РИТЭГи, по мотивам статьи на AtomInfo.Ru Опции

[Dozik]

Предлагаю вам чуть больше вникать в суть задачи, прежде чем давать кажущийся очевидным, но бесполезный по сути ответ.
Периоды плутония-238 и урана-232 сопоставимы - 87 и 69 лет соответственно. Но уран-232 выдаст в 6 раз больше энергии за время периода полураспада, поскольку дочерние изотопы имеют короткие периоды.

Если справочники не врут, слой половинного ослабления урана-238 - всего 2 миллиметра. То есть, 2-сантиметровый слой обедненного урана ослабит излучение в 1000 раз. Округленно 1 зиверт в год.

Если вы это мне отвечаете: то причем тут 238 уран? Грубо говоря: вы сравнили... эту самую, с пальцем...

[VBVB]

Период полураспада U-232 - 67 лет, тория-228 - 1,9 года, остальные изотопы имеют период от 1 минуты до 3 суток.
Иными словами, за время периода полураспада урана-232, почти все распавшиеся ядра претерпят 6 альфа-распадов, и энерговыход составит ~30 МэВ на ядро. Можно посчитать, что тепловая мощность составит в среднем 2,8 кВт на килограмм урана-232 против 0,5 кВт/кг у плутония-238.

А что уже появился экономически оправданный способ хотя бы граммовой в сутки наработки урана-232?
В тестах MSRE давал в самых худших случаях содержание урана-232 в наработанном уране-233 около 190-200 ppm.
Если посмотреть на процесс наработки урана-233 из тория в легководных реакторах, то даже для случая самого плохого ториевого сырья и малопригодного спектра облучения с длительным выжариванием тория содержание урана-232 в наработанном уране-233 обычно не превышало 250 ppm (т.е. всего 0.25% или 2.5 грамма/кг урана-233). Только при долгом прогоне репроцессированного урана-233 из ОЯТ в легководнике содержание урана-232 достигало 900 ppm (т.е. всего 0.9% или 9 грамм/кг урана-233).
По американским данным уран-233 выходил дороже плутония-239 где-то в 5 раз, по советским данным почти в 6 раз, по индийским - в 3.5-4 раза. Т.е. стоимость выделения урана-232 из нарабатываемого урана-233 будет просто космическая.

Практически только прогон торий-плутониевого МОХа в БНе может дать содержание урана-232 на уровне около 2000 ppm (т.е. 20 грамм/кг урана-233). Если же осуществить репроцессинг такого ОЯТ и прогнать этот уран еще пару раз в активной зоне то можно к величине содержания урана-232 на уровне около 5000 ppm (т.е. 50 грамм/кг урана-233) подобраться.

Но все равно по стоимости выделения уран-232 для РИТЭГов будет стоить космически даже по сравнению с высокодорогостоящим плутонием-238.

Сообщение отредактировал VBVB - 27.2.2017, 2:37

[SpaceEngineer]

А что уже появился экономически оправданный способ хотя бы граммовой в сутки наработки урана-232?
В тестах MSRE давал в самых худших случаях содержание урана-232 в наработанном уране-233 около 190-200 ppm.

Если уран-233 нарабатывают из тория-232, его облучают тепловыми нейтронами с высоким сечением реакции (n, γ) и низким для (n,2n).
При облучении быстрыми нейтронами сечение (n,2n) резко растет, и основным продуктом реакции станет как раз-таки уран-232.
Таким образом, уран-232 будет примерно вдвое дороже 233-го. Дорого, конечно, но до калифорния далеко.

Что касается экономической целесообразности - зависит от того, для чего планируется использовать космические аппараты и как монетизировать результаты их работы. Но этот разговор не для данной темы, и не для данного форума, наверное.

[Dozik]

Что касается экономической целесообразности - зависит от того, для чего планируется использовать космические аппараты и как монетизировать результаты их работы. Но этот разговор не для данной темы, и не для данного форума, наверное.

Ну хорошо, поговорим про технику. Уран-232, только что рожденный - фонит слабо. Но Вам, чтобы его использовать, нужно отделить, сформировать и тд.
Через месяц, после выделения, от 1 грамма, на метре будет светить в 0,4 Р/час. Или на по современному 4 мЗв/час. Это на метре... На 10 см в 100 раз больше. А еще через месяц (ну вам же нужно его транспортировать, монтировать на КА и т.д.) - уже 0,8 Р/час. А через полгода от рождения - целых 2 Р/час. Через год - 4 Р/час и т.д. Это при том, что космическое (галактическое) излучение за год дает порядка 100-120 Рентген за год.
Про защиту от гаммв в 2,6 Мэв и 0, 583 Мэв - промолчим...
Вы это хотите использовать?

[VBVB]

При облучении быстрыми нейтронами сечение (n,2n) резко растет, и основным продуктом реакции станет как раз-таки уран-232.
Таким образом, уран-232 будет примерно вдвое дороже 233-го. Дорого, конечно, но до калифорния далеко.

С чего вы взяли что БНе результатом облучения тория-232 будет уран-232 в качестве основного продукта?
Статьи по проблеме бридинга тория в БНах, которые читал, говорили, что при очень высоком уровне нейтронного потока в центре активной зоны чтобы подойти к предельному расчетному уровню накопления урана-232 около 8000 ppm (т.е. только 8%) в уране-233 нужно облучить регенерат ранее уже облученного тория-232 до выгорания на уровне 110 ГВт*сутки/тонну ТМ (это очень-очень приличное выгорание).

Т.е. два длительных прогона сотни килограммов тория-232 дадут наработку урана-233 около 10-12 кг в котором урана-232 максимум удастся набрать 800-950 граммов.

Кажется мне что получение плутония-238 хоть из нептуния, хоть из америция-241 гораздо проще чем альтернатива в виде наработки урана-232 в БНах.

[SpaceEngineer]

Через месяц, после выделения, от 1 грамма, на метре будет светить в 0,4 Р/час. Или на по современному 4 мЗв/час. Это на метре... На 10 см в 100 раз больше. А еще через месяц (ну вам же нужно его транспортировать, монтировать на КА и т.д.) - уже 0,8 Р/час. А через полгода от рождения - целых 2 Р/час. Через год - 4 Р/час и т.д. Это при том, что космическое (галактическое) излучение за год дает порядка 100-120 Рентген за год.
Про защиту от гаммв в 2,6 Мэв и 0, 583 Мэв - промолчим...
Вы это хотите использовать?

Помимо гаммы, большую часть радиации составляет альфа-излучение, от которого легко защищает любая твердая материя... В любом случае понятно, что все манипуляции с изотопами будет осуществлять автоматика. Ну так и в активной зоне реактора, я надеюсь, живые люди не работают, поэтому соответствующая робототехника давным-давно есть.
Мы не то чтобы прям хотим-хотим это использовать, но возможность рассматриваем.

С чего вы взяли что БНе результатом облучения тория-232 будет уран-232 в качестве основного продукта?

http://www.ias.ac.in/article/fulltext/pram/079/02/0249-0262 - вот из этой работы, например.
Ближе к концу пдф-ки там два графика. Видно, что на БН сечение реакции (n,2n) на порядок выше, чем у присоединения нейтрона. То есть, образуется торий-231, из которого двумя бета-распадами и присоединением нейтрона образуется уран-232.

Кажется мне что получение плутония-238 хоть из нептуния, хоть из америция-241 гораздо проще чем альтернатива в виде наработки урана-232 в БНах.

Так ведь уран-232 предлагается не ради погони за удешевлением, а ради в 6 раз большей удельной мощности. Что в свою очередь позволит улучшить динамические характеристики и другие возможности будущих КА.
Так-то логично, что более "крутое" топливо сложнее в получении. Природа не дает халявы...

[Татарин]

Так ведь уран-232 предлагается не ради погони за удешевлением, а ради в 6 раз большей удельной мощности. Что в свою очередь позволит улучшить динамические характеристики и другие возможности будущих КА.
Так-то логично, что более "крутое" топливо сложнее в получении. Природа не дает халявы...

Если нужна удельная мощность, и плевать на излучение и стоимость, то путь очевиден: не уран-232, а уран-235.

Мощность - ничем не ограничена. И регулируется.
А запас энергии - почти 200МэВ на ядро.

[SpaceEngineer]

Если нужна удельная мощность, и плевать на излучение и стоимость, то путь очевиден: не уран-232, а уран-235.

Мощность - ничем не ограничена. И регулируется.
А запас энергии - почти 200МэВ на ядро.

Удельная мощность топлива - конечно да, но посчитайте удельную мощность реактора + необходимых ему средств охлаждения. 50-100 Вт/кг для уранового реактора - потолок.

Поэтому и идет речь о том, чтобы использовать более мощное топливо из тех, что можно засунуть в легкий РИТЭГ.

[Татарин]

Удельная мощность топлива - конечно да, но посчитайте удельную мощность реактора + необходимых ему средств охлаждения. 50-100 Вт/кг для уранового реактора - потолок.

Хм. А средствам охлаждения-то - какая разница, откуда берётся первичное тепло?

легкий РИТЭГ.

Да не такой он уж прямо и лёгкий, когда речь заходит о значительных мощностях... Ведь по сути-то добавочного в реакторе (относительно радиоизотопного источника тепла) - только система управления.

Зато реактор сильно экономит на стартовой биозащите и вообще гораздо безопаснее на старте.

[SpaceEngineer]

Хм. А средствам охлаждения-то - какая разница, откуда берётся первичное тепло?

У реактора более высокая температура активной зоны - требуется подвижный теплоноситель. Тогда как для охлаждения ритэга достаточно пассивной теплопередачи.

Ведь по сути-то добавочного в реакторе (относительно радиоизотопного источника тепла) - только система управления.

Однако система управления - достаточно сложное устройство, особенно если использовать оружейный уран, как вы предлагаете... Это же фактически лететь на бомбе
В то же время, требуется обеспечить прогорание как можно большей доли топлива, иначе игра не стоит свеч... А для этого требуется какая-то система управления радиоактивными отходами... И все это необходимо запихнуть в корабль.

В сравнении с реакцией деления, распад хорош тем, что он идет сам, равномерно по всему топливу. И не представляет ни малейшей взрывоопасности. Поэтому получение более мощного изотопного топлива - задачка по-своему перспективная.

[Татарин]

У реактора более высокая температура активной зоны - требуется подвижный теплоноситель. Тогда как для охлаждения ритэга достаточно пассивной теплопередачи.

?! У реактора ровно такая температура активной зоны, которую пожелает конструктор. Как и у РИТЭГа, кстати.

Однако система управления - достаточно сложное устройство, особенно если использовать оружейный уран, как вы предлагаете... Это же фактически лететь на бомбе
В то же время, требуется обеспечить прогорание как можно большей доли топлива, иначе игра не стоит свеч... А для этого требуется какая-то система управления радиоактивными отходами... И все это необходимо запихнуть в корабль.

Эмм... а почему Вы думаете, что летать на многих килограммах высокоактивного изотопа чем-то безопаснее? Вообще-то, строго наоборот: катастрофические последствия вызывает расплавление реактора с выделением накопленной активности, точно так же, как и для изотопного источника. С той разницей, что радиотоксичность содержимого изотопного источника на ту же мощность на многие десятичные порядки выше.

И не представляет ни малейшей взрывоопасности.

Взрывоопасности и реактор никакой практически значимой не представляет: разлетится раньше, чем выделит хоть сколь-нить значимое количество энергии.

[SpaceEngineer]

А что у реактора с масштабированием вниз? Ритэги например могут весить 40 кг при весе топлива около 10 кг. Какова масса реактора, способного хотя бы к 10 годам стабильной работы? На 3-4 порядка больше, полагаю?
И какого процента выгорания топлива можно достичь?

[Татарин]

А что у реактора с масштабированием вниз? Ритэги например могут весить 40 кг при весе топлива около 10 кг. Какова масса реактора, способного хотя бы к 10 годам стабильной работы? На 3-4 порядка больше, полагаю?
И какого процента выгорания топлива можно достичь?

Конечно, реакторы плохо масштабируются вниз. Отсюда и возникает ниша для изотопных источников. Просто когда изотопные источники выходят из своей ниши и начинают требовать, например, бОльшей биозащиты, нужно не зацикливаться и переходить к реакторам.

Да хоть 100 лет работы. Вопрос же в мощности, на которой зона будет использоваться эти годы. Если она не используется, то уран-235 может и миллион лет лежать, ожидая своего часа.

Выгорание порядка 10%, НЯП, достижимо. Это уже гораздо больше, чем могут изотопные источники. А учитывая то, что энергия реактора (в силу возможности ею рулить) используется более эффективно - так и вообще.

А еще уран-235 и плутоний-239 банально дешевле урана-232 и плутония-238.

[VBVB]

А что у реактора с масштабированием вниз? Ритэги например могут весить 40 кг при весе топлива около 10 кг. Какова масса реактора, способного хотя бы к 10 годам стабильной работы? На 3-4 порядка больше, полагаю?
И какого процента выгорания топлива можно достичь?

Оценочно на уране-235 космический реактор уровня мощности несколько десятков-сотни кВТ с газовым теплоносителем на промежуточном спектре с длиной топливной кампании до 10 лет будет иметь массу около 850-1000 кг в зависимости от степени совершенства технологий и использования легковесных хай-тек материалов.
На уране-233 масса аналогичного реактора будет на уровне 550-700 кг.
Жидкосолевой реактор на уране-233 с эпитепловым нейтронным спектром будет иметь массу около 200-230 кг.
Жидкосолевой реактор на плутонии-239 с промежуточным нейтронным спектром будет иметь массу около 170-180 кг.

Какие 3-4 порядка???

Думаяю, что Татарин прав. РИТЭГ обсуждаемый будет иметь массу сравнимую с реактором, но будет стоить на порядок-полтора дороже.

[VBVB]

Выгорание порядка 10%, НЯП, достижимо. Это уже гораздо больше, чем могут изотопные источники.

Вполне реально для газовых реакторов на топливной металлокерамике или карбидном пластинчатом топливе

А еще уран-235 и плутоний-239 банально дешевле урана-232 и плутония-238.

Не просто дешевле, а несоизмеримо дешевле.
Грубо говоря киллограмм 90% ВОУ стоит около 50 тысяч долларов, плутония-239 топливного качества около 80-90 тысяч долларов, плутония-239 оружейного качества около 120-160 тысяч долларов. Для урана-232 стоимость приблизится к удесятиреннной стоимости урана-233, т.е. практически к минимально возможной цене в 4.5-5.3 миллионов долларов за кг.
И это без учета затрат на выделение урана-232 из массы урана-233.

Ну в принципе получается, что уран-232 может быть чуть лучше по стоимостной энергоэффективности по сравнению с плутонием-238.

Сообщение отредактировал VBVB - 3.3.2017, 13:53

[SpaceEngineer]

Оценочно на уране-235 космический реактор уровня мощности несколько десятков-сотни кВТ с газовым теплоносителем на промежуточном спектре с длиной топливной кампании до 10 лет будет иметь массу около 850-1000 кг в зависимости от степени совершенства технологий и использования легковесных хай-тек материалов.
На уране-233 масса аналогичного реактора будет на уровне 550-700 кг.

Можно ссылки на источники оценок? Кроме того, "несколько десятков / сотни" - это слишком большой разброс.
И 10 лет - маловато будет.

[Татарин]

И 10 лет - маловато будет.

Для чего маловато?

[SpaceEngineer]

Для чего маловато?

Для дальнего космоса. Запуская изотоп с 70-летним периодом полураспада, имеем топливо стабильной мощности как минимум на 50 лет. И примерно до 100 лет мощность будет достаточной для работы основных систем в экономном режиме.
А реактор ваш 10 лет поработал и все. Никто же не будет к нему бригаду техобслуживания отправлять.

[generalissimus19...]

Для дальнего космоса. Запуская изотоп с 70-летним периодом полураспада, имеем топливо стабильной мощности как минимум на 50 лет.

Странная арифметика. То-то у Вояджеров уже ни на что не хватает мощности, а всего-то 40 лет прошло

И примерно до 100 лет мощность будет достаточной для работы основных систем в экономном режиме.
А реактор ваш 10 лет поработал и все. Никто же не будет к нему бригаду техобслуживания отправлять.

Реактор МОЖНО спланировать на кампанию в 50 лет. Этого до сих пор не делалось по разным причинам. Он, конечно, от этого станет больше и тяжелее. Экономика, не в последнюю очередь, влияет на всё, связанное, как с РИТЭГами, так и с реакторами, поэтому мы имеем то, что имеем.
А вовсе не из-за каких-то непреодолимых физических и технических проблем.

[VBVB]

Странная арифметика. То-то у Вояджеров уже ни на что не хватает мощности, а всего-то 40 лет прошло
Реактор МОЖНО спланировать на кампанию в 50 лет. Этого до сих пор не делалось по разным причинам. Он, конечно, от этого станет больше и тяжелее. Экономика, не в последнюю очередь, влияет на всё, связанное, как с РИТЭГами, так и с реакторами, поэтому мы имеем то, что имеем.
А вовсе не из-за каких-то непреодолимых физических и технических проблем.

Обсуждение просто в тупик уже зашло.

Человек нас упорно пытается убедить, что сверхдорогущий и сверхрадиотоксичный изотоп урана-232 с временем полураспада в 69 лет и максимальной массой в РИТЭГе в виде 232UO2 оценочно около 9.5 кг (поскольку критмасса его в виде оксида около 14-15,5 кг) может быть гораздо лучше в 4-5 раз более дешевого плутония-238 с временем полураспада в 88 лет и максисимальной массой в РИТЭГе в виде 238PuO2 около 18 кг (поскольку критмасса в виде оксида около 28-29 кг).
При этом игнорируется, что даже в случае недостижимой 100% чистоты по изотопу урану-232 практическое тепловыделение 232UO2 будет на уровне 2,4 кВт/кг, при реальном экспериментально доказанном практическом тепловыделении 238PuO2 из обычного легко производимого плутония-238 на уровне 0.39 кВт/кг.

Практически без лазерного разделения содержание урана-232 в образцах урана-233 не будет превышать 10%. А разделение очень дорогостоящим выйдет.

Т.е. теоретически ядро РИТЭГа в виде 232UO2 массой 9,5 кг может дать до 22.8 кВт теплоты (практически же без лазерного разделения только 2.28 кВт), что с 7-8% эффективностью преобразования позволит иметь в момент запуска аппарата чуть менее 1.8 кВт электроэнергии (практически не более 180 Вт).
Реальное ядро РИТЭГа в виде 238PO2 массой 18 кг может дать практически в момент запуска аппарата около 7 кВт теплоты, что с 7-8% эффективностью преобразования позволит иметь в момент запуска 0.56 кВт электроэнергии.

При этом удельная стоимость электроэнергии из 238PuO2 составляет 31 Вт/млн долларов, а для случая теоретически чистого по 232-изотопу 232UO2 только на уровне 35.7 Вт/млн долларов (без лазерного разделения только 3.6 Вт/млн долларов).

Вывод: практические проблемы получения и выделения урана-232 и гемор по созданию РИТЭГа из него явно не позволяет конкурировать урану-232 с плутонием-238 при создании космических РИТЭГов.

Это и так очевидно было, поскольку еще 60-50 лет назад эти все выкладки уже были неоднократно просчитаны теми же американцами и опубликованы не раз.
Но отечественные инженеры опять пытаются изобрести велосипед с квадратными колесами.

Сообщение отредактировал VBVB - 5.3.2017, 14:18