RU207110U1

RU207110U1 - Бланкет для трансмутации изотопов

Info

Publication number: RU207110U1
Application number: RU2021110567U
Authority: RU
Inventors: Борис Васильевич Кутеев; Александр Юрьевич Пашков; Юрий Сергеевич Шпанский
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2021-10-13

Abstract

Полезная модель относится к термоядерной технике, а именно к конструкциям тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) бланкета, предназначенных для трансмутации изотопов, в частности минорных актинидов. Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение объемной плотности тепловыделения qvв трансмутационном материале ТВЭЛов. Для его достижения предложен бланкет для трансмутации изотопов, состоящий из модулей, неразъемно закрепленных на внутренней оболочке вакуумной камеры, внутри корпуса модуля находятся окруженные размножителем ТВЭЛы в металлической оболочке, наполненные трансмутационным материалом, пространство между которыми заполнено охлаждающим их теплоносителем, при этом ТВЭЛы заполнены трансмутационным материалом с размножителем. 1 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к термоядерной технике, а именно, к конструкциям тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) бланкета, предназначенных для трансмутации изотопов, в частности минорных актинидов. В дальнейшем будем говорить о демонстрационном термоядерном источнике нейтронов (ДЕМО-ТИН) и реакторе ДЕМО.

Уровень техники

Бланкет - одни из основных систем ТЯР типа токамак, в частности установок ДЕМО-ТИН и ДЕМО. При их проектировании предполагалось, что одной из основных задач будет трансмутация изотопов в бланкете, в частности минорных актинидов (МА). В дальнейшем будем говорить только о МА. Вещество, содержащее ΜА для трансмутации, в дальнейшем будем называть трансмутационным материалом (ТМ). Для получения максимальной скорости трансмутации МА желательно иметь максимально жесткий спектр нейтронов и максимальную плотность потока нейтронов, т.е. присутствие в бланкете материалов - замедлителей и поглотителей нейтронов нежелательно, но в принципе возможно.

Процесс трансмутации под действием нейтронного потока происходит следующим образом. ТВЭЛы, содержащие ТМ, устанавливаются в бланкет. Нейтроны из плазмы попадают в ядра атомов МА и делят их. При этом возникают изотопы с меньшим периодом полураспада и менее токсичные. Для увеличения количества нейтронов в бланкете применяют вещество -размножитель нейтронов.

Известна конструкция модуля бланкета для трансмутации МА с жидкометаллическим теплоносителем. (В.Г. Коваленко, А.Г. Сысоев, Заявка №2017132383 от 15.09.2017). В этой конструкции в качестве ТМ используется смесь оксидов МА, т.е. возможна трансмутация любых МА. В качестве теплоносителя предполагается использовать натрий-калиевую эвтектику, которая является жидкостью при комнатной температуре и не нуждается в предварительном подогрева и плавлении, а так же не смягчает спектр нейтронов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция керамического бланкета для трансмутации нептуния и наработки трития (А.А. Борисов "Возможности керамического бланкета ТЯР ДЕМО-С для трансмутации нептуния в нитридном топливе", ВАНТ, серия "Термоядерный синтез", 2004, вып.4, с. 3), который устанавливается непосредственно за первой стенкой на внутреннюю оболочку вакуумной камеры. В корпусе модуля установлено несколько кассет со стальной оболочкой. Внутри стальной оболочки находятся семь цилиндрических ТВЭЛов в металлической оболочке с сердечником из ТМ (нитрида нептуния) без размножителя. Стальная оболочка кассеты имеет шестигранное горизонтальное сечение и окружена слоем размножителя (бериллия). Пространство между ТВЭЛами заполнено охлаждающим их теплоносителем.

Предложенные конструкции бланкетов обладают существенным недостатком - высокой объемной плотностью тепловыделения q_v в ТМ.

Так, например, в керамическом бланкете для трансмутации нептуния в ТВЭЛах с нитридом нептуния для ТЯР ДЕМО-С объемная плотность тепловыделения q_v в ТМ составляет до 600 - 700 Вт/см³. В некоторых вариантах конструкции бланкета, предложенных в (Э.А. Азизов и др. УТС с магнитным удержанием и разработка гибридного реактора синтез-деление на основе токамака. Москва, 2016) значение q_v в ТМ превышает 1000 Вт/см³.

Авторы делают вывод, что охлаждение такого бланкета традиционными способами невозможно.

Для ТЯР с параметрами, близкими к ДЕМО-ТИН значение q_v в ТМ ~ 100-300 Вт/см³. Это делает возможным охлаждение бланкета традиционными способами (как охлаждаются кассеты с ТВЭЛами в ядерных реакторах), но накладывает очень жесткие требования на систему охлаждения бланкета и еще более жесткие требования на систему его аварийного охлаждения (отсутствие охлаждения в течение нескольких секунд приведет к плавлению топлива).

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание простой и надежной конструкции бланкета для трансмутации изотопов, повышение безопасности ТЯР.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение объемной плотностью тепловыделения q_v в трансмутационном материале ТВЭЛов.

Для достижения технического результата предложен бланкет для трансмутации изотопов состоящий из модулей, неразъемно закрепленных на внутренней оболочке вакуумной камеры, внутри корпуса модуля находятся окруженные размножителем ТВЭЛы в металлической оболочке, наполненные трансмутационным материалом, пространство между которыми заполнено охлаждающим их теплоносителем, при этом, ТВЭЛы заполнены трансмутационным материалом с размножителем.

Краткое описание чертежей

На фигуре показано горизонтальное сечение бланкета для трансмутации изотопов, где

1 - корпус модуля бланкета;

2 - внутренняя оболочка вакуумной камеры;

3 - теплоноситель бланкета;

4 - трансмутационный материал с размножителем в ТВЭЛе (ТМР);

5 - металлическая оболочка ТВЭЛа;

Осуществление полезной модели

Сущность полезной модели поясняется фигурой, где показано взаимное расположение основных элементов бланкета с ТМР.

Корпус модуля бланкета 1 представляет собой трубу, закрепленную неразъемно болтовым соединением на внутренней оболочке вакуумной камеры 2. Сферические ТВЭЛы, содержащие ТМР 4, покрыты металлической оболочкой ТВЭЛа 5 и образуют шаровой слой (засыпку), через который прокачивается теплоноситель 3.

Внутренняя оболочка вакуумной камеры 2 сделана изогнутой, так чтобы корпус модуля бланкета 1 частично помещался в этих изгибах. Это позволяет в случае аварии с отказом системы охлаждения бланкета использовать для его охлаждения систему охлаждения вакуумной камеры. По мере удаления ТВЭЛов от первой стенки (на фигуре 1 не показана) плотность объемного тепловыделения в них снижается, но при прокачке теплоносителя 3 его струи перемешиваются, что способствует выравниванию температуры теплоносителя в корпусе модуля бланкета 1.

Снижение q_v в ТВЭЛе достигается следующим образом. В отличие от прототипа, где ТМ пространственно разделен с размножителем, в предлагаемой конструкции бланкета ТМ неразъемно связан с размножителем в ТМР 4 и может образовывать сплав, химическое соединение, возможно дисперсное распределение ТМ в размножителе, спекание порошка ТМ с порошком размножителя. Это обеспечивает снижение q_v в ТМР 4 и облегчает охлаждение ТВЭЛов теплоносителем 3. При этом отдельного материала размножителя и системы его охлаждения не требуется.

Основной особенностью предлагаемой конструкции является применение ТМ, в котором МА содержатся в неразъемном соединении с размножителем нейтронов. Далее такой материал обозначаем ТМР 4. В материале - размножителе нейтронов q_v значительно меньше, чем в МА, что позволяет регулировать (снижать) q_v в ТМР 4 и содержащих его ТВЭЛах. МА в ТМР 4 можно использовать в виде химических соединений (окислов, нитридов, карбидов) или в виде металлов. В качестве размножителей нейтронов можно использовать свинец, бериллий, вольфрам.

Использовать свинец в твердом виде можно при сравнительно низкой температуре ТМР 4 и охлаждающего его теплоносителя 3 (меньше температуры плавления свинца Т_пл=327°С). В качестве размножителя можно использовать так же окись свинца, температура плавления которой превышает 800°С.

Использование бериллия или вольфрама позволяет получить более высокую температуру ТМР 4.

Представляются возможными следующие виды соединений размножителя нейтронов с МА в ТМР - сплав металлов, химическое соединение МА с размножителем, дисперсное распределение МА в размножителе, спекание порошка МА с порошком размножителя.

Для обеспечения приемлемого q_v в ТМР 4 содержание МА в сплаве должно быть не более нескольких процентов. Например, сплав 2%Np - 98%Pb; 2%Am-98%Pb; 2%Cm-98%Pb; l,5%(Am+Cm)-98%Pb и т.п.

Сплавы МА с бериллием или вольфрамом имеют более высокую температуру плавления, чем сплавы со свинцом. Состав сплавов может быть 2%Np - 98%Ве; 2%Am-98%Ве; 2%Cm-98%Ве; 1,5%(Am+Cm)-98%Ве и т.п. Аналогично и для вольфрама.

В случае дисперсного распределения ТМ (например, оксиды ΝpO₂; AmO₂; CmO₂ или их смесь) в виде небольших частиц (размером не более нескольких мм) распределены в матрице из свинца, бериллия или вольфрама и образуют ТМР4.

Металлический порошок из Np, Am, Cm или их смеси, а также порошок из ΝpO₂; AmO₂; CmO₂ или их смеси может при высокой температуре спекаться с порошком из бериллия или вольфрама, образуя ТМР 4.

В качестве теплоносителя можно использовать газы - гелий или углекислый (в т.ч. сверхкритический), воду под давлением, жидкие металлы.

Использование газового теплоносителя (в том числе сверхкритической углекислоты) позволяет использовать в системе преобразования энергии газовую турбину.

Изменяя процентное соотношение размножителя и МА в ТМР 4, можно получить любую требуемую (более низкую, чем в чистом МА) плотность объемного тепловыделения q_v в ТВЭЛе, что облегчает процесс его охлаждения теплоносителем 3. В случае потери охлаждения разогрев ТВЭЛа происходит медленнее, чем в прототипе, и есть время для срабатывания аварийной системы охлаждения. Кроме того, неразъемное соединение МА и размножителя в ТМР, как представляется, приведет к более рациональному использованию нейтронов размножителя. В этом случае более значительная их часть попадет в МА, чем в конструкции-прототипе, а утечка нейтронов будет меньше.

Тепловая энергия, выделяющаяся в ТВЭЛах, отводится теплоносителем контура циркуляции, и может быть преобразована в электроэнергию. ТМР 4 становится так же дополнительным барьером безопасности, удерживающим в случае аварии МА и продукты деления.

Примеры конкретного выполнения, которые не ограничивают варианты их исполнения.

Для оценки плотности объемного тепловыделения q_v в ТМР сделаем следующие допущения. ТМР - дисперсно распределенные оксиды МА в вольфрамовой матрице (размножителе).

Плотность объемного тепловыделения в вольфраме q_vw=20 МВт/м³.

Плотность объемного тепловыделения в оксидах МА q_vma=700 МВт/м³.

Объемная доля оксидов МА в ТМР - х.

Плотность объемного тепловыделения в ТМР

,

при x=0,015 q_vtmr=30 МВт/м³.

Коэффициент теплопроводности ТМР при незначительном значении x будет близок к коэфф. теплопроводности вольфрама, т.е. t_mr=130 Вт/(м⋅°С).

Диаметр сердечника из ТМР D₁=0,02 м. Толщина окружающей сердечник стальной оболочки ТВЭЛа ∂_об=0,002 м, и таким образом наружный диаметр сферического ТВЭЛа D₂=0,024 м. Объемная плотность тепловыделения в стали q_{v ст}=10 МВт/м³ (это максимальная оценка.) Теплопроводность стали λ_ст=17 Вт/(м⋅°С).

Стальная труба корпуса модуля бланкета 1 диаметром 180 × 10 мм. Шаровой слой ТВЭЛов имеет пористость m=0,4, т.е. 40% внутреннего объема трубы заполнено теплоносителем, а 60% ТВЭЛами.

В качестве теплоносителя используется гелий под давлением 4 МПа с температурой на выходе Т_вых=400°С.

Средний коэфф. теплоотдачи от поверхности сферических ТВЭЛов к теплоносителю α₂=5000 Вт/(м²⋅°С). Такое значение вполне достижимо при использовании гелия как теплоносителя в данных условиях.

Максимальная температура поверхности сферических ТВЭЛов Т_пов и максимальная температура в центре ТВЭЛа Т_цен достигаются при максимальной температуре гелия Т_вых=400°С.

Далее расчет ведем по методике, изложенной в (А.Ю. Пашков. "Концепция бланкета с непрерывной перегрузкой твердого сырьевого материала". - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, т.39, вып. 2, 2016, с. 99).

В формуле для расчета температуры поверхности сферического ТВЭЛа, состоящего из одного материала, используется объемная плотность тепловыделения в этом материале. Рассматриваемый ТВЭЛ состоит из двух материалов, но для оценок будем использовать максимальное значение q_vtmr, что даст завышенное значение температуры на поверхности ТВЭЛа.

Следует отметить, что значение коэфф. теплоотдачи 012 по поверхности ТВЭЛа распределяется неравномерно. Экспериментально показано, что его минимальное значение α₂ мин составляет 55% от среднего, и таким образом α_{2 мин}=2750 Вт/(м²⋅°С). Далее будем использовать это значение, что позволит получить максимальное значение температуры на поверхности ТВЭЛа.

.

Тепловая мощность одного ТВЭЛа

.

Плотность теплового потока от ТВЭЛа к теплоносителю

.

Плотность теплового потока в области контакта между сердечником ТВЭЛа и стальной оболочкой

.

Перепад температур в стальной оболочке ТВЭЛа

,

где Т_кон - температура в области контакта между сердечником ТВЭЛа и стальной оболочкой.

Для оценки ΔТ_об используем уравнение теплопроводности

q_макс - максимальное значение из q_пов и q_кон. Это позволит оценить максимальное значение ΔΤ_об.

Температуру в центре ТВЭЛа можно оценить по формуле

.

При принятых допущениях получаем по (4) - (10)

Т_пов=443,7°С; ΔΤ_οб=11,8°С; Т_кон=455,5°С; Т_цен=459,3°С.

Такие температуры конструкционных материалов представляются вполне допустимыми.

Таким образом, основными преимуществами предлагаемой конструкции являются

1. Возможность получить требуемую плотность объемного тепловыделения q_v в ТВЭЛе (не меньше, чем в чистом размножителе).

2. Возможность максимально полно использовать нейтроны из плазмы и из размножителя для трансмутации изотопов.

3. Простота конструкции и монтажа бланкета.

4. Отсутствие отдельного материала - размножителя нейтронов и системы его охлаждения.

5. Возможность использования бланкета как для наработки трития или делящихся изотопов, так и для трансмутации минорных актинидов.

6. В качестве теплоносителя можно использовать различные вещества.

7. При соответствующем подборе материалов бланкет будет обладать глубокой подкритичностью, что исключает возникновение ядерной аварии.

8. ТМР будет дополнительным барьером безопасности, удерживающим ΜА и продукты деления в случае аварии.

Claims

Бланкет для трансмутации изотопов, состоящий из модулей, неразъемно закрепленных на внутренней оболочке вакуумной камеры, внутри корпуса модуля находятся окруженные размножителем ТВЭЛы в металлической оболочке, наполненные трансмутационным материалом, пространство между которыми заполнено охлаждающим их теплоносителем, отличающийся тем, что ТВЭЛы заполнены трансмутационным материалом с размножителем.