用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法以及用于实现该方法的装置（实施例）的制作方法
【专利说明】用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法以及用 于实现该方法的装置(实施例）
[0001] 本发明涉及重化学元素的核化学、核动力工程，更具体地，涉及一种用于辐照重化 学元素的同位素将核能转化为热的方法，和一种通过使深度次临界靶暴露于加速重带电粒 子束来实现该方法的装置，所述靶的尺寸足以完全吸收此这样的束。
[0002] 本发明还适合于其它目的，包括但不局限于各种材料和物质的辐照和失活、同位 素的生产和分离、核掺杂。
[0003] 通过能量分离各种元素的同位素和粒子的研究当前相当活跃。因此，例如，现有技 术中已知分离碱金属同位素(俄罗斯联邦专利号No.2129909 B01D59/34)、镱同位素(俄罗斯 联邦专利号No.2119816 801059/00,801059/34,0)1657/00，1998年）、汞同位素（俄罗斯联邦 专利号No.2074018 B01D59/34，C01G13/00)的方法。
[0004] 现有技术中已知通过电离处理用于核燃料的材料来分离同位素(俄罗斯联邦专利 号No.2189273 B01D59/00,于2000年公布），其中，具有在第一范围内和/或等于第一能级的 能量的成分与具有在第二范围内和/或等于第二能级的能量的成分部分地分离，并向等离 子体引入与成分相互作用的化学材料。
[0005] 通过能量分离带电粒子的方法和装置(俄罗斯联邦专利号NO.2187171B01D59/00， 2000年)对于核工程来说具有重大的应用相关性。这些解决方案旨在分离带电粒子，例如， 在通过能量分离同位素的阶段，同现有技术的当寻找同位素分离方式时被研发的其它解决 方案一起，实现可控的核和热核聚变、通过离子束和电子束装置产生带电离子束、并且在加 速设备中控制带电粒子束。
[0006] 根据1997年题为"用于硅失活的方法"的俄罗斯联邦专利No.2119688 G21F9/00和 2000年题为"用于硅的中子嬗变掺杂方法"的专利申请第2000124650号，建议利用源于核电 站反应堆芯的次级中子通量来失活、蚀刻和掺杂单晶硅。
[0007] 2001年题为"用于超铀化学元素的煅烧方法以及用于该方法的核反应堆"的俄罗 斯联邦专利号Na2267826，G21Gl/02描述了一种使用其中放置长寿命重元素放射性核素的 轻度次临界(k~1)核反应堆堆芯的方法和装置。如其中所建议的，堆芯临界(k=l)所需要 的附加的中子从诸如带有铅靶或铅-铋靶的能量为lGeV的质子加速器之类的外部源注入。 然而，由于基于质子束的方法其固有的概念上无法突破的限制，所以该现有技术工程解决 方案不允许显著提高核能转化为热的效率。而且，还无法消除用于生产不可接受的高量的 长寿命放射性核素的源或与生产适合于核恐怖主义的材料有关的风险。
[0008] 在2003年题为"用于将核能转化为热的方法"的俄罗斯联邦专利号Ng.2238597，G21 C 1/30中，提出了使用相对质子束来触发由重化学元素(铅、铋、钍和贫化铀以及它们的组 合)制成的深度次临界靶中的核级联过程，而靶内容物同时用作燃料和传热介质。发明人指 出，伴随加速粒子能量的增加，靶原子核的更深分裂的几率增大。然而，此工程解决方案具 有如上所述的由于使用相对论性质子束而导致的相似缺陷，并且没有解决与在所提出的靶 中生产的并离开该靶的次级中子束的利用相关联的问题。
[0009] 最接近的现有技术是根据2008年题为"用于将核能转化为热的方法和系统"的俄 罗斯联邦专利号Να2413314的发明。该方案采用重带电粒子(例如铀、钍、铋和铅同位素的多 电荷离子)束的加速直到导致开始产生用作靶的深度次临界堆芯中的级联核子通量的能 量，向该靶引导该核子流并监控该靶的状态，在必要时更换该靶的内容物。为了增加所述通 量的强度，提出堆芯可以部分或完全由乏核燃料构成。用于该方法的装置包括相对论性多 电荷离子加速器，用于将束运输并引入到靶上以与加速器和靶连接的单元，后者一般被放 置于坚固的通常为圆柱形的容器中。在反应堆(靶）中生产的过量的热借助于子系统消除， 该子系统包括第一和第二回路冷却剂，具有热变换器功能的热电转化单元。
[0010] 然而，上述原型既有所要求保护的优点，也同时存在着与用于增加核能转化为热 效率的加速离子束的不完全利用和包括钚和次锕系元素(镎、镅和锔）的长寿命放射性核素 的回收的若干缺点。
[0011] 本文中所提出的本发明排除了现有技术中发明和原型的上述缺点。
[0012] 本发明的目的是增加核能转化为热的效率并且回收范围广泛的长寿命放射性核 素。
[0013] 这种情况下的长寿命放射性核素是半衰期超过15年的那些。
[0014] 本发明的技术效果在于增加核能转化为热的效率，回收范围广泛的长寿命放射性 核素以及生产适用于进一步使用的材料。
[0015] 用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的方法的技术效果实现如下。产生 和加速相对论性离子束，该束被引导至深度次临界靶的定期更新的材料，其引起靶原子核 的裂变，产生包括中子的次级粒子通量，次级粒子被布置以分裂重化学元素的同位素的原 子核，其再一次引起核能的释放，监控确保束的动能的传递和次级粒子向靶的传递的靶尺 寸情况，并且确定核裂变产物的积聚和更换的持续时间。加速前述相对论性离子束到借助 于裂变靶材料生产至少两代的原子核多重碎裂产物的能级，并且由准备用于暴露的材料在 超过裂变产物的积聚和更换的持续时间的时间间隔内释放核能。回收次级粒子通量，冷却 并且转移暴露后的材料以回收作为加工材料，用来提取根据所要求保护的方法适合后续使 用的材料。
[0016] 用于辐照重化学元素的同位素将核能转化为热的装置的技术效果实现如下。在装 置的第一实施例中，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到靶上的单元、适 当地封闭在上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的由重化学元素制成的深度次临界靶、以 及热变换器单元，所有串联布置，根据本发明的靶容器相对于装置的能量轴具有圆锥形或 者球形形状，并且通过管道连接到热变换器以及通过管道和关闭机构连接到备用单元，该 备用单元允许其补充并且位于靶上方。因此，提供了用于将核能转化为热的装置的最简单 并且因此更可靠的设计。
[0017] 在装置第二实施例中，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到靶 上的单元、适当地封闭在上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的由重化学元素制成的深度 次临界靶、以及热变换器单元，所有串联布置，根据本发明的靶容器由相对于用于将束运输 并引入到靶上的单元连续设置的两段制成，该段相对于装置的能量轴的侧表面具有类似圆 柱形或圆锥形形状，能够轻易地更换和固定的第一段的基座部分被制成平面或球面，第二 段通过管道连接到热变换器以及通过管道和关闭机构连接到备用单元，该备用单元允许其 补充并且位于靶上方。装置的该实施例的区别在于，连同动力生产一起，它提供了以下可能 性:通过由放射性废料和/或锕系元素和/或乏核燃料形成的靶的第一段的潜在更换，在相 对论性离子束下，将长寿命放射性核素占绝大部分的放射性废料同时转变为大部分是短寿 命放射性核素的放射性废料。
[0018] 在装置的第三实施例中，其包括相对论性离子束加速器、用于将束运输并引入到 靶上的单元、适当地封闭在上端开口的耐火、耐辐射、耐蚀容器中的由重化学元素制成的深 度次临界靶、以及热变换器单元，所有串联布置，根据本发明的靶容器由相对于用于将束运 输并引入到靶上的单元连续设置的三段制成，该段相对于装置的能量轴的侧表面具有类似 圆柱形或圆锥形形状，能够轻易地更换