Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

tnenergy:Реакторы с ускорительным драйвером

Аватар пользователя Ctavr

  Существует одно направление технологий ядерных реакторов, которое при весьма экзотичном облике и двигающихся программах НИОКРов имеет довольно туманное будущее. Речь идет про реакторы с внешним ускорительным источником нейтронов или Accelerator Driven Systems (ADS). Рожденные в попытке создать безопасные реакторы, подобные системы представляю собой настоящий инженерный кошмар, как мы все любим.

 


Проектное изображение флагмана ADS-реакторов - свинцово-висмутового быстрого реактора MYRRHA с ускорительным драйвером.

 

Collapse )

Идея прикручивания к ядерным реакторам такого ускорителя возникла в конце 80х именно как ответ на Чернобыльскую аварию, причем в двух ускорительных центрах мирового класса - Брукхейвенской лаборатории в США (H. Takahashi and G. Van Tuyle) и в ЦЕРНе в Европе (Карло Руббия).

Принципиальным отличием ADS от существующих реакторов является использование подкритичной сборки ядерного топлива т.е. такой, где количество нейтронов с каждым поколением становится меньше (Кэфф = 0.95), и без внешней подпитки нейтронами цепная реакция деления  быстро затухает. Недостающее в каждом поколении количество нейтронов должен вносить спалляционный источник, где нейтроны получаются путем разрушения атомов мишени ускоренными протонами.


Проектное изображения здания для MYRRHA. Длинная зеленая штука между двумя белыми корпусами - насыпь поверх линейного ускорителя. Солнечные панели на зданиях намекают, кто тут хозяин.

В таком гибриде ядерного реактора и ускорителя принципиально невозможна реактивностная авария, связанная с разгоном на мгновенных нейтронах (как в Чернобыле) - стоит выключить ускоритель, и через секунду мощность реактора упадет до остаточной, не связанной с цепной реакцией. Вторым важным мотивом строить ADS стало то, что подобный реактор с жестким нейтронным спектром очень хорошо выжигает минорные актиниды - т.е. решает одну из существенных проблем ЗЯТЦ.


Существующие программы по изучению трансмутации минорных актинидов (MA) в ADS-реакторах.

Но на этом плюсы заканчиваются и начинается большой список технических сложностей. Поскольку атомная индустрия быстро разработала и воплотила новые стандарты ядерной безопасности, уменьшающих вероятностью реактивностных аварий практически до невозможной, то идея ADS так и должна была остаться идеей.


Разрез MYRRHA по двум осям. Слева видна активная зона и два внутриреакторных хранилища. Справа - по центру циркуляционный насос и по бокам два теплообменника вода-свинцово-висмутовая эвтектика.

Однако фигура Карло Руббия (нобелевского лауреата, бывш. директора CERN, бывш. директора итальянского “росатома” ENEA и т.п.) позволила продавить идею ADS хотя бы в исследовательские установки. В итоге, в 1998 году Европа начала НИОКРы, которые привели в 2006 году к экспериментальной установке GUINEVERE - где термоядерный ускорительный источник нейтронов (разогнанные до 200 КэВ дейтроны били в тритиевую мишень) подпитывал находящийся в подкритичном состоянии реактор VENUS-F. Причем интересно, что реактор был переделал из обычного бассейнового исследовательского в свинцовую сборку, где свинец находится в твердом состоянии.


GUINEVERE: труба ускорителя подходит с потолка к подкритичной сборке, виднеющейся на уровне пола.

Два десятилетия развития идеи ADS на сегодня воплощены в виде проекта реактора MYRRHA, который будет построен в бельгийском ядерном центре SCK-CEN. Причем, в силу неоднозначности плюсов реакторов с ускорительным драйвером, это должна быть не просто опытная ADS установка, а полноценный исследовательский реактор по типу БОР-60, МБИР или CEFR-25 предназначенный для исследования и разработок в области четвертого поколения, наработки медицинских радиоизотопов и ядерно-легированного кремния.


Активная зона MYRRHA в центре, два желтых цилиндра - полости для облучения ЯЛК, зеленое циркуляционные насосы.

MYRRHA исполнен по технологии быстрого свинцово-висмутовый реактора с спалляционной мишенью в центре активной зоны, в которую приходит луч ускоренных протонов с энергией 600 МэВ и током 4 мА. Поток протонов будет рождать в мишени 1017 нейтронов в секунду. Линейный ускоритель длинной 260 метров с криогенными сверхпроводящими резонаторами расположен тут же и составляет единое целое с реактором.


Сверху мааленький чертеж зданий ЛИНАКа и реактора, снизу - схематичное изображение этой системы.

Полезная мощность ускорителя, как несложно посчитать - 2,4 МВт, мощность реактора - 100 мегаватт тепловых, т.е. подкритичная сборка будет усиливать энергию протонного пучка в 40 раз, что является нижней границей, интересной для коммерческой реализации ADS.


Вид сверху на реактор. По вертикальной оси расположены две перегрузочные машины (IVFHM) и изображены их рабочие зоны. Справа-слева от IVFHM расположены внутриреакторных хранилища ТВС. Справа-слева от АЗ - сборки из насоса и двух теплообменников.

Реактор MYRRHA в свою очередь, бассейновый, т.е. активная зона, два циркуляционных насоса, 4 теплообменника, перегрузочные машины - все это находится в одном корпусе, наполненном расплавом свинцово-висмутовой эвтектики (55% висмута и 45% свинца). Такой экзотический теплоноситель (на сегодня в рамках советской лодочной программы было построено всего порядка десяти ядерных реакторов с СВ-эвтектикой в качестве теплоносителя, больше нигде в мире таких реакторов не было) нужен для улучшения нейтронного баланса и соответственно удешевления реакторно-ускорительной системы.


Перезрузочная машина, слева - манипулятор, по центру - эффектор. Справа вверху вид внутри реактора, удерживающая ТВС решетка поднята к АЗ.

Активная зона реактора набрана из шестиугольных ячеек в которых будет располагаться 108 ТВС и 55 многофункциональных каналов (центральный из которых занят спаляционной мишенью и еще 9 - поглощающими стержнями системы управления и защиты). Остальные каналы можно использовать для установки мишеней - материаловедческих, опытных ТВС, для наработки изотопов и т.п., причем в потоке быстрых нейтронов, что сейчас на территории Европы практически недоступно. В объеме под спаляционной мишенью так же можно расположить образцы для облучения - здесь спектр излучения похож на то, что будет в будущих термоядерных реакторах (например DEMO). Снаружи активной зоны имеются так же полости для получения ядерно-легированного кремния. Высота АЗ - 2000 мм, высота топливного столба 600 мм, диаметр ~1700 мм.


Картограмма загрузки АЗ. Кружками обведены ячейки, доступные для расположения мишеней и образцов.

Шестиугольные ТВС диаметром 105 мм набраны из 127 тонких твэлов (внешний диаметр 6.55 мм, стенка 0.45 мм) с МОКС топливом и оболочкой из стали “15-15 Ti” (видимо аналог нержавеющей стали ~20Н15Х15Т).

Активная зона охлаждается теплоносителем, идущем сверху вниз на скорости 2 м/с общим расходом 13100 кг/с. После АЗ теплоноситель подогревается с 275 до 325 С и накачивается двумя циркуляционными насосами в теплообменники, где охлаждается водой и возвращается в АЗ. Тепло от воды, в свою очередь, будет сбрасываться на вентиляторных градирнях.


Возможности MYRRHA как исследовательского реактора. Характеристики только чуточку слабее МБИР.

Интересно, что в ходе разработки размер АЗ (и количество ТВС) был увеличен, как и расход теплоносителя, а вот подогрев теплоносителя снизился с 140 С до 50С - не все так просто оказывается в разработке быстрых свинцово-висмутовых реакторов.


Прямо по центру АЗ расположена спаляционная мишень (серое). Красная труба с полукруглым окончанием - окончание ускорительной части в реакторе.

Проект MYRRHA отличается уникальной перегрузочной машиной (а точнее сразу двумя, обслуживающими по половине АЗ) - это “подсвинцовый” манипулятор, который будет извлекать ТВС из АЗ снизу и переставлять их во внутрикорпусное хранилище (где они будут остывать 1,5-2 года), а так же отправлять в элеватор остывшие ТВС и загружать в АЗ свежие. Уникальность этого робота в том, что работая фактически вслепую в жидком сплаве висмута-свинца при температуре 300 С он должен иметь достаточно высокую надежность и точность.


Разнообразные варианты перегрузочный манипуляторов.

При этом все приводы и датчики этого манипулятора можно расположить только сверху, над уровнем теплоносителя, а положение эффектора должно передаваться вниз только механическим способом. На такие безумства заставляет идти наличие сверху вакуумной трубы ускорителя, отсоединение-подсоединение которой к мишени в центре АЗ на время перегрузок почему-то показалось разработчикам сложнее, чем эти роботы.


Анимация работы "подсвинцовой" перегрузочной машины.

В итоге в ходе проработки разных кинетических схем была выбрана простейшая, с минимумом вращающихся соединений внизу.

Разработку перегрузочных машин ведет фирма Oxford Technologies, знакомая нам по нескольким робототехническим системам ИТЭР. Кроме того, что бы не работать совсем в слепую и для поиска и нахождения всякого мусора, который будет всплывать к нижней решетке активной зоне (в свинце-висмуте прекрасно плавает даже сталь) будет разработана сонар-визор для визуализации обстановки. Для натриевых реакторов такие камеры уже существуют, однако для свинца-висмута были обнаружены существенные неоднородности в скорости распространения ультразвука в среде, связанные с температурой и микрогетерогенностями, так что задачка разработки рабочей перегрузочной машины весьма непроста.


Кстати, в проекте хотят роботизировать и работу в реакторном зале на мощности. Сомнительная затея, хотя причины понятны (возможный уход луча ускорителя на стенки может дать мгновенную смертельную зону находящимся в помещении). Забавно видеть JETовских роботов тут.

Следующая передовая разработка в этом проекте - линейный ускоритель (ЛИНАК) протонов. На сегодняшний день в мире существует только два ускорителя протонов, способных выдавать среднюю мощность больше 1 мегаватта - это нейтронные спалляционные источники PSI и SNS. И строится еще один такой источник - ESS.


Карта существующих ускорителей в координатах "мощность - энергия". И да, БАК действительно имеет ускоряющую мощность меньше 1 мегаватта.

Ускоритель MYRRHA средней мощностью в 2,4 мегаватта будет вторым в мире по этому показателю. Причем здесь не только высокая мощность но и высокий (для протонных ускорителей) ток. Кроме того, ЛИНАК должен работать в непрерывном, а не импульсном режиме, что у уменьшает возможности по перекалибровке систем между импульсами.


Различные графики, показывающие причину выбора именно 600 МэВ - лучший кпд по выходу нейтронов, меньше проблемы с плотностью энергии на мишени при чуть большей цене.

Проблемой для разработчиков является и необходимость удерживать луч протонов на мишени, которая представляет собой просто одну пустую ячейку, заполненную движущейся свинцово-висмутовой эвтектикой - решение, кстати, похожее на источник SNS, где спалляция происходит в потоке ртути. Для уменьшения проблем с кавитацией и вскипанием расплава луч диаметром в сантиметр будет развертываться по кругу диаметром 6 см. Для того, что бы не повредить реактор, этот луч должен очень стабильно оставаться на мишени, со стабильностью, превосходящей сегодняшние показатели линейных ускорителей в 50 раз.

Кроме того, необходимо повысить и общую надежность этой машины - с характерных сегодня десятков часов между остановками до (в идеале) 2160 часов, т.е. 90 дней - запланированных сессий работы реактора MYRRHA на мощности. Напомню тут, что MYRRHA - это не только опытный ADS, но и прежде всего исследовательский реактор, который решает задачи внешних заказчиков и постоянные остановки на починку ускорителя вызовут множество проблем (заодно похоронив идею ADS).


Два инжектора, переходящие в основную секцию ускорителя

Поэтому дизайн ЛИНАКа довольно необычен. Он начинается с двух параллельных инжекторов протонов, один из которых всегда будет работать в горячем резерве.  Используя три разные секции радиочастотных резонаторов, последняя из которых сверхпроводящая, на длине 19 метров они ускоряют протоны с начальных 30 КэВ до 17 МэВ. Далее луч с одного из инжекторов отправляется в основную секцию сверхпроводящего ЛИНАКа, а со второго попадает в мишень, где благополучно рассеивается.


Схема инжектора, с использованием 3 различных технологий ускорения.

ЛИНАК состоит из более чем 140 сверхпроводящих резонаторов, передающих энергию электромагнитного поля протонам. Его длина - около 250 метров, температура ниобиевых элементов - 2К. Для решения задачи общей надежности эта часть спроектирована так, что при отказе любого из криомодулей поломанный и остальные за ~2 секунды перенастраиваются так, что бы протонный луч просто пролетал отказавший модуль и ускорялся остальными. Эта идея реализуется с помощью специальной магнитной оптики и введения быстрых механических систем (с пьезоактуаторами), которые перемещают резонаторы по криомодулям.


Прототип резонатора типа RFQ, обеспечивающих ускорение с 30 КэВ до 1,7 МэВ.


Второй по ходу тип резонаторов инжектора - нормально проводящие CH-cavity.


3D модель сверхпроводящих резонаторов основной линии ускорителя MYRRHA.


Сборка из двух радиочастотных транзисторов по 850 Ватт - прототип для модульного усилителя на 32 КВт

Интересная особенность отчета программы разработки аванпроекта ускорителя MYRRHA - это замечание о том, что в самом проекте мало “ускорительщиков”, а расписание проекта “слишком сжато”. Т.е. даже в очень небольшом исследовательском ADS-реакторе ускорительная часть вызывает большие затруднения, требующие многолетних разработок. Что же будет, когда понадобится как минимум 30-мегаваттный ускоритель для полномасштабного энергоблока?


Текущий график строительства идет очень далеко - еще недавно в планах был 2023-2024 год, как начало работы, но разработка ускорителя отодвигает эту дату еще на 6-7 лет.

Подводя итог, хочется сказать, что ADS сегодня выглядит довольно тяжелым и сложным решением. Но, несмотря на неоднозначность технологии, ей занимаются не только в Европе, но и в Китае, возможно из-за косвенной отдачи - это позволяет тянуть целые пласты прикладной науки (как по реакторам, так и по ускорителям), попутно получая реалистичную оценку стоимости одной из веток ядерных технологий.

http://tnenergy.livejournal.com/63810.html

 

Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя Трезвенник
Трезвенник(2 года 8 месяцев)(19:16:20 / 13-06-2016)

Это то, что продвигается Острецов? 

Аватар пользователя Ctavr
Ctavr(2 года 5 месяцев)(19:39:31 / 13-06-2016)

 Наверно можно назвать частным случаем что-то около,но не совсем это, как я понимаю его концепция основа на предположении , что чем больше энергии дать через ускоритель тем больше нейтронов на выходе на 1 МЭВ.

И почему то у него все намного проще ,чем у европейцев на этом маленьком исследовательском реакторе. 

Аватар пользователя elfwired
elfwired(5 лет 1 неделя)(12:38:52 / 14-06-2016)

Острецов продвигает не просто ADS а ещё и некий "Ускоритель Богомолова", благодаря чудесным характеристикам которого ADS станет экономически выгодным. Кроме того этот волшебный ускоритель благодаря своим компактным размерам сможет подняться в небо на одном из существующих транспортных самолётов и решить проблему ядерного терроризма а также стать мегаоружием против кораблей с ядерной силовой установкой.
Проблема только одна: нет пока такого ускорителя. 
А вот то, что описывается в статье - это как раз пример того, как всё происходит в реальности, когда чтобы что-то создать в металле приходится решать кучу сопутствующих технических проблем.

Аватар пользователя Herz
Herz(4 года 10 месяцев)(19:41:20 / 13-06-2016)

260 м сверхпроводящий ускоритель на 2 МВт....

На коммерческих мощностях это будет суперпупермегамашинен

Не выстрелит

 

 

 

Аватар пользователя negr
negr(5 лет 9 месяцев)(20:05:07 / 13-06-2016)

до 2х летних компаний нынешних ещё далекоsad

Аватар пользователя mk2
mk2(1 год 10 месяцев)(00:03:40 / 14-06-2016)

По-моему, реакторы с внешним источником нейтронов нужно использовать как бридеры для получения урана-233 и плутония-239 из какого-нибудь тория, который в обычных реакторах не сделаешь. Всё-таки как основной реактор такая система не пойдет хотя бы из-за высоких энергозатрат на внешний источник,а как вспомогательный элемент ЗЯТЦ - может пригодиться. И исследовательский, да.

Аватар пользователя Pedestrian
Pedestrian(1 год 5 месяцев)(01:03:59 / 14-06-2016)

Дык у него же выхлоп в 40 раз больше потребной энергии на входе. С выхлопа и будет идти энергопитание.

Аватар пользователя andyt78
andyt78(3 года 11 месяцев)(09:54:17 / 14-06-2016)

Полезная мощность ускорителя, как несложно посчитать - 2,4 МВт, мощность реактора - 100 мегаватт тепловых, т.е. подкритичная сборка будет усиливать энергию протонного пучка в 40 раз

То есть сколько потребляет ускоритель - "неизвестно", известно только сколько используется из потребленного. КПД? Зачем разработчикам КПД?))))

Далее 100МВт тепловой - это отнюдь не 100МВт электрической, урезать осетра эдак вчетверо - будет электрическая))) 

Комментарий администрации:  
*** Окрашиваю нашествие нацистов в розовые тона ***
Аватар пользователя elfwired
elfwired(5 лет 1 неделя)(12:42:00 / 14-06-2016)

Так вы сравниваете с тем, что у ускорителя на выходе, а если прикинуть, сколько он кушает из розетки, всё не так уж радостно. В результате строят только исследовательский реактор а о коммерчески выгодном речь пока не идёт.

Аватар пользователя Подольский

По-моему, вам стоит подучиться, что бы не писать чушь. 

бридеры для получения урана-233 и плутония-239 из какого-нибудь тория, который в обычных реакторах не сделаешь.

В статье приведена нейтронная яркость ускорительного источника - 10 в 17 нейтронов в секунду. Это значит в идеальных условиях такой источник способен за год трансмутировать 5 молей тория или урана ~1 кило целевого нуклида. В реальных условиях это будет 100 грамм. Промышленные уран-графитовые реакторы давали до 1,5 тонн плутония в год, попутно вырабатывая тепло и электроэнергию.

 

Аватар пользователя lataragan
lataragan(2 года 1 месяц)(06:40:29 / 14-06-2016)

благодарю за материал

Комментарий администрации:  
*** Клон nopasaran (почти дословные дубли комментов), блокирован ***
Аватар пользователя Подольский
Подольский(2 года 1 неделя)(19:02:44 / 14-06-2016)

Опять 34 год в планах - при той скорости, с которой зеленые сжирают атомную индустрию Европы, к 34 эта MYRRHA никому не нужна будет. Более того, Бельгия вроде имеет запрет на строительство новых блоков, и к 2030 откажется от атомной энергетики, непонятно, зачем им исследовательский реактор при отсутствующей или очень ограниченной индустрии. Медицинские изотопы нарабатывать? Кремний облучать? Этим такого монстра не окупишь. Понять бы, что у них в голове.

Аватар пользователя Подольский
Подольский(2 года 1 неделя)(19:23:41 / 14-06-2016)

По самому проекту что можно сказать:
1. Тяжелометаллический теплоноситель на западе не освоен, и выбран видимо от безысходности - что бы не создавать отдельную петлю для ускорительного источника нейтронов, реакция скалывания (в статье используется безграмотная калька с английского "спалляция") идет только в тяжелых элементах.  

2. Проблемы коррозии/эрозии разработчиков MYRRHA пугают - температура и подогрев в АЗ снижены до минимальных значений, с фреттинг-износом  и возможно с положительными пустотными коэффициентами реактивности борются путем увеличения диаметра АЗ (что крайне негативно сказывается на цене).

3. Не знаю, почему сделали нижнюю перегрузку, но это какой-то мрак и безумие. ТВС с оксидным топливом, выроненные этой перегрузочной машиной, будут всплывать теплоносителе обратно в АЗ, т.е. ребятам придется просчитать сотни конфигураций на ядерную безопасность. Как извлекать заклинившие манипуляторы этой машины по картинкам тоже не видно. 

4. Интересно посмотреть на внешние перегрузочные системы, т.к. свинец висмут - это наличие полония-210, в СВБР-100, например это привело к долгим танцам с бубном в области транспортно-технологических операций с ОЯТ.

5. Мне кажется в статье неправильно описано движение теплоносителя - не может быть что бы было опускное движение через АЗ - а как же аварийный теплоотвод на естественной циркуляции? Надо поискать информацию...

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...