СЕГМЕНТ ПЕРВОЙ СТЕНКИ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Область техники
Полезная модель относится к термоядерной технике, а именно к конструкции первой стенки термоядерного реактора или термоядерного источника нейтронов, воспринимающей тепловой и нейтронный потоки из плазмы, и может быть использована в любом устройстве, предназначенном для трансмутации изотопов под действием нейтронного потока, в частности минорных актинидов и наработки делящегося топлива из сырьевого материала.
Уровень техники
Первая стенка - один из основных компонентов термоядерного реактора или термоядерного источника нейтронов и состоит из нескольких секций, а каждая секция из верхнего и нижнего сегментов, каждый со своей системой охлаждения. Особенностями эксплуатации первой стенки являются:
s
2
2
- большие тепловые нагрузки на ее поверхность (средняя тепловая нагрузка q~0,25 МВт/м, пиковая до 1 МВт/м);
- стационарный режим работы;
- минимальная толщина сечений первой стенки из-за необходимости минимальной толщины конструкционных материалов и водяного теплоносителя для улучшения нейтронного баланса в гибридной системе.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция сегмента первой стенки, описанная в (А.Ю. Пашков и др. «Тепло-гидравлический расчет и оценка надежности систем водяного охлаждения первой стенки и дивертора ДЕМО-ТИН». Вопросы атомной науки и техники, серия "Термоядерный синтез", 2018, т. 41, вып. 3, с. 36). Конструктивной частью каждого сегмента первой стенки является набор трубок из хромциркониевой бронзы, через которые прокачивается теплоноситель. Несущей частью конструкции, воспринимающей механические нагрузки, является основание из немагнитной стали, в котором выполнены полукруглые канавки, в которые устанавливаются трубки. Трубки припаяны к основанию слоем припоя. В нижней части основания расположены поперечные и продольные ребра, которые придают жесткость конструкции. К той части каждой трубки сегмента, которая не соприкасается с основанием, припаяны тайлы клиновидной формы, воспринимающие тепловую нагрузку из плазмы. В качестве материала тайлов используются Be или W, являющиеся также размножителями нейтронов. Если тайл или его часть не содержат других материалов, кроме размножителя нейтронов, то он называется «чистым».
В процессе эксплуатации происходит распыление материала тайла, но остальные материалы первой стенки защищены тайлами от распыления, при этом тепловой поток из плазмы попадает на обращенную к ней поверхность тайлов. Так же на нее падает поток нейтронов и гамма-квантов, которые вызывают внутреннее тепловыделение в материале тайлов. Эта тепловая энергия, а также энергия, падающая на поверхность тайла, отводятся теплоносителем, прокачиваемым через трубки, и температура тайлов поддерживается на допустимом уровне.
Тайлы первой стенки имеют ограниченный срок службы сразу по нескольким причинам, среди них:
- распыление материала тайлов;
- деградация свойств материала тайлов и конструкционных материалов первой стенки под действием нейтронов высокой энергии;
- циклические термические нагрузки на первую стенку.
По совокупности всех факторов срок службы сегментов первой стенки оценивается в 0,5-1 год, после чего сегменты первой стенки удаляются из термоядерного реактора и заменяются на новые. Т.к. материалы первой стенки сильно активированы, а также содержат тритий, то замена сегментов первой стенки может производиться только дистанционно.
Предложенные ранее конструкции первой стенки обладают существенным недостатком, который заключается в том, что первая стенка используется лишь для приема тепловой нагрузки из плазмы и защиты материалов от распыления, а процесс трансмутации происходит в самостоятельной конструкции - бланкете, установленном в пространстве между первой стенкой и вакуумной камерой. Требуется система для дистанционных замены сегментов первой стенки, отработавших свой срок службы, при этом требуется другая система для перегрузки бланкета, что усложняет конструкцию термоядерного реактора.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции термоядерного реактора и использование тайлов как для приема тепловой нагрузки из плазмы и защиты материалов от распыления, так и для трансмутации изотопов. При этом замена сегментов первой стенки обеспечивает и перегрузку бланкета.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность трансмутации изотопов непосредственно в первой стенке термоядерного реактора или термоядерного источника нейтронов.
Для достижения технического результата предложен сегмент первой стенки термоядерного реактора, состоящий из ребер жесткости, на которых сваркой закреплено стальное основание, имеющее продольные канавки полукруглого сечения, в которых пайкой закреплены трубки из хромциркониевой бронзы, а сверху на трубках пайкой закреплены тайлы, также имеющие продольные канавки, при этом, верхняя часть стального основания и нижняя часть тайла содержат трансмутационный материал, образующий зоны трансмутации I и II.
Кроме того, зоны трансмутации I и II содержат минорные актиниды Np, Am, Cm в виде металлов, сплавов или химических соединений.
Кроме того, зоны трансмутации I и II содержат сырьевой материал в виде металлов, сплавов или химических соединений Th-232, U-238 для наработки делящегося топлива U-233, Pu-239.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схема первой стенки термоядерного реактора, а на фиг. 2 ее поперечный разрез с зонами трансмутации, где:
1 - трубка из хромциркониевой бронзы;
2 - тайл;
3 - стальное основание;
4 - продольное ребро жесткости;
5 - поперечное ребро жесткости;
6 - теплоноситель (вода);
7 - слой припоя (крепление тайла);
8 - слой припоя (крепление трубки);
9 - зона трансмутации I;
10 - зона трансмутации II;
11 - плоскость, отделяющая «чистую» зону тайла от зоны трансмутации I;
12 - «чистая» часть тайла.
Осуществление полезной модели
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1 и 2, где показана схема взаимного расположения элементов первой стенки и ее поперечный разрез.
Конструктивной частью каждого сегмента первой стенки является набор трубок 1 из хромциркониевой бронзы, через которые прокачивается теплоноситель 6. Несущей частью конструкции, воспринимающей механические нагрузки, является стальное основание 3, в котором выполнены полукруглые канавки, в которые устанавливаются трубки 1, припаянные к стальному основанию 3 слоем припоя 8. К нижней части стального основания 3 приварены поперечные 5 и продольные 4 ребра жесткости, которые придают прочность конструкции. К верхней части каждой трубки 1 слоем припоя 7 припаяны тайлы 2, воспринимающие тепловую нагрузку из плазмы. В качестве материала тайлов 2 используются Be или W, являющиеся также размножителями нейтронов.
Если тайл 2 или его часть не содержат других материалов, кроме размножителя нейтронов, то он называется «чистым».
В тайле 2 имеется зона трансмутации 19, расположенная ниже плоскости 11, проведенной параллельно поверхности тайла, обращенной к плазме, которая по объему занимает приблизительно треть от общего объема тайла 2. Она содержит или минорные актиниды или сырьевой материал.
«Чистая» часть тайла 12, не содержащая минорные актиниды или сырьевой материал, расположена выше плоскости 11. Она может быть распылена в процессе эксплуатации термоядерного реактора, и в случае присутствия там минорных актинидов или сырьевого материала они попадут в плазму разрядной камеры, что нежелательно.
Зона трансмутации II 10 расположена в верхней части стального основания 3 и занимает только часть его, что необходимо для сохранения прочности основания. Она так же содержит минорные актиниды или сырьевой материал.
Представляются возможными следующие сочетания материалов в зонах трансмутации:
- Устанавливается только зона трансмутации 19 с минорными актинидами или сырьевым материалом;
- Устанавливается только зона трансмутации II 10 с минорными актинидами или сырьевым материалом;
- Устанавливаются обе зоны трансмутации в следующих сочетаниях:
- зона трансмутации I 9 - минорные актиниды, зона трансмутации II 10 - минорные актиниды;
- зона трансмутации I 9 - минорные актиниды, зона трансмутации II 10 - сырьевой материал;
- зона трансмутации I 9 - сырьевой материал, зона трансмутации II 10 - сырьевой материал;
- зона трансмутации I 9 - сырьевой материал, зона трансмутации II 10 - минорные актиниды.
Минорные актиниды или сырьевой материал в зонах трансмутации могут быть использованы следующим образом:
- в виде металлов и образовывать сплав с материалом тайла 2 и стального основания 3;
- образовывать химические соединения с материалом тайла 2 или стального основания 3;
- в виде частиц из химических соединений (окислов, нитридов, карбидов и т.п.), дисперсно распределенных в материале тайла 2 или стального основания 3.
Используются минорные актиниды (Np, Am, Cm) в виде металлов, сплавов или химических соединений для трансмутации, либо сырьевые материалы (металлы, сплавы или химические соединения Th-232, U-238) для наработки делящегося топлива (U-233, Pu-239).
По истечении срока службы сегмента первой стенки термоядерный реактор останавливается, и сегменты первой стенки дистанционно удаляются из него. Тайлы 2 отделяются от трубок 1 и отправляются на переработку, где из них выделяются либо остатки минорных актинидов, либо наработанное делящееся топливо. Так же перерабатывается и стальное основание 3.
Примеры конкретного выполнения, которые не ограничивают варианты их исполнения.
Заявленная конструкция сегмента первой стенки устанавливается в термоядерную установку ДЕМО-ТИН. Принятые допущения.
MA
3
Зона трансмутации I 9 находится только в тайлах 2 и содержит минорные актиниды в виде смеси частиц окислов Np, Am, Cm, дисперсно распределенных в металлическом Be. Плотность смеси окислов - r=9000 кг/м. Изотопный состав минорных актинидов приведен в таблице 1.
19
Полное число нейтронов в спектре установки ДЕМО-ТИН (полный поток нейтронов) равен 1,42⋅10 н/с, что соответствует термоядерной мощности 40 МВт.
Процесс трансмутации минорных актинидов под действием нейтронного потока происходит следующим образом. Нейтроны из плазмы и ядер Be или W попадают в ядра атомов минорных актинидов и делят их. При этом возникают продукты деления - изотопы с меньшим периодом полураспада и менее токсичные.
Основные размеры тайла показаны на фиг. 2. Длина одного тайла 0,1 м.
пов
-3
2
S - площадь поверхности тайла - 1,7⋅10 м;
ПС
2
S - площадь поверхности первой стенки ~160 м;
N - число тайлов в первой стенке ~ Snc/SnoB=94100;
т1
-6
3
V - объем одного тайла - 7,97⋅10 м;
тр1
т
-6
3
V~V/3 - объем зоны трансмутации I в тайле - 2,66⋅10 м;
тр
тp1
3
V=VN - полный объем зоны трансмутации I в первой стенке -0,25 м;
х - объемная доля окислов минорных актинидов в зоне трансмутации;
MA
тp
V=V⋅х - объем окислов минорных актинидов в первой стенке;
МА
MA
MA
М=r⋅V - масса окислов минорных актинидов в первой стенке.
Оценки количества окислов минорных актинидов в зоне трансмутации I приведены в таблице 2.
В случае, если будут использованы зоны трансмутации I и II, количество минорных актинидов в первой стенке удвоится.
Расчет трансмутации минорных актинидов проводился методом Монте-Карло по программе MCNP-4 с сечениями из файлов FENDL-2 ENDF/B-6.
MA
Для значения х=0,02 и M=45 кг количество минорных актинидов, подвергшихся трансмутации, составило 4,55 кг за год, т.е. ~10% от исходного количества.
Таким образом, основными преимуществами предлагаемой конструкции представляются:
1. Возможность осуществлять трансмутацию элементов без использования бланкета и связанных с ним элементов (системы крепления, охлаждения, перегрузки, безопасности).
2. Возможность осуществлять перегрузку путем замены элементов первой стенки, которая будет регулярно производиться в термоядерном реакторе даже при использовании только «чистых» тайлов.
3. Возможность максимально полно использовать нейтроны из плазмы и размножителя для трансмутации элементов.
4. Простота конструкции тайла.
5. Возможность реализовать в первой стенке как трансмутацию минорных актинидов, так и наработку делящегося топлива.