[发明专利]用于基于液相的嬗变的激光驱动中子产生的系统和方法

说明书

便于将长寿命放射性超铀废料嬗变为短寿命放射性核素或稳定核素的系统和方法，使用预脉冲激光器来将氚饱和的碳纳米管(CNT)照射成碳和氚的电离气体以及激光驱动粒子束，从而与氚融合并产生中子。

技术领域

本文描述的主题总体上涉及便于通过激光驱动束产生大速率高能中子以用于将长寿命高水平放射性废料(超铀和裂变产物)嬗变为短寿命放射性核素或稳定核素的系统和方法，并且更特别地涉及放射性废料的基于次临界液相的嬗变。

背景技术

核裂变反应堆产生乏燃料的放射性核素的恒定流：仅在美国就有90,000公吨需要处置[参考文献1]，并且在每年增加8000短吨(ton)的情况下，到2020年，全世界废弃的核废料存量将达到200,000公吨。在法国，核电占电力的77%，这使得对嬗变的需求特别强烈。目前，除了深埋地下之外，没有恰当且充分的方法来处理这些同位素放射性材料。这种处理同位素放射性材料的方法的开发需要完成两项任务：第一，开发一种简单、可靠、安全和廉价的方法来将高放射性同位素从剩余材料中分离出来，以避免通过嬗变激活非放射性材料；第二，开发一种安全、廉价、能量无穷尽、通用的嬗变方法。

目前的放射性核嬗变方法包括通过外部手段维持次临界裂变反应堆的驱动器：一种基于加速器驱动系统(ADS)[参考文献2]，另一种基于托卡马克驱动系统[参考文献3]。ADS系统依靠撞击基底(例如，Pb、W)的高能(~1 GeV)质子束和发射的中子(每个质子30+个中子)。这些中子然后维持次临界反应堆中的裂变。基于托卡马克的系统从氘氚反应中产生中子，并利用这些中子来驱动次临界反应堆，该反应堆也称为裂变-聚变混合堆。

也存在基于超临界操作来嬗变核废料的其它方法– MOSART [参考文献4]，以及使用第四代(Gen-IV)反应堆的各种方法。

出于这些和其它原因，需要改进的系统、设备和方法，其便于通过激光驱动束产生大速率高能中子，以用于放射性废料的基于次临界液相的嬗变。

发明内容

本文提供的各种实施例总体上涉及通过将产生的中子聚变为短寿命放射性核素或稳定核素来促进长寿命高水平放射性废料的嬗变的系统和方法。中子由氘束和氚或氘靶的聚变产生，而氘束由主激光器利用被称为激光对离子的相干加速(CAIL)的过程进行激光加速[参考文献RAST, 6]。

在示例性实施例中，嬗变过程采用次临界操作方法，该方法利用小型设备来嬗变放射性同位素(主要是次锕系元素(MA)的放射性同位素)，该方法在包含溶解在LiF-BeF2(FLiBe)的熔盐溶液中的乏燃料废料成分(诸如裂变产物(FP)和MA)的混合物的液化溶液的槽中进行。[参考文献5] MA的嬗变是利用由激光驱动的聚变反应产生的高能中子进行的。嬗变器中的FLiBe、MA和FP的含量的实时监测和控制利用主动激光光谱仪或激光驱动伽马源来进行。

在另外的示例性实施例中，靶由氚饱和的碳纳米管形成。

在另外的示例性实施例中，氘或氚靶是几乎固体(solid)密度的激光电离气体。为了形成这些靶，预脉冲激光器(在主激光器之前)将靶电离[参考文献7和8]。当靶保持在固体密度时，CAIL加速氘核与氚或氘融合。

在另外的示例性实施例中，嬗变槽始终保持在次临界状态。次临界操作给中子源增加了负担，而高能中子在紧密耦合的布置中产生：(1) 通过CAIL过程照射由金刚石和氘核组成的纳米箔来形成氘束。(2) 将加速的氘注入到通过预脉冲激光器同步且动态电离的纳米“泡沫”氚饱和靶中。

激光产生的中子的示例性实施例的优点包括：

a) 激光驱动离子束及其靶的尺寸小；

b) 在时间和空间方面精细的中子控制；所有燃料(MA)都在中子源的一个裂变平均自由程内；

c) 激光器的重复频率高；

d) 30%的高激光器电光转换效率。