27 апреля 2020

Форум "Generation IV" организовал вебинар по тематике микрореакторов

AtomInfo.ru AtomInfo.ru

Международный форум "Generation IV" организовал 26 марта 2020 года вебинар по тематике "Микрореакторы: технологическая опция для ускоренных инноваций".

С презентациями на вебинаре выступила группа специалистов из американских национальных лабораторий Лос-Аламос и Айдахо - доктор Дасари Рао, доктор Холли Трелли и Ясир Арафат.

Ясир Арафат (не путать с покойным палестинским лидером) ранее был известен как руководитель работ по созданию микрореактора "eVinci" в компании "Westinghouse". В настоящее время он является техническим советником в программе министерства энергетики США по микрореакторам.

Основной упор в презентациях был сделан на работы, ведущиеся в США.

Интерес к технологиям микрореакторов обусловлен тем, что они инновационны и относительно недороги, а сроки их сооружения невелики. Кроме того, микрореакторы могут быть хорошим выбором для военных и гражданских микросетей.

К научно-технологическим основам для развития микрореакторов можно причислить развёртывание производства урана HALEU, создание высокотемпературных замедлителей и прогресс в сфере ядерных данных.

Серьёзную помощь для разработчиков микрореакторов оказывает наличие современных валидированных междисциплинарных расчётных кодов, стендов типа EDU и NDU, а также создаваемый национальный центр инновационных реакторных технологий (NRIC).

Типичный проект микрореактора включает в себя следующие черты:

  • уран HALEU, топливо металлическое, керамическое или TRISO;
  • в зоне присутствуют в различных комбинациях жаростойкие гидриды, бериллий и графит; в зависимости от их долей, спектр нейтронов может быть быстрым, промежуточным или тепловым;
  • большой (толстый?) отражатель, одновременно выступающий как система теплоотвода и как место расположения барабанов системы СУЗ;
  • теплоотвод от активной зоны осуществляется посредством тепловых трубок или жидкосолевым или газовым теплоносителем;
  • для выработки электроэнергии используется цикл Брайтона с промежуточным теплообменником или без него.

В качестве конструкционных материалов могут выбираться жаропрочные и устойчивые к ползучести (creep resistant) стали, молибден, керамика и графит.

Хотя проекты микрореакторов отличаются друг от друга, все они сталкиваются с похожими вызовами, считают американские специалисты.

Требуется доказать возможность производства микрореакторов, их готовность к лицензированию, продемонстрировать безопасность, стабильность и простоту эксплуатации.

Одной из проблем докладчики на вебинаре видят несоответствие возможностей существующей инфраструктуры для "ядерной демонстрации". Создание в США центра NRIC должно помочь заполнить пробел между проектированием и требованиями к лицензированию.

Докладчики полагают целесообразным применять для разработки микрореакторов метод разделения переменных, то есть, отрабатывать отдельные решения как на стендах EDU с электронагревом, так и на стендах NDU с обогащённым ураном.

Следует также пройти "тест адмирала Риковера". В своё время адмирал писал, что до тех пор, пока не будет построен хотя бы один реактор по проекту, близкому к предлагаемому, нельзя быть уверенными даже в том, что реактор с предлагаемым проектом выйдет на критику.

Соответственно, для успешного прохождения микрореакторами "теста адмирала" необходимо прикладывать усилия для снижения имеющихся неопределённостей в данных и моделях.

Отдельная часть презентаций на вебинаре была посвящена выбору материалов для микрореакторов.

Возможные топливные материалы таковы:

  • уран-молибден (обогащение до 19,75%);
  • нитрид урана (обогащение до 19,75%);
  • коммерческий диоксид урана (обогащение до 5%);
  • металлическое топливо U-10Zr;
  • TRISO.

Возможные материалы для замедлителя таковы:

  • гидрид циркония;
  • гидрид иттрия, способный удерживать водород при более высоких температурах;
  • связанные с ними сплавы;
  • графит и/или бериллий.

Возможные материалы для отражателей таковы:

  • идеальный вариант BeO или MgO;
  • Al2O3 лучше с точки зрения экономики;
  • возможно также использование графита.

Докладчики отдельно остановились на дигидриде иттрия, работы по изучению которого ведутся в Лос-Аламосе.

По сравнению с гидридами других металлов, дигидрид иттрия YH2-x выгодно отличается более высокой температурной стабильностью, относительно малыми сечения поглощения тепловых нейтронов и хорошими упругими свойствами.

В то же время, остаются проблемы, связанные с изготовлением из дигидрида иттрия изделий сложной формы, а также со структурными деградациями при массовой гидридизации.

Доступных данных по поведению дигидрида иттрия под облучением не так много, поэтому проводятся облучательные эксперименты на исследовательском реакторе ATR, а в будущем запланировано проведение интегральных критических экспериментов.

Важной составной частью проекта любого микрореактора является концепция теплоотвода от топлива.

Теплоотвод может осуществляться традиционным способом - посредством прокачки теплоносителя (например, газа). Но возможны и иные варианты.

Так, возможно использование механизма фазового перехода рабочей жидкости (тепловые трубки). Возможно также использование термоэлектрических свойств материалов или таких физических механизмов как термоакустика.

Докладчики рассказали о некоторых экспериментах, которые проводятся в национальных лабораториях США в поддержку изучения различных способов теплоотвода для микрореакторов.

Так, в одном из экспериментов изучалась теплофизика полуметровых шестигранных стальных колонн с семью отверстиями - центральным для размещения тепловой трубки и шестью отверстиями для электронагревателей (см. фото ниже).

В другом эксперименте планируется изучить теплофизику метровой стальной колонны с 37 тепловыми трубками и 54 электронагревателями.

Также в нацлабораториях ведётся разработка современной измерительной аппаратуры (термопары и другие датчики) и создаются экспериментальные стенды SPHERE и MAGNET.

В заключение докладчики перечислили приоритетные направления НИОКР в рамках программ по микрореакторам, которые реализуются при поддержке министерства энергетики США.

В области системного анализа это: рыночные исследования; регулирующие требования; моделирование; технико-экономический анализ.

В области освоения технологий это: тепловые трубки; жаростойкие замедлители; теплообменники; измерительная аппаратура и датчики.

В области поддержки демонстрации это: стенд SPHERE; стенд MAGNET.

В области демонстрации применений это: производство водорода; районное теплоснабжение; опреснение; автономная работа; дистанционное управление.