ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2007, том 33, № 11, с. 971-987
ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 533.9
О ПЕРЕРАБОТКЕ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ
© 2007 г. А. В. Тимофеев
РНЦ "Курчатовский институт", Институт ядерного синтеза, Москва, Россия
Поступила в редакцию 22.03.2007 г. Окончательный вариант получен 19.04.2007 г.
Анализируется плазменная переработка отработавшего ядерного топлива. Показано, что с помощью ионно-циклотронного нагрева в неоднородном магнитном поле можно существенно повысить энергию ионов ядерной золы, оставив ионы ядерного топлива холодными. Рассматриваются две возможности выхода нагретых ионов золы из струи холодной плазмы: за счет увеличения лармо-ровского радиуса и за счет дрейфа в магнитном поле с искривленными силовыми линиями. Найдено, что сепарация золы и топлива с требуемым качеством разделения может быть осуществлена в системах с довольно умеренными параметрами.
PACS: 52.77.-j, 52.50.Qt, 28.41.Kw
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Сравнение с ионно-циклотронным разделением изотопов.
Способы выделения нагретых ионов
В работах [1-3] обсуждается основанный на ионном циклотронном резонансе (ИЦР) плазменный метод переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) - очистки от ядерной "золы" (ЯЗ). Данный метод давно используется для разделения изотопов, см. [4]. Однако проблемы разделения изотопов и переработки ОЯТ различаются в ряде аспектов. Так, если при разделении изотопов какого-либо химического элемента, как правило, выделяется лишь один из изотопов, то при переработке ОЯТ необходимо выделить группу элементов с широким спектром масс. Массы изотопов близки друг к другу, в то время как массы ядер ЯЗ существенно отличаются от масс ядер ЯТ.
В результате схемы разделения ИЦР-методом различаются. Из-за близости масс изотопов для обеспечения селективности ИЦР-нагрева его желательно проводить с помощью монохроматического ВЧ-поля в достаточно сильном однородном магнитном поле. В этом случае можно надеяться на то, что линии циклотронного резонанса соседних изотопов не перекроются.
В реальных условиях из-за большой величины магнитного поля ларморовский радиус даже у нагретых ионов оказывается малым по сравнению с поперечным размером плазменной струи, проходящей через систему ИЦР-нагрева. Для выделения таких ионов из струи используется набор пластин, параллельных магнитному полю. Расстояние между пластинами должно лежать в интервале между диаметрами ларморовских окружностей нагретых и холодных ионов. В этом
случае основной поток холодных ионов пройдет между пластинами. Для того чтобы предотвратить высыпание части холодных ионов на пластины вместе с нагретыми, передний край пластин защищается экранами. Поток плазмы, попадающий на экраны, будет содержать все ионы в той же пропорции, что и в исходной смеси. Для защиты пластин от холодных ионов на пластины также подают положительный потенциал.
Эффективное разделение ионов, различающихся по массе, возможно с помощью стационарных скрещенных электрического и магнитного полей. Данный метод использовался в системе Archimedes [5]. Однако введение постоянного электрического поля в плазму, тем более металлическую, является непростой задачей.
Массы ядер ЯЗ составляют широкий спектр 90 < A < 150 (A - массовое число). Поэтому при использовании монохроматического ВЧ-поля ИЦР-нагрев плазмы ОЯТ необходимо проводить в неоднородном магнитном поле. Его перепад должен быть таким, чтобы обеспечить выполнение условия ИЦР для всех ионов ЯЗ и не допустить этого для ионов самого ЯТ. В силу большой разницы масс, линии циклотронного резонанса ионов ЯТ и ЯЗ не перекрываются даже в сравнительно слабом магнитном поле.
Из-за меньшей величины магнитного поля даже при умеренном нагреве ларморовский радиус ионов ЯЗ может стать сравнимым с радиусом струи холодной плазмы, что значительно облегчает их выделение. Сепарацию ионов можно проводить по значению радиуса, при котором ион проходит через некоторое поперечное сечение потока, а также по максимальному или минимальному значению радиуса на его траектории
г± = \ть ± р,1, где ть - расстояние от центра лармо-ровской окружности до оси, р, - ее радиус. Коллекторы, осуществляющие сепарацию по этим характеристикам, будут описаны в разд. 5.1. Как и в системах для разделения изотопов, коллекторы можно установить непосредственно на выходе системы ИЦР-нагрева. Анализ показывает, что предпочтение следует отдать сепарации по величине г+. Разумеется, для эффективной сепарации на выходе системы ИЦР-нагрева необходимо, чтобы ларморовский радиус ионов был, по крайней мере, сравним с радиусом плазменного шнура.
Выход ионов ЯЗ за пределы потока ионизованного ЯТ требует присутствия в этой области электронов, компенсирующих ионный заряд. Для этого вне потока должна иметься холодная газоразрядная плазма. Такая плазма необходима также для нейтрализации желобкового механизма, который может помешать разделению ионов в криволинейном магнитном поле, см. ниже, а также Приложение 2.
В [6] было предложено выделять нагретые ионы в магнитном поле с изогнутыми силовыми линиями. В таком магнитном поле заряженные частицы дрейфуют в направлении бинормали к силовым линиям. Если в системе разделения силовые линии изгибаются на угол ДО, то при ее прохождении ион сместится по бинормали на рас-
2 2
стояние Ду = Уаг Д( = ((V\\ + V ± /2)/^\Юг- )ДО, где
22
Ус1г = (V\\ + V± /2)югЯ, Я - радиус кривизны силовых линий магнитного поля. Из-за спада магнитного поля в системе ИЦР-нагрева скорости и v± в сепараторе сравнимы по величине. В простейших системах с плоскими силовыми линиями магнитного поля угол ДО < 2п, поэтому для выделения нагретых ионов в криволинейном магнитном поле также необходимо, чтобы ларморовский радиус нагретых ионов был сравним с радиусом шнура холодной плазмы.
Криволинейное магнитное поле разумно использовать в системах разделения изотопов. В таких системах ИЦР-нагрев происходит в однородном магнитном поле, поэтому в результате нагрева создается популяция ионов с v± > Их смещение в криволинейном магнитном поле должно значительно превышать р,.
Разделение с помощью криволинейного магнитного поля становится более эффективным, если создать перепад магнитного поля между системой ВЧ-нагрева и системой разделения. Действительно, с уменьшением магнитного поля поперечный размер шнура холодной плазмы возрастает ^Б0У2, в то время как дрейфовое смещение гс Б-1. Если магнитное поле уменьшается в К раз, то приближенное условие разделения прини-
мает вид р, > г0/К1/2, где ларморовский радиус р, рассчитывается по магнитному полю на выходе системы ИЦР-нагрева. Таким образом, ослабление магнитного поля в сепараторе должно облегчать отделение нагретых ионов ЯЗ. Отметим, что увеличение магнитного поля в системе ИЦР-нагрева позволяет ослабить вредное влияние столкновений на нагрев, см. ниже.
Конкретные расчеты, проводимые в настоящей работе, ориентированы на переработку ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах. Согласно условиям переработки, сформулированным в [2], необходимо снизить содержание золы в топливе с 10% до 1%. При этом в выделяемую золу должно попасть не более 0.1% самого ЯТ. Таким образом, коэффициент разделения в отборе должен быть равен а ~ 103, в то время как в отвале - в ~ 0.1. Такие показатели процесса разделения труднодостижимы методом, применяемым при разделении изотопов, где рекордным значением является а = 133 [7, 4]. В то же время расчеты, проведенные в настоящей работе, показывают, что, выделяя нагретые ионы ЯЗ за пределы струи холодной плазмы, можно обеспечить требуемое значение а при довольно умеренных параметрах системы разделения. Дело в том, что при пространственном выделении ЯЗ в нее попадет лишь высокоэнергичный "хвост" максвелловского распределения ионов ЯТ по энергиям. Чтобы уменьшить их концентрацию до требуемой величины (»0.1%), достаточно отодвинуть приемники ионов ЯЗ от струи холодной плазмы на расстояние порядка нескольких ларморовских радиусов холодных ионов.
1.2. Физические проблемы
Анализ плазменной переработки ОЯТ требует решения большого числа физических задач. Так, к настоящему времени разработана теория возбуждения токовыми антеннами ВЧ-полей в столбе замагниченной плазмы при условии юрг- < к\\С, где Ир, - плазменная ионная частота, к\\ - волновое число электромагнитных колебаний в направлении вдоль магнитного поля, которое можно приближенно оценить как к\\» 2 п/ЬЛ, Ьл - длина антенны. При выполнении указанного условия на ВЧ-поле влияют только электроны, экранирующие продольную компоненту электрического поля. Экранировка приводит к возрастанию его поперечной компоненты, которая оказывается совпадающей с электрическим полем вакуумной ГЕ-моды. На основании такого подхода была создана простая модель возбуждения ВЧ-полей токовыми антеннами в столбе замагниченной плазмы [8-10]. Она является основой расчетов, проводимых в настоящей работе. Следует отметить, что оптимальными для плазменной переработки ОЯТ могут оказаться системы, в которых условие Ир, <§ к\\С будет нарушено. В таких системах в
интересующей нас области частот вакуумная ТЕ-мода переходит в магнитозвуковые колебания, а сам ИЦР-нагрев принимает характер "нагрева на малой добавке".
Знание ВЧ-полей позволяет проанализировать ИЦР-нагрев ионов ЯЗ. Как отмечено выше, этот процесс должен происходить в неоднородном магнитном поле. Линейная теория ИЦР-вза-имодействия в неоднородном магнитном поле хорошо развита, см., например, [11]. Однако оказывается, что для выделения ионов ЯЗ требуется такая интенсивность нагрева, при которой из-за возрастания поперечной энергии становятся существенными нелинейные эффекты, обусловленные увеличением диамагнитной силы F = -цУ50, где ц -магнитный момент иона. Действие этой силы ускоряет выход ионов из резонансной зоны. В результате приращение энергии иона, вызываемое ИЦР-взаимодействием, уменьшается. Последовательная нелинейная теория ИЦР-взаимодействия в неоднородном магнитном поле отсутствует, предложены лишь приближенные формулы, справедливые по порядку величины, см., например, [12]. Поэтому функция распределения ионов, получаемая при ИЦР-нагр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.