ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 11, с. 989-1000
ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 533.9
о плазменной переработке отработавшего ядерного топлива при двухчастотном ионно-циклотронном нагреве
© 2009 г. А. В. Тимофеев
РНЦ "Курчатовский институт", Институт ядерного синтеза, Москва, Россия Поступила в редакцию 29.04.2009 г.
Метод анализа плазменной переработки отработавшего ядерного топлива, развитый ранее, модифицирован на случай плазмы, в которой присутствуют многозарядные ионы ядерного топлива. В такой плазме ионно-циклотронный нагрев ионов ядерной золы следует производить с помощью двух монохроматических ВЧ-полей, различающихся по частоте, причем доля многозарядных ионов £ должна быть невелика £ < 0.1. Данное условие существенно ограничивает производительность систем переработки отработавшего ядерного топлива. Обсуждаются способы преодоления этой трудности.
РАСЯ: 52.77.-j, 52.50.Qt, 28.41.Kw
1. ВВЕДЕНИЕ
В ядерных реакторах на быстрых нейтронах одновременно с производством энергии происходит наработка ядерного топлива (ЯТ) — 239Ри. Однако при этом накапливается и ядерная зола (ЯЗ) — осколки деления ЯТ, которая препятствует протеканию цепной реакции. Для очистки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) от ЯЗ его необходимо периодически извлекать из реактора. При этом содержание ЯТ в "отвале" (ЯЗ) в соответствии с экологическими и санитарными требованиями не должно превышать 0.1%. Так как ЯЗ составляет примерно 10% ОЯТ, то при сепарации допустимо попадание в ЯЗ не более 0.01% исходного количества ЯТ (п* = 10-4). Допустимая степень загрязнения ЯТ продуктами деления, по-видимому, будет определяться экономикой. Чем чище ЯТ, тем реже требуется производить перезагрузку реактора. Желательно, чтобы в очищенном ЯТ оставалось не более 10% ЯЗ
(п* = 10-1). Однако, если содержание ЯЗ поднимется, например, до 25%, то перезагрузку реактора придется производить всего лишь в 1.2 раза чаще.
В [1—4] обсуждается плазменный метод очистки ОЯТ с использованием ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-метод). В схеме [1—4] предполагается, что после ионизации ОЯТ струя плазмы, включающая как ионы ЯТ, так и ионы ЯЗ, поступает в систему ИЦР-нагрева, где происходит селективный нагрев ионов ЯЗ до энергий, существенно превышающих начальную. Заметим, что именно селективность нагрева ионов ЯЗ обеспе-
чивает возможность выделения из ОЯТ столь чистой ЯЗ, так как энергию, сравнимую с энергией нагретых ионов ЯЗ, имеет экспоненциально малая доля ионов ЯТ из далекого "хвоста" максвел-ловского распределения.
Отделение нагретых ионов ЯЗ от холодных ионов ЯТ может производиться как непосредственно на выходе системы ИЦР-нагрева в аксиально-симметричном магнитном поле (возможно однородном), так и в пристыкованном к системе нагрева участке магнитного поля с искривленными силовыми линиями. В первом случае ионы ЯЗ выходят из струи холодной плазмы за счет увеличения ларморовского радиуса. Во втором используется то обстоятельство, что в магнитном поле с искривленными силовыми линиями ионы дрейфуют по бинормали к силовым линиям, причем скорость дрейфа пропорциональна их энергии. Из-за разности дрейфовых скоростей горячие и холодные ионы после прохождения участка криволинейного магнитного поля могут оказаться пространственно разделенными.
Процесс плазменной переработки ОЯТ анализировался в работе [4] в предположении однократной ионизации всех атомов. Однако эта идеализация может не соответствовать реальным условиям. Действительно, потенциалы первой и второй ионизации атомов и сравнительно низки и различаются менее чем вдвое: 6.2 эВ и 11.9 эВ, соответственно, см. [5]. Примерно такие же характеристики имеет и ряд элементов, входящих в состав ЯЗ. В то же время у некоторых элементов ЯЗ, как например, ЯЬ и С8, потенциал второй ионизации превышает 20 эВ.
выход, %
А
Рис. 1. Распределение продуктов деления ядер 239Ри
по массовому числу.
Если предположить, что в плазме, вытекающей из источника, присутствуют только однозарядные ионы, то многозарядные должны появляться при движении плазменной струи по системе сепарации. Скорость рождения многозарядных ионов урана была рассчитана в [6] в интервале температур 2—103 эВ. Даже при наиболее низких значениях температуры из указанного интервала (Те « 2 - 3 эВ) многозарядные ионы нарабатываются весьма эффективно. Так, при параметрах плазменного потока, принятых в [4], ионы в основном станут многозарядными уже на расстояниях порядка 1—10 см от входа в систему переработки ОЯТ. С увеличением заряда ионов резко возрастает частота кулоновских столкновений
Vи х 24. Поэтому чтобы обеспечить замагничен-ность плазмы с многозарядными ионами, приходится увеличивать магнитное поле. Поскольку для выделения нагретых ионов ЯЗ из струи холодной плазмы необходимо, чтобы их ларморовский радиус, по крайней мере, по порядку величины сравнялся с радиусом струи, то энергия, до которой требуется нагреть эти ионы, возрастает с зарядом х Z8, подробнее см. разд. 2.1. В то время как при 2 = 1 энергия ионов ЯЗ составляла величину порядка кэВ, см. [4], уже при 2 = 2 она достигает неприемлемых значений порядка 10—100 кэВ. Поэтому в настоящей работе рассматриваются условия, при которых доля многозарядных ионов в плазме ОЯТ не превышает 10%.
Чтобы замедлить рождение многозарядных ионов и тем самым снизить значение , следует уменьшить плотность плазмы и температуру. Однако какими бы ни были значения этих параметров, вряд ли можно гарантировать, что в струе плазмы, протекающей через систему переработки ОЯТ, доля многозарядных ионов окажется меньше п* = 10-4. Поэтому процесс ИЦР-нагрева должен быть организован таким образом, чтобы эти ионы оставались холодными. Цель настоящей работы состоит в том, чтобы показать принципиальную возможность селективного нагрева ионов ЯЗ и их выделения из холодной плазмы ОЯТ в присутствии ионов ЯТ, каким бы ни был заряд последних.
Некоторая доля ионов ЯЗ, хотя и меньшая, чем ионов ЯТ, также будет многозарядной. В рассматриваемом методе переработки ОЯТ это обстоятельство игнорируется, что допустимо ввиду неопределенности в значениях коэффициента очистки ЯТ от ЯЗ, см. выше. Если бы оказалось, что доля многозарядных ионов ЯЗ 2, существенно превышает допустимую степень загрязнения ЯТ
П* = 10-1, то их также пришлось бы извлекать из струи холодной плазмы ОЯТ. В этом случае при ИЦР-нагреве многозарядных ионов ЯЗ неизбежно нагревались бы и какие-то из ионов ЯТ, см. разд. 2.2. Данное обстоятельство является еще одним доводом в пользу принятого в настоящей работе ограничения на долю многозарядных ионов 0.1.
Из-за разброса ионов ЯЗ по массам их нагрев приходится проводить в неоднородном магнитном поле. Перепад магнитного поля должен быть таким, чтобы в пределах системы ИЦР-нагрева выполнялось условие циклотронного резонанса для всех ионов ЯЗ. Если для нагрева использовать монохроматическое ВЧ-поле, то одновременно будут нагреваться и двухзарядные ионы ЯТ. Действительно, массовые числа основной части элементов ЯЗ лежат в интервале 90 < А < 150. В отвечающий им интервал циклотронных частот попадает циклотронная частота двухзарядных ионов ЯТ с массовым числом А0 « 240. Их нагрева позволяют избежать особенности деления ЯТ. В самом деле, вероятность деления ядер ЯТ на две равные части крайне низка, и массовые числа продуктов деления концентрируются вблизи значений А1 « 100 и А2 ~ 140, см. рис. 1 [5]. В переработанном ЯТ допустимо оставить некоторое количество ЯЗ, см. выше. Оно не превысит 10%, если в соответствии с распределением осколков ЯТ по массам из ОЯТ будут извлечены элементы с массовыми числами 90 < А < 105 и 135 < А < 150. Поэтому в [4] было предложено нагревать ионы ЯЗ двумя монохроматическими ВЧ-полями, частоты которых ю12 подобраны таким образом,
чтобы каждое из ВЧ-полей нагревало одну из указанных групп ионов. При этом перепад магнитного поля должен быть таким, чтобы исключить возможность нагрева ионов ЯТ, каким бы ни был их заряд.
Данное требование затрудняет сепарацию ионов ЯТ и ЯЗ с помощью криволинейного магнитного поля. Дело в том, что антенны, используемые в настоящее время при ИЦР-нагреве, не позволяют локализовать ВЧ-поле, и оно, хотя и с уменьшенной амплитудой, "вытекает из антенн" вдоль основного магнитного поля, см. [7]. Поэтому условие циклотронного резонанса для ионов ЯТ не должно выполняться и на участке криволинейного магнитного поля. Магнитное поле с искривленными силовыми линиями неоднородно, и, чтобы уменьшить его перепад в пределах плазменной струи, приходится увеличивать радиус кривизны силовых линий. Это ведет к увеличению размеров системы переработки ОЯТ
В предлагаемой схеме двухчастотного ИЦР-нагрева греется основная часть ядерных осколков, массовые числа которых близки к A = 100,140. В то же время "хвосты" распределения F(A), в том числе ионы с A ~ A/2 ~ 120, см. рис. 1, остаются холодными и, следовательно, не будут выводиться из ОЯТ. Хотя в распределении осколков их доля невелика, см. [5], при многократной переработке ОЯТ она может стать заметной. Однако в результате нейтронного облучения все ядра подвергаются трансмутациям. Этот процесс может помешать накоплению "хвостовых" ионов.
Рассмотрение, проводимое в настоящей работе, справедливо, если доля многозарядных ионов достаточно мала (2, < 0.1). Это условие ограничивает плотность плазменной струи, проходящей через систему переработки ОЯТ, и следовательно, ее производительность. Пути увеличения производительности обсуждаются в разд. 2.2.
2. ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ СЕПАРАЦИИ 2.1. Магнитное поле, частоты ВЧ-полей
Селективность ИЦР-нагрева ионов ЯЗ, являющаяся необходимым условием их выделения из плазмы ОЯТ, достигается подбором частот электрических полей, возбуждаемых ВЧ-антеннами, и перепада магнитного поля. Он должен быть таким, чтобы в пределах системы ИЦР-нагрева условие циклотронного резонанса выполнялось для основной части ионов ЯЗ, но не для ионов ЯТ.
В настоящей работе принималось, что зависимость магнитного поля от продольной координаты (вдоль оси системы) имеет вид
B(z)=B I1-|3'h (i)}
В пределах системы переработки ОЯТ магнитное поле меняется от Вт
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.