 10 . При соблюдении этого условия спектральная плотность генерируемо- 25 го гамма-излучения в области гигантского дипольного резонанса в сечении реакций (y, xn) становится достаточной для того, чтобы наряду с его высокой интенсивностью и пространственной плотностью 30 обеспечить скорость трансмутации радионуклидов, существенно выше достигаемой в прототипе и достаточную для технического применения.

Магнитные системы могут быть установлены на замкнутой траектории в циклическом ускорителе, накопителе электронов или на выведенном пучке линейного ускорителя, ускорителя с рециркуляцией электрон- 40 ного пучка. Оптимальным является вариант, когда в накопительном кольце обеспечивают условия для многократного обращения пучка ускоренных электронов через магнитные структуры при величинах Н, удовлетво- 45 ряющих условию (1). В этом случае минимизируется вклад стадии ускорения электронов в энергозатраты, достигается максимальная интенсивность излучения и, следовательно, реализуется максимальная производительность способа при минимальных энергетических потерях. При этом можно облучать значительное число мишеней одновременно и реализовать оба варианта геометрии магнитного поля (фиг.1).

При использовании систем с однородным полем излучение распространяется в плоскости ларморовской орбиты электронов в 2л геометрии, и на пучке из одной магнитной системы могут быть размещены несколько мишеней. Энергия электронов должна составлять в этом случае 40 — 60 гэВ, а напряженность поля — 4-6 Тл.

При использовании систем с пространственно-периодическим магнитным полем, генерируемое гамма-излучение имеет малую угловую расходимость, и на пучке из каждой магнитной системы можно разместить только одну мишень. При этом технически возможно увеличить Н до 8 — 12 Тл, что позволяет снизить Е до 30 — 40 гэВ.

Размер изотопической мишени в направлении падения квантов должен составлять не менее 2, а в поперечном направлении 2 ky . p, где Ry — длина пробега в веществе мишени у- квантов с энергией Еоу, лежащей в области гигантского резонанса реакции (y, n) для трансмутируемых ядер, уг — средний косинус угла рассеяния у — квантов, усредненный по числу комптоновских рассеяний при условии, что

Е у > Е11, где Еу — энергия рассеянного кванта.

При соблюдении указанных условий, среднем значении тока не менее 100 mA, способ позволяет перевести (трансмутировать) любой долгоживущий радионуклид в форму стабильного или делящегося изотопа со скоростью, превышающей скорость его накопления в любом из действующих реакторов АЗС; снизить удельные энергозатраты на трансмутацию долгоживущих радионуклидов в несколько раэ по отношению к энергии, выделяющейся при их образовании; компенсировать укаэанные энергозатраты за счет воспроизводства делящихся изотопов из U— - 238 и Th — 232 при их облучении в потоке фотонейтронов, а также непосредственно при трансмутации неделящихся трансурановых изотопов в делящиеся, При указанных параметрах технического осуществления способ в 50-100 раз более производителен и 8 3-7 раз менее энергоемок по сравнению с прототипом. (56) Steinberq М. ln "Nuclear Technologies in а Svstainabie Enerqy System", 203, $ргlnqer — Veriaq Beriin Heidelberg New York, 1983.

С.О.Bowman et. al, Preprlnt LA UR 91268 Los Alamos, 1991.

Максимычев А.В, и др. Препринт ИАЭ5575j14. M.: 1992.

2003191

Формула изобретения

СПОСОБ ТРАНСМУТАЦИИ ИЗОТОЙОВ посредством облучения, отличающийся тем, что используют изотопические мишени, изготовленные из содержащихся в отработанном ядерном топливе долгоживущих радиоактивных изотопов продуктов деления и трансурановых актинидов, ao«pyr мишеней устанавливают.замедлитель нейтронов, в котором размещают уран-238 и/или торий-232, облучают мишени магнитотормозным гамма излучением, содержащим гамма-кванты с энергией выше порога реакции (y,n) на ядрах каждого из изотопов, а образующиеся фотонейтроны используют для облучения

10 урана-238 и/или тория 232

2003191

2003t93