Реактор Holos для армии США

Интерес армии США к малым реакторам в последние годы значительно возрос. Возможные выгоды от их применения проанализировали авторы статьи в журнале "Journal of Defense Management" (том 8, вып.1, 2018) Кеннет Аллен и др., представляющие военную академию США (Нью-Йорк).

Реактор "Holos"

В своей статье американские авторы рассмотрели проект микромодульного реактора "Holos Highly Integrated Micro Modular Reactor" ("Holos" HI-MMR), разработанный компанией "Filippone and Associates LLC".

Активная зона реактора "Holos" состоит из длинного узкого псевдоцилиндрического массива тепловыделяющих сборок, расставленных вокруг центрального канала для органов управления. Число сборок в активной зоне варьируется в зависимости от мощности реактора, для целей статьи выбрана компановка из 78 кассет.

Каждая ТВС состоит из массива топливных каналов и каналов теплоносителя, окружённого стальной оболочкой. Топливо - шаровое, TRISO, плотность упаковки 0,4. Обогащение урана для целей статьи было выбрано равным 10%.

В качестве теплоносителя авторы статьи для своего моделирования взяли чистый гелий. На рисунке ниже гелий показан жёлтым цветом, а корпус реактора, выполненный из оксида бериллия и играющий роль отражателя - зелёным.

Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра

 

 

Нейтронно-физические параметры

С помощью широко известного монте-карловского кода MCNP6.1, авторы провели расчёты некоторых нейтронно-физических параметров реактора "Holos" (с учётом принятых допущений).

Для свежего топлива в горячем состоянии (900 градусов Кельвина) значение k_эфф составило 1,05810±0,00166. Это достаточно большой запас реактивности, и для его компенсации в проекте должны быть предусмотрены соответствующие средства.

В холодном состоянии (при комнатной температуре) запас реактивности ещё больший, значение k_эфф достигает 1,094. Температурный коэффициент реактивности, как и следовало ожидать, отрицательный и равен -0,0000338±0,000005 Δk/k.

Интересное поведение реактивность демонстрирует при выгорании (расчёты велись для мощности 30 МВт(т)).

Во-первых, исходного запаса реактивности хватает на 35-40 лет работы. Однако следует учесть, что этот результат был получен для идеализированной модели, в которой не учитывался паразитный захват в органах регулирования, компенсирующих превышение реактивности над нулём. Расчёты по моделям, более приближенным к реальным условиям работы, дают значение кампании порядка 13 лет.

Во-вторых, в первые 100 суток работы реактора реактивность не падала, а слегка возрастала. Это связано с более высоким, по сравнению с легководными аппаратами, значением коэффициента воспроизводства в реакторе "Holos".

Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра

 

 

Сравнение для Баграма

Во второй части статьи авторы проанализировали возможности применения малых реакторов для баз передового развёртывания (forward operating base), использовав для сравнения данные по базе "Баграм" в Афганистане.

Потребности базы "Баграм" в электроэнергии составляют 56 МВт(э). Их обеспечивают, в общей сложности, 15 генераторов.

Авторы статьи предложили рассмотреть следующий вариант - четыре реактора "Holos" мощностью 13,5 МВт(э) каждый и 10 генераторов мощностью по 1 МВт(э) каждый. Кампания реакторов составляет в этом сравнительном расчёте 13 лет.

Сравниваемые варианты для базы "Баграм"

 

 

В следующей таблице рассмотрены возможные варианты доставки генераторов и реакторов воздушным и наземным путём с точки зрения соответствия по габаритным размерам и весу.

Как видно из таблицы, "Holos" может быть доставлен к месту службы военно-транспортными самолётами C-5 и C-17.

Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра

 

 

В следующей таблице приводятся данные по экономике проекта "Holos Quad", одного из вариантов в линейке проектов "Holos".

Для демонстрационного аппарата (FOAK) приведены два набора данных. Первый учитывает все затраты, включая подготовку площадки, топливо и лицензирование. Второй набор приведен для собственно реактора.

Как видно из таблицы, в первом случае демонстрационный аппарат обойдётся в сумму свыше 180 миллионов долларов, во втором речь идёт о примерно 50 миллионах долларов. Для серийных аппаратов стоимость существенно снижается.

Экономические параметры "Holos Quad"

 

 

Наконец, следующие данные, использованные при анализе, касались потерь (casualties), понесённых армией США при прохождении конвоев с топливом.

Авторы взяли статистические данные, в соответствии с которыми в Ираке потери составляли 0,026 человека на конвой, а в Афганистане - 0,042 человека на конвой.

Итоговый вывод, к которому пришли авторы статьи после завершения моделирования и сравнительного анализа, таков.

С экономической точки зрения, применение реакторов "Holos" для электроснабжения баз передового развёртывания становится выгодным примерно через 500 суток. Таким образом, если база создаётся на срок два года и более, то её снабжение с помощью реакторов имеет экономический смысл.

С точки зрения потерь личного состава, применение реакторов "Holos" позволяет снизить потери на порядок за счёт существенного сокращения числа конвоев.

Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра