Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

Ядерное материаловедение: IFMIF/EVEDA

Аватар пользователя Лектор

Становление атомной энергетики в свое время потребовало создания целого большого пласта материаловедения. Если взять атомный реактор, то к стандартным проблемам прочности при нагреве к любому материалу добавятся требования по определенному взаимодействию с радиационными потоками внутри реактора. Самыми важными оказываются свойства взаимодействия с нейтронами - и с точки зрения нейтронной физики всего реактора (поглощает ли этот конструктивный металл нейтроны? Замедляет? Отражает? Активируется?) и с точки зрения самого материала. 


Испытания на разрыв облученного образца в "горячей камере". Лаборатория ORLN.

Что происходит в материале под воздействием радиации?


- Быстрые частицы "ломают" решетку, вызывая перескоки атомов материала по ним. Это приводит к уменьшению пластичности и росту хрупкости, а так же распуханию.
- Нейтроны могут поглощаться различными атомами, вызывая их трансмутацию - превращения в более тяжелый элемент (например Fe56 + и -> Mn57). Чаще всего образовавшийся изотоп радиоактивен, и он распадается через какое-то время. Так происходит активация материала - насыщение его радиоактивными изотопами.
- Эти радиоактивные изотопы могут распадаться с образованием альфа-частицы. Альфа-частицы не уходят из материи, а рекомбинируются в гелий. Гелий накапливается внутри материала, вызывает его коробление и растрескивание. Аналогичные процессы (в меньшем масштабе) происходят с накоплением водорода. 
- Для очень быстрых налетающих нейтронов возможен прямой развал атома конструкционного материала, с образованием множества осколков и сильно радиоактивного остатка.
- Активация материала приводит к изменению его химического состава и разнообразным коррозионным процессам. Особенно нелегко приходится в местах сварки и спаев


Распухание образца из нержавеющей стали под влиянием нейтронов


Материаловеды для расчета радиационных повреждений используют величину с.н.а. - "смещений на атом" (или dpa в англоязычной литературе). Эта величина означает, сколько в среднем на каждый атом придется актов взаимодействия с излучениями. Дальше мы часто будем говорить про с.н.а. Кстати, характериные повреждающие дозы в современных энергетических ядерных реакторов - от 10 до 60 с.н.а.


Рассчетные радиационные повреждения выгородки реактора ВВЭР-1000 в с.н.а.


Радиационная стойкость различных марок сталей. ЭИ/ЧС - специальные реакторные стали.

Материаловеды придумали множество сплавов, сталей и неметаллических материалов для работы в таких условиях. Их, кстати, часто отличает сумасшедшая точность состава, иногда речь идет контроле каждого 0,01% содержания легирующих примесей. На сегодня 60 с.н.а. является пределом для современных ядерных материалов, причем такие материалы еще и ограничены по рабочей температуре, и не могут, например, использоваться в горячих быстрых реакторах.


Различные по содержанию кислорода и железа циркониевые сплавы. Обратите внимания, что области допустимых значений допантов ~500 ppm, т.е. 0,05%


Однако для будущих быстрых реакторов деления и для термоядерных реакторов нужны материалы, способные стоять до 150 (а лучше до 300) с.н.а. без разрушения, а в случая термояда - стоять не просто в потоке нейтронов, но в потоке сверхэнергичных нейтронов. Кстати, одной из основных проблем этого раздела материаловедения является медленных набор повреждающих доз - 20 с.н.а в год в лучших реакторах, т.е. что бы набрать 160 с.н.а., надо оставить сборку в реакторе на 8 лет. Так, подбор спая бронза-нержавейка, применяемого в ИТЭР заняло 12 лет, в основном из-за долгих промежуточных пауз на облучения. 


Перспективные реакторные материалы и программа их облучения в реакторе БОР-60. 

Для того, что бы создавать и проверять материалы будущих термоядерных реакторов нужны специфические источники термоядерных нейтронов. Тут не подойдут ни высокопоточные исследовательские ядерные реакторы, ни спаляционные (ускорительные) установки. Поэтому в 2000х годах Европа и Япония приняли программу создания специальной исследовательской лаборатории IFMIF/EVEDA для испытаний перспективных материалов.


Схема IFMIF/EVEDA


И план здания. Найди человека в этой "лаборатории".

Установка IFMIF представляет из себя два небольших, но сильноточных ускорителя дейтронов (ионов дейтерия) до энергии примерно 40 МЭв и литиевой мишени (а именно льющегося потока жидкого лития, толщиной 25 мм). Ускоритель довольно уникальный большим током (125 мА), выдаваемым в постоянном (а не импульсным) режиме. Ускоритель состоит из традиционных элементов - плазменного источника ионов, фокусирующих систем (LEBT, MEBT, HEBT), радиочастотного ускорительного модуля с электродинамическим удержанием ионов (RFQ) и радиочастотного ускорительного модуля с электромагнитным удержанием и резонаторными полостями (SRF Linac).


Ускоритель IFMIF, его элементы и разработчики

Ускоренные дейтроны от двух одинаковых ускорителей взаимодействуют с литием по реакции D + Li -> 2He + n. При этом образовавшийся нейтрон очень похож на термоядерный по своей энергии. Литиевая мишень, кстати, тоже довольно уникальная конструкция, занимающаяся очисткой лития от продуктов деления и формирующая завесную мишень.


Схема литиевой мишени...


И ее прототип в натуральную величину!

Получившиеся нейтроны прилетают на испытательный объем, который имеет камеры с разной мощностью нейтронного потока. В самой высокоинтенсивной камере (объемом всего поллитра, что тем не менее позволяет испытывать множество небольших образцов одновременно) создается поток 10^18 н/см^2*сек - это в 200 раз больше, чем на самых высокопоточных ядерных реакторах. Есть камеры и с меньшей интенсивностью, которые, однако, позволяют тестировать уже целые экспериментальные конструкции с охлаждающей жидкостью и т.п.




Спектральная мощность нейтронного потока в перспективном термоядерном реакторе DEMO, и лаборатории IFMIF

Вторая часть лаборатории (EVEDA)- это горячие камеры для всяких исследований того, что же случилось с облученными образцами, как изменились их механически, физические и химические свойства.


Облучательные камеры IFMIF/EVEDA В центре HFTM скорость набора дозы быстрыми нейтронами будет составлять 60 сна в год.


Образцы материалов, которые будут испытываться в IFMIF. Всего в высокопоточную камеру можно загрузить до 1000 таких образцов.


И примерно вот такие испытательные горячие камеры для исследований облученных образцов.

На данный момент идет установка и поэтапный запуск оборудования (так - "голова" ускорителя, источник ионов уже во всю тестируется на рабочих режимах). Оборудование установки изготавливается как европейскими, так и японскими организациями.


Здание, где будет работать IFMIF/EVEDA

После запуска лаборатории в 2017 году в ней начнутся интенсивные исследования перспективных материалов для первой стенки, бланкета и других элементов ТЯР, "живущих" в самых тяжелых радиационных исследованиях. Возможно, именно здесь перспективные материалы типа ванадий-титановых сплавов или карбида кремния SiC перейдут из перспективных в утвержденные. Если их характеристики окажутся близки к ожидаемым, то промышленные токамаки могут стать заметно ближе, а многие из "бумажных" концепций ядерных реакторов деления (например travelling wave reactor) станут возможными.

Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя layratan189
layratan189(2 года 5 месяцев)(22:59:36 / 03-08-2015)

интересно, благодарю!

Аватар пользователя mgear
mgear(2 года 6 месяцев)(23:07:07 / 03-08-2015)

Блин, хотелось бы уже поскорее промышленное электричество из быстрых нейтронов и термояда

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(23:27:37 / 03-08-2015)

Из быстрых нейтронов уже, хотя и мало - БН-600. И БН-800 наконец пошел 2 недели назад на физпуск-2, так что позней осенью, тьфу-тьфу-тьфу ждите первых киловатт*часов. Главное, что пока было нерешено - это использование плутония, "малое замыкание". Из-за этого энергия БН-600 была слишком дорогой для тиражирования. С первыми перегрузками БН-800 эта проблема будет решена. 

Аватар пользователя mgear
mgear(2 года 6 месяцев)(02:46:39 / 04-08-2015)

Будучи сильно не в теме, правильно ли я понимаю, что у БН-800 коэффициент воспроизводства топлива (или как там оно правильно называется) близок к единице?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(08:07:50 / 04-08-2015)

У него Кв 0.98 по политическим причинам (он предназначен для сжигания оружейного плутония).

Аватар пользователя Rashad_rus
Rashad_rus(5 лет 9 месяцев)(23:21:53 / 03-08-2015)

Серьёзный обзор. А как насчёт нейтронно-прозрачных материалов? Есть-же кристаллы, которые рассеивают нейтроны в довольно широком диапазоне энергий. Может кто подскажет и найдутся такие материалы с достаточно высокой прочностью и малым коэффициантом поглощения(им нужно будет только охлаждение во время "работы")?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(23:31:37 / 03-08-2015)

Есть такие материалы - для тепловых нейтронов это цирконий, а для быстрых - ванадий, кремний, углерод. С ванадием есть проблемы корозии, а SiC - крайне перспективный материал, сейчас по всему миру идут исследования всяких оболочек твэлов из него...

Аватар пользователя real
Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(00:18:56 / 04-08-2015)

Изотопно-смещенные материалы - тема очень интересная, и многое дающая, но пока не очень оправданная экономически. Пока выгоднее использовать природный цирконий. В будущем, при внедрении ЗЯТЦ и рецикле циркония изотопно-смещенный может оказаться выгоднее.

Аватар пользователя CCAPMX
CCAPMX(5 лет 10 месяцев)(04:59:35 / 04-08-2015)

я так понял, главная тема этих исследований - взаимодействие с быстыми нейтронами? С тепловыми как-то научились работать?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(08:09:07 / 04-08-2015)

Мало того, что с быстрыми - принципиальное новшество - что с термоядерными. Все же 1 МэВ пика в ядерном реакторе и 14 МэВ (хоть и не пика) - очень разные вещи.

Аватар пользователя tarda
tarda(2 года 10 месяцев)(01:20:50 / 04-08-2015)

Странная статья. Ни слова про хохлов. Дискомфорт. (шутка). В целом познавательно.

Комментарий администрации:  
*** Пушкин писал пером, а tarda пишет говном! ***
Аватар пользователя Дмитрий0472
Дмитрий0472(3 года 11 месяцев)(06:27:14 / 04-08-2015)

Та ви що, расцветка металлоконструкций и площадок обслуживания установки явно показывает истинных прародителей атомной науки всего человечества.

Аватар пользователя CCAPMX
CCAPMX(5 лет 10 месяцев)(04:53:35 / 04-08-2015)

10^18 н*сек/см^2

"н" - нейтрон? сек, наверное, в знаменатель надо.

На графике спектра шкала не указана, но, по-видимому, высокоэнергетичных нейтронов (т.е. тех, которые надо?) на 4-5 порядков меньше, да и даже низкоэнергетичных до 10^18 не дотягивает. Или я не туда смотрю?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(08:11:44 / 04-08-2015)

>"н" - нейтрон? сек, наверное, в знаменатель надо.


Да, верно.

>На графике спектра шкала не указана


А вроде обе шкалы есть...

>но, по-видимому, высокоэнергетичных нейтронов (т.е. тех, которые надо?) на 4-5 порядков меньше, да и даже низкоэнергетичных до 10^18 не дотягивает. Или я не туда смотрю?


Туда, но это же спектр. Т.е. если взять интеграл - как раз 10^18 на сантиметр квадратный в секунду и получитится. При этом спектр будет близок к тому, что существует в токамаках на D + T. 

Аватар пользователя Птица
Птица(2 года 7 месяцев)(10:34:45 / 04-08-2015)

Хорошая статья, частично дает ответ на вопрос об огромных стоимостях разработки новых реакторов.

Аватар пользователя gloombal
gloombal(3 года 4 месяца)(17:42:44 / 04-08-2015)

Да, статья как всегда интересная и познавательная. Лектор, огромный тебе респект, всегда жду новых твоих статеек с нетерпением )

Аватар пользователя krol_jumarevich
krol_jumarevich(2 года 11 месяцев)(22:36:54 / 04-08-2015)

Три вопроса, если можно.

Насколько много у нас в стране добывается циркония, хватит ли?

И второй вопрос, на наших АЭС стоит наше програмное оборудование или иностранное модернезированое?

Как вы считаете Кириенко нормально справляется с своими обязанностями, как директор Росатома?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(23:34:59 / 04-08-2015)

>Насколько много у нас в стране добывается циркония, хватит ли?

Не знаю. Но в год 1 гигаватник "съедает" тонн 10-15 циркония, а считают в месторождениях его миллионами тонн, так что вряд ли это большая проблема. 

>И второй вопрос, на наших АЭС стоит наше програмное оборудование или иностранное модернезированое?

ПО отечественное в массе своей, автоматизация - процентов на 60, на сегодня, думаю.

>Как вы считаете Кириенко нормально справляется с своими обязанностями, как директор Росатома?

Ему памятник надо ставить. Он реально вытягивает отрасль - по сравнению с 90и растет все - и конкуретноспособность в мире, и наука, и промышленность. Я не знаю, повезло ему, или он такой крутой управленец, но он очень многого достиг. Конечно, есть всякие огрехи, типа внедрения канбана, но общий результат впечатляющий. Не знаю ни одного другого такого госуправленца в России. 

Аватар пользователя hardknap
hardknap(5 лет 1 месяц)(12:33:00 / 05-08-2015)

Канбан - это ПСР?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(13:49:46 / 05-08-2015)

>Канбан - это ПСР?

Да. Точнее ПСР - это канбан %) 

Аватар пользователя AriesGoth
AriesGoth(3 года 5 месяцев)(14:52:27 / 05-08-2015)

На сегодня 60 с.н.а. является пределом для современных ядерных материалов


простите за глупый вопрос, а почему ЭП 450 не подходит?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(15:22:12 / 05-08-2015)

У нее температурный предел что-то 490 градусов цельсия что ли. Где температура ниже - там можно и ее использовать, до доз 170 с.н.а.

Аватар пользователя AriesGoth
AriesGoth(3 года 5 месяцев)(18:39:18 / 05-08-2015)

Спасибо.

Аватар пользователя житель провинции

Спасибо за статью!

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...