БЛАНКЕТ ДЛЯ ТРАНСМУТАЦИИ ИЗОТОПОВ

Область техники
Полезная модель относится к термоядерной технике, а именно к конструкциям бланкета термоядерного реактора с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ), предназначенными для трансмутации изотопов, в частности минорных актинидов, и наработки делящегося топлива из сырьевого материала. В дальнейшем будем говорить о демонстрационном термоядерном источнике нейтронов (ДЕМО-ТИН).
Уровень техники
Бланкет, обычно состоящий из отдельных модулей - одна из основных систем ТЯР типа токамак, в частности установки ДЕМО-ТИН. При ее проектировании предполагалось, что одной из основных задач будет трансмутация изотопов в бланкете. Далее рассматриваются два варианта:
1) трансмутация минорных актинидов (MA) - Np, Am, Cm.
2) наработка делящегося топлива - U-233, Pu-239 из сырьевого материала (СМ), содержащего изотопы Th-232, U-238.
Для увеличения количества нейтронов в бланкете и скорости трансмутации можно добавить вещество - размножитель нейтронов (РН) - Pb, W, Be или их соединения. Таким образом, в общем случае бланкет содержит три материала - минорные актиниды (МА), сырьевой материал (СМ) и размножитель нейтронов (РН), в которых происходят процессы трансмутации, а так же конструкционный материал и теплоноситель. В дальнейшем три материала - минорные актиниды (МА), сырьевой материал (СМ) и размножитель нейтронов (РН) будем называть трансмутационными материалами (ТрМ).
Для получения максимальной скорости трансмутации МА и наработки делящегося топлива 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 МА под действием нейтронного потока происходит следующим образом. ТВЭЛы, содержащие МА, устанавливаются в бланкет. Нейтроны из плазмы попадают в ядра атомов МА и делят их. При этом возникают продукты деления - изотопы с меньшим периодом полураспада и менее токсичные.
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 ТрМ 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.
Известна 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 ТрМ (нитрида нептуния) без размножителя. Стальная оболочка кассеты имеет шестигранное горизонтальное сечение и окружена слоем размножителя (бериллия). Пространство между ТВЭЛами заполнено охлаждающим их теплоносителем (рассматриваются гелий, вода и свинец).
Процесс наработки делящегося топлива из СМ под действием нейтронного потока происходит следующим образом. ТВЭЛы, содержащие СМ с U-238 или Th-232, устанавливаются в бланкет. Под действием нейтронов из плазмы образуются изотопы Pu-239 и U-233. Возможность наработки U-233 в последнее время вызывает большой интерес, т.к. топливный цикл с его использованием имеет значительные преимущества (Е.П. Велихов и др. «Ядерная энергетическая система с реакторами деления и синтеза - стратегический ориентир развития отрасли». Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, 2017, т. 40, вып. 4, стр. 5).
Известна концепция бланкета для трансмутации изотопов и наработки делящегося топлива с использованием жидких фтористых солей (Э.А. Азизов и др. «УТС с магнитным удержанием и разработка гибридного реактора синтез-деление на основе токамака». М., Тровант, 2016).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является бланкет для трансмутации изотопов (А.Ю. Пашков «Концепция бланкета с непрерывной перегрузкой твердого сырьевого материала», Вопросы атомной науки и техники, серия «Термоядерный синтез», 2016, вып. 2, с. 96). Модуль бланкета, корпус которого заполнен сферическими ТВЭЛами, охлаждаемыми прокачиваемым через них теплоносителем, устанавливается на внутреннюю оболочку вакуумной камеры.
v
Предложенные конструкции бланкетов обладают существенным недостатком, заключающимся в том, что при трансмутации МА, если использовать их в виде металлов или окислов, нитридов и т.п., в них возникает высокая объемная плотность тепловыделения - q.
v
v
3
3
Так, например, в керамическом бланкете для трансмутации нептуния в ТВЭЛах с нитридом нептуния для ТЯР ДЕМОС q ~ 600-700 МВт/м. 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, Тровант, 2016), значение q превышает 1000 МВт/м. Авторы делают вывод, что охлаждение такого бланкета традиционными способами невозможно.
v
3
Для ТЯР с параметрами, близкими к ДЕМО-ТИН, значение q ~300-500 МВт/м. 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 ТВЭЛов).
v
Использование жидких фтористых солей позволяет снизить q, но требует поддержания высокой температуры в бланкете, жидкие соли коррозионно активны и токсичны.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание простой и надежной конструкции бланкета для трансмутации изотопов, повышение безопасности ТЯР.
Раскрытие сущности полезной модели
v
Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение объемной плотности тепловыделения q в модуле бланкета.
Для достижения технического результата предложен бланкет для трансмутации изотопов, состоящий из модулей, неразъемно закрепленных на внутренней оболочке вакуумной камеры, внутри корпуса модуля находятся ТВЭЛы в металлической оболочке, пространство между которыми заполнено охлаждающим их теплоносителем, отличающийся тем, что внутри каждого ТВЭЛа находятся зоны трансмутации, как разделенные, так и не разделенные металлическими оболочками, в каждой из которых находится свой трансмутационный материал.
Кроме того, ТВЭЛы окружены размножителем нейтронов, образуя одну из зон трансмутации.
Кроме того, три зоны трансмутации каждого ТВЭЛа как разделены металлическими оболочками, так и не разделены металлическими оболочками, при этом, вид и количество трансмутационного материала в каждой зоне может варьироваться.
Кроме того, одна или две зоны трансмутации каждого ТВЭЛа не разделены металлическими оболочками, при этом вид и количество трансмутационного материала в каждой зоне может варьироваться.
Разделение зон металлическими оболочками предотвращает смешение содержимых трансмутационных материалов, при этом они имеют гетерогенную конструкцию. ТВЭЛы с одной зоной трансмутации имеют гомогенную конструкцию.
В центральной части ТВЭЛа может находиться внутренняя полость, где собираются газообразные продукты трансмутации.
В общем случае форма ТВЭЛов может быть любой - сферической, цилиндрической, цилиндрической с центральным отверстием, пластинчатой, звездообразной и т.п.
При использовании цилиндрических ТВЭЛов с центральным отверстием обеспечивается их двустороннее охлаждение, а охлаждение ТВЭЛов другой формы производится только снаружи. Далее рассматриваются только сферические ТВЭЛы, для расчета которых существует простая методика.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано горизонтальное сечение модуля бланкета с металлическим цилиндрическим корпусом без РН и сферическими ТВЭЛами.
На фиг. 2 показано горизонтальное сечение модуля бланкета с корпусом, содержащим РН, и сферическими ТВЭЛами.
На фиг. 3 показано сечение сферического или цилиндрического ТВЭЛа трехзонной конструкции с разделением зон трансмутации металлическими оболочками.
На фиг. 4 показано сечение сферического или цилиндрического ТВЭЛа трехзонной конструкции без разделения зон трансмутации металлическими оболочками.
На фиг. 5 показано сечение сферического или цилиндрического ТВЭЛа двухзонной конструкции без разделения зон трансмутации металлическими оболочками.
На фиг. 6 показано сечение сферического или цилиндрического ТВЭЛа однозонной конструкции.
Цифрами обозначены:
1 - корпус модуля бланкета;
2 - внутренняя оболочка вакуумной камеры;
3 - теплоноситель бланкета;
4 - внутренняя часть ТВЭЛа;
5 - наружная металлическая оболочка ТВЭЛа;
6 - размножитель нейтронов (в случае размещения его в корпусе модуля);
7 - зона трансмутации I;
8 - зона трансмутации II;
9 - зона трансмутации III;
10 - промежуточная металлическая оболочка ТВЭЛа;
11 - внутренняя металлическая оболочка ТВЭЛа;
12 - центральная полость.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 показано горизонтальное сечение модуля бланкета с металлическим цилиндрическим корпусом без РН и сферическими ТВЭЛами. Корпус модуля бланкета 1 представляет собой трубу, закрепленную на внутренней оболочке вакуумной камеры 2, сферические ТВЭЛы содержат внутреннюю часть 4 с ТрМ и покрыты наружной металлической оболочкой 5. ТВЭЛы образуют шаровой слой (засыпку), через который прокачивается теплоноситель 3.
На Фиг. 2 показан вариант конструкции модуля бланкета с корпусом, содержащим РН, и сферическими ТВЭЛами. Корпус модуля бланкета представляет собой двуслойную трубу, в которой к наружной металлической трубе 1, закрепленной на внутренней оболочке вакуумной камеры 2, прикреплен слой материала - размножитель нейтронов 6. Сферические ТВЭЛы содержат внутреннюю часть 4 с ТрМ и покрыты наружной металлической оболочкой 5. ТВЭЛы образуют шаровой слой (засыпку), через который прокачивается теплоноситель 3.
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
8
7
7
На Фиг. 3 показано сечение сферического или цилиндрического ТВЭЛа трехзонной конструкции с разделением зон трансмутации металлическими оболочками. Под наружной металлической оболочкой 5, ограниченной радиусами R и R, находится зона трансмутации 1-7, ограниченная радиусами R и R. Под промежуточной металлической оболочкой 10, ограниченной радиусами R и R, находится зона трансмутации II - 8, ограниченная радиусами R и R, далее находится внутренняя металлическая оболочка 11, ограниченная радиусами R и R, а под ней зона трансмутации III - 9, ограниченная радиусами R и R. Центральная полость 12 ограничена радиусом R.
Если по результатам расчетов ТВЭЛа без центральной полости температура в его центре не превысит допустимую для находящегося там материала, центральную полость можно не делать.
1
2
2
3
3
4
4
5
5
На фиг. 4 показано сечение сферического или цилиндрического ТВЭЛа трехзонной конструкции без разделения зон трансмутации металлическими оболочками. Под наружной металлической оболочкой 5, ограниченной радиусами R и R, находится зона трансмутации 1-7, ограниченная радиусами R и R. Зона трансмутации II - 8 ограничена радиусами R и R, а зона трансмутации III - 9 ограничена радиусами R и R; центральная полость 12 ограничена радиусом R.
1
2
2
3
3
4
4
На фиг. 5 показано сечение сферического или цилиндрического ТВЭЛа двухзонной конструкции без разделения зон трансмутации оболочками. Под наружной металлической оболочкой 5, ограниченной радиусами R и R, находится зона трансмутации 1-7, ограниченная радиусами R и R. Зона трансмутации II - 8 ограничена радиусами R и R, центральная полость 12 ограничена радиусом R.
1
2
2
3
3
На фиг. 6 показано сечение сферического или цилиндрического ТВЭЛа однозонной (с одним ТрМ) конструкции. Под наружной металлической оболочкой 5, ограниченной радиусами R и R, находится зона трансмутации 1-7, ограниченная радиусами R и R. Центральная полость 12 ограничена радиусом R.
2
2
Твердые вещества, составляющие зоны трансмутации, могут быть использованы как в виде металлов, так и в виде химических соединений (окислов, нитридов, карбидов, солей и т.п.). Применение окислов позволяет использовать известные технологии по изготовлению ТВЭЛов с содержанием UO и PuO.
При трехзонной конструкции ТВЭЛа представляются возможными следующие сочетания ТрМ в зонах - таблица 1.
При двухзонной конструкции ТВЭЛа представляются возможными следующие сочетания материалов в зонах трансмутации и корпусе модуля - таблица 2.
При применении ТВЭЛов трехзонной и двухзонной конструкции можно обеспечить различное соотношение количеств РН, МА и СМ в ТВЭЛе и модуле в целом путем изменения радиусов зон трансмутации. При применении ТВЭЛов однозонной конструкции различное соотношение количеств РН, МА и СМ в модуле обеспечивается путем изменения количества ТВЭЛов с РН, МА и СМ соответственно.
v
Снижение средней q в модуле достигается следующим образом.
v
v
В РН и CM q значительно меньше, чем в МА, так что средняя q в модуле меньше, чем при применении ТВЭЛов только с МА.
В случае аварии с потерей охлаждения разогрев модуля происходит медленнее и есть время для срабатывания аварийной системы охлаждения. Как представляется, использование ТВЭЛов такой конструкции приведет к более рациональному использованию нейтронов размножителя. В этом случае более значительная их часть попадет в МА и СМ, а утечка нейтронов будет меньше.
Тепловая энергия, выделяющаяся в ТВЭЛах, отводится теплоносителем и может быть преобразована в электроэнергию. Использование газового теплоносителя (в том числе сверхкритической углекислоты) позволяет использовать в системе преобразования энергии газовую турбину.
Примеры конкретного выполнения, которые не ограничивают варианты их исполнения.
1. Модуль бланкета для трансмутации изотопов с металлическим цилиндрическим корпусом без РН и сферическими ТВЭЛами (Фиг. 1) устанавливается в ДЕМО-ТИН.
2
Принятые допущения. ТВЭЛы имеют трехзонную конструкцию без промежуточных металлических оболочек (Фиг. 4). Наружная оболочка - циркониевый сплав, зона трансмутации I - РН - W или Be, II - СМ - ThO, III - МА - смесь окислов Np, Am, Cm. Центральная полость представляется необходимой для сбора газообразных продуктов трансмутации и для обеспечения допустимой тепловой мощности модуля.
внут
мод=
3
3
Корпус модуля бланкета выполнен в виде трубы из сплава циркония диаметром 180×10 мм и длиной L=2,2 м. Внутренний объем модуля V=0,0442 м, полный объем модуля V0,056 м. Шаровой слой ТВЭЛов имеет пористость m=0,4, т.е. 40% внутреннего объема модуля заполнено теплоносителем, а 60% ТВЭЛами.
Основные характеристики ТВЭЛов:
1
Наружный радиус R=0,01 м
-6
3
Объем 4,19⋅10 м
-3
2
Площадь поверхности 1,257⋅10 м
Число ТВЭЛов в модуле 6332
Далее рассматриваются три варианта конструкции трехзонных ТВЭЛов, характеристики которых приведены в таблице 3.
вх
вых
вх
вых
В качестве теплоносителя в вариантах 1 и 2 используется гелий под давлением 6 МПа с температурой на входе Т=150°С, а на выходе Т=450°С; в варианте 3 - вода под давлением 4 МПа с температурой на входе Т=170°С, а на выходе Т=220°С.
v
v
Следует отметить, что материалы модуля бланкета находятся под совместным воздействием нейтронов из плазмы и размножителя, а так же нейтронов деления из МА, что обуславливает сравнительно высокие значения q в них. Оценка q для некоторых материалов была выполнена в (Vladimir Khripunov, First wall material damage induced by fusion-fission neutron environment, Fusion Engineering and Design 109-111 (2016) 7-12), а частично получена экспертным путем.
Теплофизические характеристики конструкционных материалов приведены в таблице 4.
Теплогидравлический расчет проводится по методике (А.Ю. Пашков «Концепция бланкета с непрерывной перегрузкой твердого сырьевого материала», Вопросы атомной науки и техники, серия «Термоядерный синтез», 2016, вып. 2, с. 96). Температуры в ТВЭЛе и корпусе модуля оцениваются при максимальной температуре теплоносителя по (Ред. И.Я. Емельянов. «Проектирование энергетических установок с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами». М., Энергоиздат, 1981).
i
i
s
При расчете тепловой мощности модуля учитываются тепловыделение в его корпусе и теплоносителе (если это вода). Температура на радиусе R обозначается T. q - плотность теплового потока на поверхности ТВЭЛа.
Корпус модуля охлаждается тем же теплоносителем, что и ТВЭЛы. Максимальная температура корпуса будет на его наружной поверхности.
Расчетные характеристики одного трехзонного ТВЭЛа и модуля бланкета в целом для вариантов 1-3 приведены в таблице 5.
Гидравлические потери при прокачке теплоносителя не превышают 18,5% от входного давления, а температуры конструкционных материалов не превышают допустимых. Подобные характеристики модуля представляются приемлемыми и подтверждают работоспособность конструкции.
2. Модуль бланкета для трансмутации изотопов с металлическим цилиндрическим корпусом с РН и сферическими ТВЭЛами (Фиг. 2) устанавливается в ДЕМО-ТИН.
2
Принятые допущения. ТВЭЛы имеют двухзонную конструкцию без промежуточных металлических оболочек (Фиг. 5). Наружная оболочка - циркониевый сплав, зоны трансмутации I - СМ - ThO, II - МА - смесь окислов Np, Am, Cm.
Корпус модуля бланкета выполнен в виде трубы из сплава циркония диаметром 180×6 мм и длиной L=2,2 м. В эту трубу вставлена труба из вольфрама диаметром 168×4 мм - РН. Геометрические характеристики ТВЭЛов указаны ранее.
Далее рассматриваются три варианта конструкции двухзонных ТВЭЛов, характеристики которых приведены в таблице 6.
вх
вых
вх
вых
В качестве теплоносителя в вариантах 4 и 5 используется гелий под давлением 6 МПа с температурой на входе Т=150°С, а на выходе Т=450°С; в варианте 6 - вода под давлением 4 МПа с температурой на входе Т=170°С, а на выходе Т=220°С.
Расчетные характеристики одного двухзонного ТВЭЛа и модуля бланкета в целом для вариантов 4-6 приведены в таблице 7.
Гидравлические потери при прокачке теплоносителя не превышают 22% от входного давления, а температуры конструкционных материалов не превышают допустимых. Подобные характеристики модуля представляются приемлемыми и подтверждают работоспособность конструкции.
При содержании РН, МА, СМ в одном ТВЭЛе путем изменения объемов зон трансмутации можно обеспечить различное соотношение их количеств в ТВЭЛе.
3. Модуль бланкета для трансмутации изотопов с металлическим цилиндрическим корпусом без РН и сферическими ТВЭЛами (Фиг. 1) устанавливается в ДЕМО-ТИН.
2
Принятые допущения. ТВЭЛы имеют гомогенную конструкцию - каждый ТВЭЛ содержит какой-либо один ТрМ и наружную оболочку из циркониевого сплава (Фиг. 6). ТрМ - либо РН - W или Be, либо - СМ - ThO, либо МА - смесь окислов Np, Am, Cm. Центральная полость представляется необходимой для сбора газообразных продуктов трансмутации и для обеспечения допустимой температуры МА в содержащих их ТВЭЛах.
внут
мод
3
3
Корпус модуля бланкета выполнен в виде трубы из сплава циркония диаметром 180×10 мм и длиной L=2,2 м. Внутренний объем модуля V=0,0442 м, полный объем модуля V=0,056 м. Шаровой слой ТВЭЛов имеет пористость m=0,4, т.е. 40% внутреннего объема модуля заполнено теплоносителем, а 60% ТВЭЛами.
1
2
Каждый ТВЭЛ состоит из двух частей - металлической оболочки наружным радиусом R=0,01 м, внутренним радиусом R=0,0095 м, и ТрМ под оболочкой.
2
3
Следует отметить, что если в ТВЭЛе из МА не будет центрального отверстия, то разница температур между центром ТВЭЛа и внутренней границей оболочки с R=0,0095 м составит 3008°С, что представляется неприемлемым. В дальнейшем рассматриваем ТВЭЛы с МА с центральной полостью, ограниченной R=0,008 м.
Свойства ТВЭЛов в зависимости от ТрМ в них приведены в таблице 8.
Далее рассматриваем три варианта конструкции модуля с различным сочетанием трех типов ТВЭЛов в них. N - количество ТВЭЛов данного типа в модуле.
2
Вариант 7. ТВЭЛы с бериллием - N=3000; с ThO - N=1500; с МА - N=1832. Тепловая мощность модуля 2,1 МВт.
2
Вариант 8. ТВЭЛы с бериллием - N=2000; с ThO - N=3000; с МА - N=1332. Тепловая мощность модуля 2,44 МВт.
2
Вариант 9. ТВЭЛы с вольфрамом - N=1500; с ThO - N=2500; с МА - N=2332. Тепловая мощность модуля 3,33 МВт.
вх
вых
вх=
вых
В качестве теплоносителя в варианте 7 используется гелий под давлением 6 МПа с температурой на входе Т=150°С, а на выходе Т=450°С; в вариантах 8 и 9 - вода под давлением 4 МПа с температурой на входе Т170°С, а на выходе Т=220°С.
Результаты расчетов вариантов 7-9 приведены в таблице 9.
Гидравлические потери при прокачке теплоносителя не превышают 20% от входного давления, а температуры конструкционных материалов не превышают допустимые. Подобные характеристики модуля представляются приемлемыми и подтверждают работоспособность конструкции.
Следует отметить, что температуры поверхности ТВЭЛов различного типа будут различными, и температура омывающего их теплоносителя будет различной. Но при прокачке теплоносителя через шаровой слой (засыпку) происходит его интенсивное перемешивание, что обеспечивает надежное охлаждение ТВЭЛов и поддержание заданной температуры на выходе из модуля.
Основными преимуществами предлагаемой конструкции представляются:
v
v
v
1. Возможность регулировать среднюю плотность объемного тепловыделения q в ТВЭЛах и в бланкете в целом. В случае использования трех- или двухзонных ТВЭЛов регулирование q обеспечивается изменением радиусов зон с различными ТрМ. В случае использования однозонных ТВЭЛов регулирование q обеспечивается изменением количества ТВЭЛов с различными ТрМ.
2. Возможность максимально полно использовать нейтроны из плазмы, размножителя и МА для трансмутации изотопов.
3. ТрМ не смешиваются между собой, их легко разделить и перерабатывать по отдельности.
4. Простота конструкции модуля и ТВЭЛов.
5. Возможность реализовать в одном модуле бланкета как трансмутацию МА, так и наработку делящегося топлива.
6. В качестве теплоносителя можно использовать различные вещества.
7. При соответствующем подборе материалов бланкет будет обладать глубокой подкритичностью, что исключает возникновение ядерной аварии.