Мискевич Прямое преобразование ядерной енергии 2011

Обычно записанные сигналы выглядят так, как на рис. 4.9. Характерный признак наличия режима генерации – резкий излом осциллограммы в начале и в конце импульса генерации.

Фотография типичной установки с ЛЯН показана на рис. 4.10. На переднем плане виден цилиндрический замедлитель из полиэтилена с активным элементом внутри и двумя юстировочными головками зеркал резонатора, на заднем плане – активная зона реактора «БАРС». За импульс длительностью 50 мкс в активной зоне

реактора выделяется 1 МДж энергии.

Рис.4.10 Общий вид установки на реакторе «БАРС» [73]

Пример. Оценим эффективность использования нейтронного потока при такой схеме накачки. Будем считать, что в качестве радиатора заряженных частиц использован слой металлического урана-235 толщиной 6 мг/cм2. Вероятность тепловому нейтрону, выходящему с 1 см2 поверхности активной зоны ядерного реактора, поглотиться в этом слое и произвести деление ядра урана, будет

р = NU . σf = 6.10-3 . 6,03.1023.560.10-24 / 235 = 0,00862.

121

Для 235U сечение деления σf = 560. 10-24 см2. Таким образом, если мы будем использовать все нейтроны, вылетающие с поверхности активной зоны реактора, то на одно деление в активной зоне ядерного реактора, которое сопровождается выделением 200 МэВ энергии в активной зоне, будет приходиться только 0,0086 дел. в лазерном активном элементе, т.е около 1,7 МэВ. Это очень не эффективно, и при таком подходе трудно будет построить мощную лазерную систему с ядерной накачкой.

Эффективное использование нейтронного потока можно осуществить в реакторе-лазере, активная зона которого построена из лазерных кювет, причем в качестве топлива используются непосредственно урановые слои лазерных кювет. Тогда на один акт деления в активной зоне реактора будет приходиться ровно 1 акт деления в лазерном активном элементе, т.е. вся энергия ядерного реактора используется для накачки активной среды лазера.

4.4. Реактор-лазерные системы импульсного и непрерывного действия

Идея создания ядерно-лазерного устройства на основе газовой среды была высказана в 1964 г. еще до появления первых ЛЯН [3]. Первые проекты мощных ЛЯН появились позже: в работе [6] рассматривалась активная зона (АЗ) реактора, состоящая из 1500 окруженных замедлителем алюминиевых трубок с нанесенными на внутреннюю поверхность слоями 235U и заполненными смесью He–Ne при давлении ~ 10 мм рт. ст. Позднее в литературе рассматривались возможности использования в качестве топлива газообразных соединений урана(UF6 , пары урана) или аэрозольных урановых частиц. Интерес к газообразным соединениям урана связан

стем, что эффективность использования энергии осколков деления

вэтом случае приближается к 100 %.В качестве лазерных сред для

газофазных РЛ на основе UF6 предлагались UF6–CO2–N2–He ,UF6– He, UF6–He–Xe, UF6–Ar–Xe и другие.смеси. Для достижения критичности такого реактора требуются высокие концентрации UF6 в смеси – 5 % и выше. Однако получение лазерного эффекта в газовых смесях при концентрациях UF6 выше 1 % маловероятно, по-

скольку молекулы UF6 обладают высокими скоростями столкновительного тушения верхнего рабочего уровня активной среды лазера. Определенные проблемы возникают и при создании РЛ на аэрозольном топливе с диаметром частиц урана несколько микромет-

122

ров. Основная трудность создания РЛ на парах урана заключается в необходимости поддержания высокой (~ 4000 К) температуры активной среды, что также технически трудно осуществимо.

Лазерный

луч

Рис. 4.11. Схема газофазного реактора-лазера непрерывного действия, активная зона которого представляет собой смесь уранового топлива UF6 с инертными газами Не и Хе [15]:

1 – напуск UF6 /He/Xe смеси; 2 – мультифасеточное зеркало;

3 – верхняя опора оптических узлов лазера; 4 – большое зеркало задающего генератора; 5 – лазерная ячейка; 6 – внутренний корпус; 7 – малое зеркало задающего генератора; 8 – поворотное зеркало;

9 – фокусирующая и коллимирующая линза

Схема реактора-лазера с газообразным топливом UF6 показана на рис. 4.11. Активная зона реактора-лазера размером 242 х 400 см выполнена в виде набора из 61 труб гексагональной формы с поперечным размером 30 см каждая, установленных в графитовом замедлителе. Трубы заполнены смесью газообразного UF6 с Не и Хе, выполняющую роль лазерно-активной среды. Давление газовой смеси – (5–10) атм, температура – 600 К. Общее количество делящегося вещества (235U) в трубах составляет около 10 кг, что обеспечи-

123

вает длительный непрерывный режим работы реактора на мощности от 10 до 100 МВт при потоках тепловых нейтронов до 1015 тепл. нейтр. см-2.с-1. Лазерная часть установки выполнена по схеме «задающий генератор – усилитель». В качестве задающего генератора используется центральная ячейка, а остальные 60 – как усилители светового потока. Разделение светового пучка эадающего генератора на 60 лучей и объединение их в один луч после усиления производится с помощью двух мультифасеточных зеркал 2, поворотных зеркал 8 и специальных коллимирующих и фокусирующих линз 9. Полные габариты установки – 4,5 х 6,0 м.

Наиболее реальными конструкциями представляются гетерогенные РЛ на тонкопленочном урановом топливе. В настояшее время имеются и изготавливаются несколько таких установок, две из которых были построены ранее («ЭБР-Л», ВНИИТФ, г. Снежинск; «ОКУЯН», ФЭИ, г. Обнинск), одна установка находится в завершающей стадии постройки («ИКАР-500», ВНИИЭФ, г. Саров) и одна – в стадии проектирования («ЛИРА», ВНИИТФ, г. Снежинск). Активная зона таких реактор-лазеров представляет собой набор определенного количества лазерных ячеек с урановыми слоями, размещенных должным образом в матрице замедлителя нейтронов.

4.4.1. Экспериментальный быстрый реактор-лазер «ЭБР-Л»

124

Полусферические части АЗ в медном отражателе

Кювета

Рис. 4.12: Общий вид (а) и принципиальная схема (б) установки «ЭБР-Л»:

1 – механизм тонкой регулировки реактивности; 2 – верхний медный отражатель; 3 – полусферические части АЗ; 4 – цилиндрический медный отражатель;

5 – полиэтиленовый замедлитель; 6 – нижний отражатель; 7 – блок безопасности;

8 – импульсный стержень; 9 – стоп-блок

125

Этот реактор-лазер был запущен во Всесоюзном научноисследовательском институте технической физики в 1981 г.

Установка «ЭБР-Л» имеет только один лазерный канал с урановым покрытием внутри активной зоны и работает в режиме импульсного ядерного реактора. Энергия накачки лазерного канала составляет небольшую часть от полной энергии реактора и определяется как отношение массы урана-235 в лазерном канале к полной массе урана-235 во всем реакторе. Некоторые характеристики установки «ЭБР-Л» представлены в табл. 4.2.

Схема установки показаны на рис. 4.12. Активная зона (АЗ) реактора состоит из двух полусфер, выполненных из сплава 235U–Mo и окруженных медным отражателем с внутренним каналом диаметром 125 мм. В канале находится замедлитель из полиэтилена длиной 60 см, внутри которого размещается лазерная кювета ø28 х 1200 мм, на внутреннюю поверхность которой на длине 600 мм нанесен слой окиси-закиси урана 90 % обогащения (по 235U) толщиной 2 – 3

мг/см2. Максимальная удельная мощность накачки в лазерной кювете – 2 кВт/см3.

4.4.2. Оптический квантовый усилитель с ядерной накачкой «ОКУЯН» [80]

Установка ОКУЯН Физико-энергетического института, введенная в эксплуатацию в 1999 г., состоит из двухзонного реактора на быстрых нейтронах «БАРС-6» и бустерной подкритической зоны, в которой происходит размножение нейтронов. Лазерный блок размещается в бустерной зоне и представляет собой цилиндрическую конструкцию диаметром 1,7 м и длиной 2,5 м, состоящей из 800 лазерных элементов, выполненных в виде труб диаметром 49 мм и длиной 2,5 м с внутренним урановым покрытием по всей длине толщиной 5 мкм. Две активные зоны реактора «БАРС-6» размещены в продольной осевой полости лазерного блока. В межтрубном пространстве лазерного блока содержится 760 элементов замедлителя нейтронов, изготовленных из полиэтилена фигурного профиля. Лазерный блок в нейтронно-физическом отношении представляет собой глубоко подкритическую АЗ с коэффициентом размножения

126

ления реактором. В одной из сквозных ячеек вместо реакторного модуля в дальнейшем будет расположен лазерный модуль ЛМ-16. Планируемое энерговыделение в АЗ за пуск длительностью от долей секунды до десятков секунд составляет 500 МДж, при этом предполагается получить энергию лазерного излучения > 20 кДж от одного лазерного модуля. В дальнейшем число лазерных модулей будет доведено до 9. Схема конструкции реактора «ИКАР-500» показана на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Схема установки «ИКАР-500»:

1 – лазерный модуль ЛМ-16; 2 – графитовая сборка;3 – каналы детекторов нейтронов; 4 – механизмы источников нейтронов; 5 – регулирующие стержни; 6 – стержни аварийной защиты; 7 – горизонтальные каналы; 8, 9 – шиберы

4.4.4. Лазерно-реакторная установка «ЛИРА» [74]

Эта установка находится в стадии проектирования. По своей идеологии она похожа на установку «ОКУЯН». Установка «ЛИРА» должна состоять из большого подкритического лазерного блока из лазерных элементов в виде длинных тонкостенных трубок, и двух относительно небольших «запальных» импульсных реакторов, размещенных внутри этого блока (рис 4.16).

В качестве реакторного блока использованы два растворных импульсных реактора «Дракон», работающих синхронно (ширина им-

129

пульса на половине высоты – 2 мс, энерговыделение в активной зоне реактора – 30 МДж).

Лазерный блок установки «ЛИРА» состоит из семи идентичных по конструкции усилительных лазерных сборок, в каждую из которых входят 19 лазерных элементов (рис. 4.17). Восьмая сборка включает в себя 8 лазерных элементов, один из которых генератор. Лазерные элементы заключены в алюминиевую трубу диаметром 300 мм и располагаются в ней с шагом 60 мм. Труба, заполняемая водой и окружаемая графитом, образует лазерную сборку. Внешние размеры сборки: сечение – 43×43 см, длина – 3,8 м. Снаружи лазерные сборки окружены полиэтиленовым замедлителем толщиной

10 см.

Рис. 4.16. Схема установки «ЛИРА»:

1 – один из двух «запальных реакторов»; 2 – лазерная сборка; 3 – лазерный элемент; 4 – бетонная защита; 5 – откатная дверь

Каждый лазерный элемент состоит из трех концентрических трубок. На внутреннюю поверхность первой трубки (расположенной внутри), которая имеет диаметр 48 мм, нанесен слой металлического 235U толщиной 6 мкм. Две внешние трубки из алюминия со

130