Способ трансмутации изотопов

(51) 5 ОИ Р 9 30 Комитет Российской Федерацииг ио патентам и товарным знакамЕНУ(76) Еремеев Игорь Петрович(54) СПОСОБ ТРАНСМУТАЦИИ ИЗОТОПОВ(67) Использование: утилизация радиоактивных отходов, Сущность изобретения; утилизацию осуществляют методом трансмутации изотопов, причемдля реализации трансмутации используют магнитотормозное гамма - излучение, критическая энергия спектра которого превышает порог фотоядерных реакций (з, хп) - в качестве трансмутируемых изотопов используют долгоживущие радионуклиды - продукты деления ядра трансурановых актинидов, а образующимися нейтронами облучают ядра 0 - 238 ипи (и) ТЬ - 232, размещенные в веществезамедлителе нейтронов вокруг ядер трансмутируемого изотопа 2 дп ф-лы,3 табл,бил.30 ности тормозного излучения электронов, высокой энергетической "ценой" акта трансмутации из-за низкого коэффициента конверсии электронов в нейтроны, большим энерговыделением в мишени - конверторе 35 40 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 из Тй - 232, отвалов О - 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. 50 55 Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано вядерной технологии и атомной энергетикедля уничтожения радиоактивных отходов(РАО), воспроизводства ядерного топлива и 5создания на этой основе замкнутого ядерного топливного цикла безотходной ядерной технологии), а также для производстваделящихся материалов и радиоактивныхизотопов,10Известен способ превращения (" трансмутации") трансурановых изотопов - актиницов посредством бомбардировкипротонами высоких энергий и облучения образующимися при этом нейтронами, Спо-,15соб характеризуется недостаточно высокойскоростью трансмутации из-за низкой плотности и интенсивности ускоряемых пучковпротонов, низкой энергетической "ценой"акта трансмутации, большим энерговыделением в среде при бомбардировке ядер про.тонами.Известен способ трансмутации актинидов посредством облучения нейтронами,образующимися в мишени под действием 25пучка релятивистских электронов, Способхарактеризуется низкой скоростью трансмутации вследствие недостаточно высокойинтенсивности и низкой спектральной плотДля достижения цели используют изотопические мишени, изготовленные из содержащихся в отработанном ядерномтопливе долгоживущих радиоактивных изотопов - продуктов деления и трансурановыхактинидов, устанавливают вокруг мишенейзамедлитель нейтронов, в котором размещают 0 - 238 и/или Тй - 232, облучаютмишени магнитотормозным гамма-излучением, содержащим гамма-кванты с энергией выше порога реакции ( у,п) на ядрахкаждого из изотопов, а образующиеся фотонейтроны используютдля облучения 0-238и/или ТЬ - 232,На фиг.1 изображена схема, иллюстрирующая применение способа для уничтожения РАО - продуктов деления Яг - 90, Сэ -137 и трансурановых актинидов 0 - 236 и Рц- 240; на фиг,2 - схемы трансмутации Яг -90 в ядра стабильных изотопов и 0 - 236 - вядра делящихся изотопов с помощью реакцииу,хп); на фиг,3 - схема, иллюстрирующая и рименение способа для производстваядерного топлива и компенсации энергозатрат на уничтожение РАО за счет полученияделящихся изотопов из ТЬ -232 и отвалов О- 238,Способ осуществляютследующимобразом,На траектории электронов, ускоряемыхдо ул ьтрарелятивистских энергий, устанавливают системы с однородным и/или пространственно-периодическим магнитнымполем. По периферии устанавливают иэотопические мишени, изготовленные из содержащихся в отработанном ядерном топливедолгоживущих 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 - периодическимполем, Мишени окружают замедлителемнейтронов и блоками из 0 - 238, ТЬ - 232,Электроны ускоряют до такой энергииЕ. чтобы ри пропускании через установленные на их орбите магнитные системы свыбранными значениями поля Н критическая энергия Е, спектра возникающего магнитотормозного излученйя, равная6, г,Нгде Ес, в кэВ. Е в гэВ, Н в Тл, достигалавеличины энергетического порога Е у фотоядерной реакции ( у,п) для каждого из подлежащих трансмутации изотопов,Возникшее гамма-излучение выводят с участков орбиты из магнитных систем в периферийную область пространства инаправляют на установленные вокруг магнитных систем изотопические мишени,Долгоживущие радиоактивные продукты деления уничтожают, направляя гаммаизлучение на мишени иэ радионуклидов 5Зг, Сзи дросуществляя их трансмутацию в ядра стабильных изотопов. Четныеизотопы урана и трансурановых актинидовтрансмутируют в нечетные делящиеся изотопы урана и плутония, обеспечивая воспроизводство ядерного топлива и компенсируяэнергозатраты на уничтожение РАО, Производство ядерного топлива и компенсациюэтих энергозатрат осуществляют также, облучая размещенные вокруг мишеней из радионуклидов в веществе - замедлителенейтронов блоки О - 238 и(или Тй - 232образующимися в мишенях фотонейтронами,Для радионуклидов с массой 90 - 150 и 20для ядер трансурановых актинидов величины Е уп составляют 5-10 Мэв, что соответствует значениям параметра Е Н =4=(1-1,5) 10 . При соблюдении этого условия спектральная плотность генерируемого гамма-излучения в областигигантского дипольного резонанса в сечении реакций (у, хп) становится достаточнойдля того, чтобы наряду с его высокой интенсивностью и пространственной плотностью 30обеспечить скорость трансмутации радионуклидов, существенно выше достигаемой впрототипе и достаточную для техническогоприменения.35Магнитные системы могут быть установлены на замкнутой траектории в циклическом ускорителе, накопителе электронов или на выведенном пучке линейного ускорителя, ускорителя с рециркуляцией электрон ного пучка. Оптимальным является вариант, когда в накопительном кольце обеспечивают условия для многократного обращения пучка ускоренных электронов через магнитные структуры при величинах Н, удовлетво 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 2 л 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 1 у р, где Яу - длина пробега в веществе мишени у- квантов с энергией Есу, лежащей в области гигантского резонанса реакции (у, и) для трансмутируемых ядер, р - средний косинус угла рассеяния у - квантов, усредненный по числу комптоновских рассеяний при условии, что Е уЕ, где Еу - энергия рассеянного кванта.При соблюдении указанных условий, среднем значении тока не менее 100 гпА, 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 указанные энергозатраты за счет воспроизводства делящихся изотопов из О - 238 и Тй - 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 в 3-7 раз менее энерго- емок по сравнению с прототипом.Формула изобретенияСПОСОБ ТРАНСМУТАЦИИ ИЗОТОЙОВ посредством облучения, отличающийся тем, что используют изотопические мишени, изготовленные иэ содержащихся в отработанном ядерном топливе долгоживущих радиоактивных иэотоповпродуктов деления и трансурановых актинидов вокру мишеней устанавливают.замедлитель нейтронов, в котором размещают ураниили торий, облучают мишени магнитотормоэным гамма- излучением, содержащим гамма-кванты с энергией выше порога реакции (у,л) на ядрах каждого из изотопов, а образующиеся фотонейтроны используют для облучения 1 О уранаиили тория.