Підсилювач енергії

У ядерній фізиці підсилювач енергії є новим типом ядерного енергетичного реактора, підкритичним реактором, в якому енергійний пучок частинок^[en] використовується для стимуляції реакції, яка, у свою чергу, вивільняє достатньо енергії для живлення прискорювача частинок і залишає прибуток від енергії для вироблення енергії. Зовсім недавно ця концепція стала називатися системою, керованою прискорювачем (ADS) або підкритичним реактором, керованим прискорювачем.

Жодного ще ніколи не будували.

Ця концепція приписується італійському вченому Карло Руббіа, лауреату Нобелівської премії з фізики елементарних частинок і колишньому директору європейської міжнародної лабораторії ядерної фізики CERN. Він опублікував пропозицію енергетичного реактора на основі протонного циклотронного прискорювача з енергією пучка від 800 МеВ до 1 ГеВ і мішені з торієм як паливом і свинцем в якості теплоносія. Схема Руббіа також запозичена з ідей, розроблених групою під керівництвом фізика-ядерника Чарльза Боумена з Лос-Аламосської національної лабораторії^[1]

Підсилювач енергії спочатку використовує прискорювач частинок (наприклад, лінійний прискорювач, синхротрон, циклотрон або FFAG^[en]) для створення пучка високоенергетичних (релятивістських) протонів. Промінь спрямований, щоб врізатися в ядро мішені важкого металу, наприклад, свинцю, торію або урану. Непружні зіткнення між протонним пучком і мішенню призводять до сколювання, яке створює від двадцяти до тридцяти нейтронів за подію.^[2] Можна було б збільшити потік нейтронів за рахунок використання нейтронного підсилювача, тонкої плівки матеріалу, що ділиться, що оточує джерело сколювання; запропоновано використання нейтронного підсилення в реакторах CANDU. Хоча CANDU є проектом з критичним станом, багато концепцій можна застосувати до підкритичної системи.^[3][4] Ядра торію поглинають нейтрони, таким чином розмножуючи подільний уран-233, ізотоп урану, який не зустрічається в природі. Повільні нейтрони здійснюють поділ U-233, вивільняючи енергію.

Ця конструкція цілком правдоподібна з наявною на даний момент технологією, але вимагає додаткового вивчення, перш ніж її можна буде оголосити як практичною, так і економічною.

Проект OMEGA (англ. option making of extra gain from actinides and fission products, オメガ計画) вивчається як одна з методологій системи, керованої прискорювачем (ADS) в Японії.^[5]

Річард Гарвін і Георгій Харпак детально описують підсилювач енергії у своїй книзі «Мегавати і мегатони: поворотний момент у ядерну епоху?^[en]» (2001) на сторінках 153—163.

Раніше загальна концепція підсилювача енергії, а саме підкритичного реактора з прискорювачем, була висвітлена у «Друга ядерна ера» (1985), сторінки 62–64, Елвіна М. Вайнберга^[en] та інших.

Концепція має кілька потенційних переваг перед звичайними ядерними реакторами поділу:

• Підкритична конструкція означає, що реакція не може розігнатись — якщо щось пішло не так, реакція зупиниться, і реактор охолоне. Однак може статися розплавлення активної зони ядерного реактора, якщо здатність охолоджувати активну зону втрачена.
• Торій наявний у великій кількості — його набагато більше, ніж урану, — що зменшує стратегічні та політичні проблеми постачання та усуває дороге й енергоємне розділення ізотопів. Торію достатньо для вироблення енергії протягом щонайменше кількох тисяч років при поточних темпах споживання.^[6]
• Підсилювач енергії виробляв би дуже мало плутонію, тому вважається, що його конструкція більш стійка до розповсюдження ядерної зброї^[en], ніж звичайна ядерна енергетика (хоча питання про уран -233 як матеріал для ядерної зброї необхідно ретельно оцінити).
• Існує можливість використання реактора для споживання плутонію, зменшуючи світові запаси дуже довгоживучого елемента.
• Утворюється менше довгоживучих радіоактивних відходів — через 500 років вони розпадуться до рівня радіоактивності золи вугілля.
• Нова наука не потрібна; всі технології створення підсилювача енергії були продемонстровані. Побудова підсилювача енергії вимагає лише інженерних зусиль, а не фундаментальних досліджень (на відміну від пропозицій щодо ядерного синтезу).
• Виробництво електроенергії може бути економічним порівняно з поточними проектами ядерних реакторів, якщо враховувати загальний паливний цикл і витрати на зняття з експлуатації.
• онструкція могла б працювати у відносно невеликих масштабах і має потенціал для слідування за навантаженням шляхом модуляції протонного променя, що робить його більш придатним для країн без добре розвиненої електромережі.
• Невід'ємна безпека^[en] та безпечне транспортування палива можуть зробити технологію більш придатною для країн, що розвиваються, а також у густонаселених районах.
• При бажанні Ядерна трансмутація може бути використана навмисно (а не як неминучий наслідок ядерного поділу та нейтронного опромінення) або для перетворення високоактивних відходів^[en] (наприклад, довгоживучих продуктів поділу^[en] або мінорних актинідів^[en]) у менш шкідливі речовини для виробництва радіонуклідів для використання в ядерній медицині або для виробництва дорогоцінних металів з дешевої сировини.
• Нижня частка запізнілих нейтронів при поділі ²³⁹
  Pu в порівнянні з ²³⁵
  U, яка перешкоджає використанню палива, що містить плутоній, у критичних реакторах (які повинні працювати у вузькій смузі потоку нейтронів між миттєвою критичністю і відкладеною критичністю, не викликає занепокоєння, оскільки жодної критичності будь-якого виду не досягається або необхідно
• У той час як ядерна переробка стикається з проблемою того, що MOX-паливо не може бути перероблено для використання в сучасних легководних реакторах, оскільки концентрація реакторного плутонію^[en] в подільних ізотопах не досягається через домішки ²⁴⁰
  Pu, які перевищують допустимі рівні, всі подільні та придатні для відтворення ізотопи актиноїдів можуть бути «спалені» в підкритичному реакторі, таким чином закриваючи ядерно-паливний цикл без потреби в реакторах-розмножувачах на швидких нейтронах.

• Кожен реактор потребує свого власного обладнання (прискорювача частинок), щоб генерувати протонний пучок високої енергії, що дуже дорого. Крім лінійних прискорювачів частинок, які є дуже дорогими, жодного прискорювача протонів достатньої потужності та енергії (> ~12 MW при 1 GeV) ніколи не було створено. На даний момент Spallation Neutron Source^[en] використовує протонний промінь 1.44 MW для виробництва своїх нейтронів, з модернізацією до 5 MW.^[7] Його вартість 1.1 billion USD включала дослідницьке обладнання, непотрібне для комерційного реактора. Економія за рахунок масштабу може вплинути, якщо прискорювачі частинок (які в даний час лише рідко створюються з вищезгаданими перевагами, а потім лише для дослідницьких цілей) стануть більш «земною» технологією. Подібний ефект можна спостерігати, якщо порівнювати вартість Манхеттенського проекту аж до будівництва Чиказької дровітні-1 з витратами наступних дослідницьких або енергетичних реакторів.
• Паливний матеріал потрібно вибирати ретельно, щоб уникнути небажаних ядерних реакцій. Мається на увазі повномасштабна установка з переробки ядерного палива, пов'язана з підсилювачем енергії.^[8]
• Якщо з будь-якої причини потік нейтронів перевищує проектні специфікації достатньо, щоб збірка досягла критичності, може статися аварія критичності або зміна потужності. На відміну від «звичайного» реактора, механізм аварійного захисту^[en] вимагає лише «вимкнення» джерела нейтронів, що не допоможе, якщо постійно виробляється більше нейтронів, ніж поглинається, оскільки не передбачено швидке збільшення поглинання нейтронів, наприклад, шляхом введення нейтронної отрути.
• Використання свинцю в якості теплоносія має недоліки, подібні до тих, які описані в статті про реактори на швидких нейтронах зі свинцевим теплоносієм.
• Багато з нинішніх джерел нейтронів на основі сколювання, які використовуються для досліджень, є «імпульсними», тобто вони забезпечують дуже високі потоки нейтронів протягом дуже короткого часу. Для енергетичного реактора бажаний менший, але більш постійний потік нейтронів. European Spallation Source буде найпотужнішим джерелом нейтронів у світі (вимірюється піковим потоком нейтронів), але буде здатний лише до дуже коротких (порядку мілісекунд) імпульсів.

• Керований прискорювачем підкритичний реактор
• Відновлювана енергетика
• Торієвий паливний цикл
• Реактор-розмножувач — інший тип ядерного реактора, який прагне отримати енергетичний прибуток, створюючи більше матеріалу, що розщеплюється, ніж він споживає.
• Атомна енергетика на основі торію^[en]
• Захоплення мюонів
• Ядерна трансмутація

• A PRELIMINARY ESTIMATE OF THE ECONOMIC IMPACT OF THE ENERGY AMPLIFIER — An in-depth review of the Energy Amplifier co-authored by Rubbia (pdf download available from the CERN document server)
• Christoph Pistner, Emerging Nuclear Technologies: The Example of Carlo Rubbia's Energy Amplifier, International Network of Engineers and Scientists Against Proliferation
• New Age Nuclear: article on energy amplifiers | Cosmos Magazine