БЛАНКЕТ ДЛЯ ТРАНСМУТАЦИИ ИЗОТОПОВ

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.
v
Предложенные конструкции бланкетов обладают существенным недостатком - высокой объемной плотностью тепловыделения q в ТМ.
v
v
3
3
Так, например, в керамическом бланкете для трансмутации нептуния в ТВЭЛах с нитридом нептуния для ТЯР ДЕМО-С объемная плотность тепловыделения q в ТМ составляет до 600 - 700 Вт/см. 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 в ТМ превышает 1000 Вт/см.
Авторы делают вывод, что охлаждение такого бланкета традиционными способами невозможно.
v
3
Для ТЯР с параметрами, близкими к ДЕМО-ТИН значение q в ТМ ~ 100-300 Вт/см. 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
v
Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение объемной плотностью тепловыделения q 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.
v
v
Снижение q 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 в ТМР 4 и облегчает охлаждение ТВЭЛов теплоносителем 3. При этом отдельного материала размножителя и системы его охлаждения не требуется.
v
v
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 значительно меньше, чем в МА, что позволяет регулировать (снижать) q 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.
пл
Использовать свинец в твердом виде можно при сравнительно низкой температуре ТМР 4 и охлаждающего его теплоносителя 3 (меньше температуры плавления свинца Т=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.
v
Для обеспечения приемлемого q 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.
2
2
2
В случае дисперсного распределения ТМ (например, оксиды ΝpO; AmO; CmO или их смесь) в виде небольших частиц (размером не более нескольких мм) распределены в матрице из свинца, бериллия или вольфрама и образуют ТМР4.
2
2
2
Металлический порошок из Np, Am, Cm или их смеси, а также порошок из ΝpO; AmO; CmO 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.
v
Изменяя процентное соотношение размножителя и МА в ТМР 4, можно получить любую требуемую (более низкую, чем в чистом МА) плотность объемного тепловыделения q 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.
v
Для оценки плотности объемного тепловыделения q в ТМР сделаем следующие допущения. ТМР - дисперсно распределенные оксиды МА в вольфрамовой матрице (размножителе).
vw
3
Плотность объемного тепловыделения в вольфраме q=20 МВт/м.
vma
3
Плотность объемного тепловыделения в оксидах МА q=700 МВт/м.
Объемная доля оксидов МА в ТМР - х.
Плотность объемного тепловыделения в ТМР
,
vtmr
3
при x=0,015 q=30 МВт/м.
mr
Коэффициент теплопроводности ТМР при незначительном значении x будет близок к коэфф. теплопроводности вольфрама, т.е. t=130 Вт/(м⋅°С).
1
об
2
v ст
ст
3
Диаметр сердечника из ТМР D=0,02 м. Толщина окружающей сердечник стальной оболочки ТВЭЛа ∂=0,002 м, и таким образом наружный диаметр сферического ТВЭЛа D=0,024 м. Объемная плотность тепловыделения в стали q=10 МВт/м (это максимальная оценка.) Теплопроводность стали λ=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.
вых
В качестве теплоносителя используется гелий под давлением 4 МПа с температурой на выходе Т=400°С.
2
2
Средний коэфф. теплоотдачи от поверхности сферических ТВЭЛов к теплоносителю α=5000 Вт/(м⋅°С). Такое значение вполне достижимо при использовании гелия как теплоносителя в данных условиях.
пов
цен
вых
Максимальная температура поверхности сферических ТВЭЛов Т и максимальная температура в центре ТВЭЛа Т достигаются при максимальной температуре гелия Т=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).
vtmr
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, что даст завышенное значение температуры на поверхности ТВЭЛа.
2
2 мин
2
Следует отметить, что значение коэфф. теплоотдачи 012 по поверхности ТВЭЛа распределяется неравномерно. Экспериментально показано, что его минимальное значение α мин составляет 55% от среднего, и таким образом α=2750 Вт/(м⋅°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
,
кон
где Т - температура в области контакта между сердечником ТВЭЛа и стальной оболочкой.
об
Для оценки ΔТ используем уравнение теплопроводности
макс
пов
кон
об
q - максимальное значение из q и q. Это позволит оценить максимальное значение ΔΤ.
Температуру в центре ТВЭЛа можно оценить по формуле
.
При принятых допущениях получаем по (4) - (10)
пов
οб
кон
цен
Т=443,7°С; ΔΤ=11,8°С; Т=455,5°С; Т=459,3°С.
Такие температуры конструкционных материалов представляются вполне допустимыми.
Таким образом, основными преимуществами предлагаемой конструкции являются
v
1. Возможность получить требуемую плотность объемного тепловыделения q 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.