用于輻照重化學(xué)元素的同位素將核能轉(zhuǎn)化為熱的方法以及用于實(shí)現(xiàn)該方法的裝置（實(shí)施例）的制作方法
【專利說明】用于輻照重化學(xué)元素的同位素將核能轉(zhuǎn)化為熱的方法以及用 于實(shí)現(xiàn)該方法的裝置(實(shí)施例）
[0001] 本發(fā)明涉及重化學(xué)元素的核化學(xué)、核動力工程，更具體地，涉及一種用于輻照重化 學(xué)元素的同位素將核能轉(zhuǎn)化為熱的方法，和一種通過使深度次臨界靶暴露于加速重帶電粒 子束來實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，所述靶的尺寸足以完全吸收此這樣的束。
[0002] 本發(fā)明還適合于其它目的，包括但不局限于各種材料和物質(zhì)的輻照和失活、同位 素的生產(chǎn)和分離、核摻雜。
[0003] 通過能量分離各種元素的同位素和粒子的研究當(dāng)前相當(dāng)活躍。因此，例如，現(xiàn)有技 術(shù)中已知分離堿金屬同位素(俄羅斯聯(lián)邦專利號No.2129909 B01D59/34)、鐿同位素(俄羅斯 聯(lián)邦專利號No.2119816 801059/00,801059/34,0)1657/00，1998年）、汞同位素（俄羅斯聯(lián)邦 專利號No.2074018 B01D59/34，C01G13/00)的方法。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中已知通過電離處理用于核燃料的材料來分離同位素(俄羅斯聯(lián)邦專利 號No.2189273 B01D59/00,于2000年公布），其中，具有在第一范圍內(nèi)和/或等于第一能級的 能量的成分與具有在第二范圍內(nèi)和/或等于第二能級的能量的成分部分地分離，并向等離 子體引入與成分相互作用的化學(xué)材料。
[0005] 通過能量分離帶電粒子的方法和裝置(俄羅斯聯(lián)邦專利號NO.2187171B01D59/00， 2000年)對于核工程來說具有重大的應(yīng)用相關(guān)性。這些解決方案旨在分離帶電粒子，例如， 在通過能量分離同位素的階段，同現(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)尋找同位素分離方式時被研發(fā)的其它解決 方案一起，實(shí)現(xiàn)可控的核和熱核聚變、通過離子束和電子束裝置產(chǎn)生帶電離子束、并且在加 速設(shè)備中控制帶電粒子束。
[0006] 根據(jù)1997年題為"用于硅失活的方法"的俄羅斯聯(lián)邦專利No.2119688 G21F9/00和 2000年題為"用于硅的中子嬗變摻雜方法"的專利申請第2000124650號，建議利用源于核電 站反應(yīng)堆芯的次級中子通量來失活、蝕刻和摻雜單晶硅。
[0007] 2001年題為"用于超鈾化學(xué)元素的煅燒方法以及用于該方法的核反應(yīng)堆"的俄羅 斯聯(lián)邦專利號Na2267826，G21Gl/02描述了一種使用其中放置長壽命重元素放射性核素的 輕度次臨界(k~1)核反應(yīng)堆堆芯的方法和裝置。如其中所建議的，堆芯臨界(k=l)所需要 的附加的中子從諸如帶有鉛靶或鉛-鉍靶的能量為lGeV的質(zhì)子加速器之類的外部源注入。 然而，由于基于質(zhì)子束的方法其固有的概念上無法突破的限制，所以該現(xiàn)有技術(shù)工程解決 方案不允許顯著提高核能轉(zhuǎn)化為熱的效率。而且，還無法消除用于生產(chǎn)不可接受的高量的 長壽命放射性核素的源或與生產(chǎn)適合于核恐怖主義的材料有關(guān)的風(fēng)險。
[0008] 在2003年題為"用于將核能轉(zhuǎn)化為熱的方法"的俄羅斯聯(lián)邦專利號Ng.2238597，G21 C 1/30中，提出了使用相對質(zhì)子束來觸發(fā)由重化學(xué)元素(鉛、鉍、釷和貧化鈾以及它們的組 合)制成的深度次臨界靶中的核級聯(lián)過程，而靶內(nèi)容物同時用作燃料和傳熱介質(zhì)。發(fā)明人指 出，伴隨加速粒子能量的增加，靶原子核的更深分裂的幾率增大。然而，此工程解決方案具 有如上所述的由于使用相對論性質(zhì)子束而導(dǎo)致的相似缺陷，并且沒有解決與在所提出的靶 中生產(chǎn)的并離開該靶的次級中子束的利用相關(guān)聯(lián)的問題。
[0009] 最接近的現(xiàn)有技術(shù)是根據(jù)2008年題為"用于將核能轉(zhuǎn)化為熱的方法和系統(tǒng)"的俄 羅斯聯(lián)邦專利號Να2413314的發(fā)明。該方案采用重帶電粒子(例如鈾、釷、鉍和鉛同位素的多 電荷離子)束的加速直到導(dǎo)致開始產(chǎn)生用作靶的深度次臨界堆芯中的級聯(lián)核子通量的能 量，向該靶引導(dǎo)該核子流并監(jiān)控該靶的狀態(tài)，在必要時更換該靶的內(nèi)容物。為了增加所述通 量的強(qiáng)度，提出堆芯可以部分或完全由乏核燃料構(gòu)成。用于該方法的裝置包括相對論性多 電荷離子加速器，用于將束運(yùn)輸并引入到靶上以與加速器和靶連接的單元，后者一般被放 置于堅固的通常為圓柱形的容器中。在反應(yīng)堆(靶）中生產(chǎn)的過量的熱借助于子系統(tǒng)消除， 該子系統(tǒng)包括第一和第二回路冷卻劑，具有熱變換器功能的熱電轉(zhuǎn)化單元。
[0010] 然而，上述原型既有所要求保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，也同時存在著與用于增加核能轉(zhuǎn)化為熱 效率的加速離子束的不完全利用和包括钚和次錒系元素(镎、镅和鋦）的長壽命放射性核素 的回收的若干缺點(diǎn)。
[0011] 本文中所提出的本發(fā)明排除了現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)明和原型的上述缺點(diǎn)。
[0012] 本發(fā)明的目的是增加核能轉(zhuǎn)化為熱的效率并且回收范圍廣泛的長壽命放射性核 素。
[0013] 這種情況下的長壽命放射性核素是半衰期超過15年的那些。
[0014] 本發(fā)明的技術(shù)效果在于增加核能轉(zhuǎn)化為熱的效率，回收范圍廣泛的長壽命放射性 核素以及生產(chǎn)適用于進(jìn)一步使用的材料。
[0015] 用于輻照重化學(xué)元素的同位素將核能轉(zhuǎn)化為熱的方法的技術(shù)效果實(shí)現(xiàn)如下。產(chǎn)生 和加速相對論性離子束，該束被引導(dǎo)至深度次臨界靶的定期更新的材料，其引起靶原子核 的裂變，產(chǎn)生包括中子的次級粒子通量，次級粒子被布置以分裂重化學(xué)元素的同位素的原 子核，其再一次引起核能的釋放，監(jiān)控確保束的動能的傳遞和次級粒子向靶的傳遞的靶尺 寸情況，并且確定核裂變產(chǎn)物的積聚和更換的持續(xù)時間。加速前述相對論性離子束到借助 于裂變靶材料生產(chǎn)至少兩代的原子核多重碎裂產(chǎn)物的能級，并且由準(zhǔn)備用于暴露的材料在 超過裂變產(chǎn)物的積聚和更換的持續(xù)時間的時間間隔內(nèi)釋放核能。回收次級粒子通量，冷卻 并且轉(zhuǎn)移暴露后的材料以回收作為加工材料，用來提取根據(jù)所要求保護(hù)的方法適合后續(xù)使 用的材料。
[0016] 用于輻照重化學(xué)元素的同位素將核能轉(zhuǎn)化為熱的裝置的技術(shù)效果實(shí)現(xiàn)如下。在裝 置的第一實(shí)施例中，其包括相對論性離子束加速器、用于將束運(yùn)輸并引入到靶上的單元、適 當(dāng)?shù)胤忾]在上端開口的耐火、耐輻射、耐蝕容器中的由重化學(xué)元素制成的深度次臨界靶、以 及熱變換器單元，所有串聯(lián)布置，根據(jù)本發(fā)明的靶容器相對于裝置的能量軸具有圓錐形或 者球形形狀，并且通過管道連接到熱變換器以及通過管道和關(guān)閉機(jī)構(gòu)連接到備用單元，該 備用單元允許其補(bǔ)充并且位于靶上方。因此，提供了用于將核能轉(zhuǎn)化為熱的裝置的最簡單 并且因此更可靠的設(shè)計。
[0017] 在裝置第二實(shí)施例中，其包括相對論性離子束加速器、用于將束運(yùn)輸并引入到靶 上的單元、適當(dāng)?shù)胤忾]在上端開口的耐火、耐輻射、耐蝕容器中的由重化學(xué)元素制成的深度 次臨界靶、以及熱變換器單元，所有串聯(lián)布置，根據(jù)本發(fā)明的靶容器由相對于用于將束運(yùn)輸 并引入到靶上的單元連續(xù)設(shè)置的兩段制成，該段相對于裝置的能量軸的側(cè)表面具有類似圓 柱形或圓錐形形狀，能夠輕易地更換和固定的第一段的基座部分被制成平面或球面，第二 段通過管道連接到熱變換器以及通過管道和關(guān)閉機(jī)構(gòu)連接到備用單元，該備用單元允許其 補(bǔ)充并且位于靶上方。裝置的該實(shí)施例的區(qū)別在于，連同動力生產(chǎn)一起，它提供了以下可能 性:通過由放射性廢料和/或錒系元素和/或乏核燃料形成的靶的第一段的潛在更換，在相 對論性離子束下，將長壽命放射性核素占絕大部分的放射性廢料同時轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟛糠质嵌虊?命放射性核素的放射性廢料。
[0018] 在裝置的第三實(shí)施例中，其包括相對論性離子束加速器、用于將束運(yùn)輸并引入到 靶上的單元、適當(dāng)?shù)胤忾]在上端開口的耐火、耐輻射、耐蝕容器中的由重化學(xué)元素制成的深 度次臨界靶、以及熱變換器單元，所有串聯(lián)布置，根據(jù)本發(fā)明的靶容器由相對于用于將束運(yùn) 輸并引入到靶上的單元連續(xù)設(shè)置的三段制成，該段相對于裝置的能量軸的側(cè)表面具有類似 圓柱形或圓錐形形狀，能夠輕易地更換