ES2129665T5

An energy amplifier for "clean" nuclear energy production driven by a particle beam accelerator

Abstract

A METHOD IS PRESENTED TO PRODUCE ENERGY FROM A NUCLEAR FUEL MATERIAL CONTAINED IN AN ACCOMMODATION, THROUGH A PROCEDURE OF PRODUCING A FISIBLE ELEMENT FROM A FERTIL ELEMENT OF THE FUEL MATERIAL THROUGH A PRISURE OF THE FIBER CAUSE THE FISSION OF THE FISIBLE ELEMENT. A RAY OF HIGH ENERGY PARTICLES IS DIRECTED TO THE INSIDE OF THE CLOSURE TO INTERACT WITH THE HEAVY NUCLEUS CONTAINED IN THE ACCOMMODATION THAT HIGH ENERGY NEUTRONS ARE PRODUCED. THE NEUTRONS SO PRODUCED ARE MULTIPLIED IN SUBCRITICAL CONDITIONS THROUGH THE PRODUCTION / REPRODUCTION AND FISSION PROCEDURE. THE PRODUCTION / REPRODUCTION AND FISSION PROCEDURE IS CARRIED OUT WITHIN THE ACCOMMODATION.

ES2129665T5, drawing sheet 1
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45 claims: 13 independent, 32 dependent

  1. 1
    ES 2 129 665 T5 REIVINDICACIONES 1. Método para producir energía a partir de un material combustible nuclear contenido en un recinto, por medio de un proceso de reproducción de un elemento fisionable a partir de un elemento fértil del material combustible por medio de un ^-precursor de dicho elemento fisionable y de la fisión del elemento fisionable, en el que se producen neutrones de alta energía por espalación dentro del recinto (10;62;117) dirigiendo un haz de partículas de alta energía sobre núcleos pesados contenidos en el recinto, siendo multiplicados los neutrones con ello producidos en condiciones subcríticas por medio del proceso de reproducción y de fisión, siendo dicho proceso de reproducción y de fisión realizado en el interior del recinto, y en el que la energía se recupera del calor producido por el proceso de reproducción y de fisión en una fase de combustión en la que la relación entre las concentraciones del elemento fisionable y del elemento fértil en el material combustible es substancialmente estable.
  2. 2
    Método según la reivindicación 1, en el que, en una carga inicial de combustible, la relación entre las concentraciones del elemento fisionable y del elemento fértil es substancialmente menor que el valor estable de dicha relación en la fase de combustión, realizándose una fase inicial de reproducción a fin de alcanzar el valor estable, siendo mayor la intensidad del haz incidente en la fase inicial de reproducción que en la fase de combustión.
  3. 3
    Método según la reivindicación 1, en el que, en una carga inicial de combustible, la relación entre las concentraciones del elemento fisionable y del elemento fértil es aproximadamente el valor estable de dicha relación en la fase de combustión, recuperándose el contenido del elemento fisionable de la carga inicial de combustible, por medio de separación química, respecto a otro material combustible que se ha consumido en una operación anterior similar de producción de energía.
  4. 4
    Método según la reivindicación 2 ó 3, en el que se introduce material combustible adicional en el recinto durante la activación del haz de partículas, presentando dicho material combustible adicional un contenido inicial en el cual la relación entre las concentraciones del elemento fisionable y del elemento fértil es substancialmente menor que el valor estable de dicha relación en la fase de combustión, y en el que el material combustible adicional se saca del recinto una vez que se alcanza el valor estable de dicha relación, a fin de utilizar el material combustible adicional como carga inicial de combustible en una operación posterior de producción de energía.
  5. 5
    Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un flujo medio (Φ) de neutrones al cual está expuesto el material combustible es, como máximo, de 0,03/(σ, (2) τ2), en donde σ,' 2 ' y τ2 designan la sección transversal de captura de neutrones y la semivida, respectivamente, del ^-precursor.
  6. 6
    Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un flujo medio (Φ) de neutrones al cual está expuesto el material combustible es suficientemente bajo para limitar el inventario del ^-precursor de modo que se impida que el material combustible alcance la criticidad en el caso de una interrupción del haz.
  7. 7
    Método según la reivindicación 6, en el que el flujo medio (Φ) de neutrones al cual está expuesto el material combustible es como máximo de 0,2/(σ '3) τ2), en donde σ '3) designa la sección transversal total de interacción de neutrones de los núcleos fisionables, y τ 2 designa la semivida del ^-precursor.
  8. 8
    Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos núcleos pesados contenidos en el recinto están compuestos por núcleos del material combustible, y en el que se dispone agua como medio moderador en el recinto, siendo la relación (Vm/Vf) entre los volúmenes respectivamente ocupados por el moderador a base de agua y por el material combustible en el recinto, en la escala de 0,2 Vm/Vf 1.
  9. 9
    Método según la reivindicación 8, en el que el moderador es agua circulante que se utiliza además para extraer calor del recinto.
  10. 10
    Método según la reivindicación 8 ó 9, en el que el material combustible está en forma fragmentada y constituye un lecho fluidizado con el moderador a base de agua.
  11. 11
    Método según la reivindicación 10, caracterizado porque el caudal del moderador a base de agua es ajustable.
  12. 12
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicho proceso de reproducción y de fisión se realiza dentro del recinto y implica neutrones rápidos, y en el que se utiliza plomo y/o bismuto fundidos para proporcionar los núcleos pesados contenidos en el recinto para interactuar con el haz de partículas, siendo circulado dicho plomo y/o dicho bismuto fundidos a lo largo de un circuito de refrigeración para extraer calor del recinto.
  13. 13
    Método según la reivindicación 12, en el queel flujo medio de neutrones en el recinto es inferiora10 15 16 cm -2 .s -1 .
  14. 14
    Método según la reivindicación 13, en el que el circuito de refrigeración está dimensionado de modo que se asegure, por convección pasiva, una disipación del calor generado radiactivamente.
  15. 15
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en el que una zona fértil (130) de material fértil está dispuesta alrededor del material combustible de modo que capture los neutrones en exceso y produzca unos elementos ES 2 129 665 T5 fisionables, pudiéndose utilizar la mezcla fértil-fisionable obtenida con ello como una carga inicial de combustible en una posterior operación de producción de energía.
  16. 16
    Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el proceso de reproducción y de fisión se realiza con un factor efectivo de multiplicación por lo menos igual a 0,9.
  17. 17
    Método según la reivindicación 16, en el que los neutrones implicados en el proceso de reproducción y de fisión son neutrones térmicos, y en el que el factor efectivo de multiplicación está comprendido en un intervalo de entre 0,9 y 0,95.
  18. 18
    Método según la reivindicación 16, en el que los neutrones implicados en el proceso de reproducción y de fisión son neutrones rápidos, y en el que el factor efectivo de multiplicación es por lo menos igual a 0,95.
  19. 19
    Método según la reivindicación 18, en el que el factor efectivo de multiplicación es aproximadamente 0,98.
  20. 20
    Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el haz de partículas de alta energía presenta una potencia del haz de aproximadamente 20 MW como máximo.
  21. 21
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, en el que el elemento fértil es Th 232 , el β-precursor es Pa 233 y el elemento fisionable es U 233
  22. 22
    Método según la reivindicación 21, en el que se disponen núcleos de U 235 en la carga inicial de combustible, de modo que se obtenga un contenido fisionable en el material combustible antes de la fase de combustión.
  23. 23
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, en el que el elemento fértil es U 238 , el β-precursor es Np 239 y el elemento fisionable es Pu 239 .
  24. 24
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, 16, 17 y 20, en el que se dispone un medio moderador en el recinto (10;62) de modo que se moderen los neutrones a energías térmicas o epitérmicas.
  25. 25
    Método según las reivindicaciones 21 y 24, en el que el flujo medio de neutrones en el recinto es inferior a 1,5 x 10 14 cm -2 .s -1 .
  26. 26
    Método según la reivindicación 25, en el que el material combustible se deja en el recinto hasta que ha sido sometido a un flujo integrado de neutrones de aproximadamente 3 x 10 22 cm -2 .
  27. 27
    Método según las reivindicaciones 23 y 24, en el que el flujo medio de neutrones en el recinto es inferior a 10 15 cm -2 .s -1 .
  28. 28
    Método según la reivindicación 27, en el que el material combustible se deja en el recinto hasta que ha sido sometido a un flujo integrado de neutrones de aproximadamente 10 22 cm -2 .
  29. 29
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 y 12 a 28, en el que dichos núcleos pesados contenidos en el recinto están proporcionados por un blanco de espalación separado o independiente (14;127).
  30. 30
    Método según la reivindicación 29, en el que el blanco de espalación está posicionado centralmente en el recinto y está rodeado por el material combustible.
  31. 31
    Método según la reivindicación 29 ó 30, en el que el blanco de espalación contiene una cantidad substancial de un material que presenta una alta transparencia a los neutrones térmicos.
  32. 32
    Método según la reivindicación 31, en el que el blanco de espalación está constituido por bismuto y/o plomo.
  33. 33
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 29 a 32, en el que se dispone un medio moderador (23) en fase sólida en el recinto de modo que se logre una termalización substancialmente completa de los neutrones de alta energía producidos por el blanco de espalación.
  34. 34
    Método según la reivindicación 33, en el que el material combustible está compuesto por una pluralidad de cuerpos de combustible (22) cada uno de ellos encapsulado en una envolvente (23) de moderador en fase sólida.
  35. 35
    Método según la reivindicación 33 ó 34, en el que el medio moderador es grafito.
  36. 36
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 29 a 35, en el que se extrae calor del recinto (10) mediante gas circulante. 37
  37. 37
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a7, 16y20, enel quelos neutrones implicados en el proceso de reproducción y de fisión son neutrones rápidos. ES 2 129 665 T5
  38. 38
    Método según la reivindicación 37, en el queel flujo medio de neutrones en el recinto es inferior a 10 16 cm -2 .s -1 .
  39. 39
    Método según la reivindicación 37 ó 38, en el que se utiliza plomo y/o bismuto fundidos para proporcionar los núcleos pesados contenidos en el recinto para interactuar con el haz de partículas, siendo circulado dicho plomo y/o dicho bismuto fundidos a lo largo de un circuito de refrigeración para extraer calor del recinto.
  40. 40
    Método según la reivindicación 39, en el que el circuito de refrigeración está dimensionado de modo que se asegure, por convección pasiva, una disipación del calor generado radiactivamente.
  41. 41
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 37 a 40, en el que una zona fértil (130) de material fértil está dispuesta alrededor del material combustible de modo que capture los neutrones en exceso y produzca unos elementos fisionables, pudiéndose utilizar la mezcla fértil-fisionable obtenida con ello como una carga inicial de combustible en una posterior operación de producción de energía.
  42. 42
    Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 41, en el que las partículas del haz incidente son protones o deuterones proporcionados por un acelerador lineal de partículas o por un ciclotrón (41-48) de enfoque por sectores y que presentan una energía de por lo menos 0,5 GeV.
  43. 43
    Amplificador de energía para la realización de un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 42, que comprende un recinto (10;62;117) para contener un material combustible que incluye un elemento fértil, caracterizado porque comprende además una fuente de espalación de neutrones de alta energía que comprende núcleos pesados contenidos en el recinto y medios (2-5;11, 17, 18;57, 58;116, 125) para dirigir un haz de partículas de alta energía sobre dichos núcleos pesados, por lo que los neutrones pueden ser multiplicados en condiciones subcríticas por medio de un proceso in situ de reproducción de elementos fisionables a partir de elementos fértiles del material combustible y por fisión de los elementos fisionables.
  44. 44
    Instalación de producción de energía, que comprende un amplificador de energía según la reivindicación 43, un acelerador de partículas para producir un haz de partículas de alta energía dirigido hacia el interior del recinto del amplificador de energía y unos medios de circulación de fluido refrigerante para extraer calor del recinto del amplificador de energía.
  45. 45
    Instalación según la reivindicación 44, que comprende además unos medios de conversión de energía para transformar el calor transportado por el fluido refrigerante en electricidad, siendo gobernado el acelerador de partículas por una parte de la electricidad producida por los medios de conversión de energía. NOTA INFORMATIVA:Conforme a la reserva del art. 167.2 del Convenio de Patentes Europeas (CPE) y a la Disposición Transitoria del RD 2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicación del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen a España y solicitadas antes del 7-10-1992, no producirán ningún efecto en España en la medida en que confieran protección a productos químicos y farmacéuticos como tales. Esta información no prejuzga que la patente esté o no incluida en la mencionada reserva.
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