Год назад на сайте Канадских ядерных лабораторий (CNL) была опубликована статья о растущем потенциале Отдела топливных технологий, где планируется использование аддитивных технологий для создания новых видов топливных конструкций. Использование трехмерной печати открывает совершенно новые возможности для ядерного топлива – новые геометрические формы, новые материалы, новые топливные смеси и, как показано далее в этой новости, возможность встраивания других материалов в само топливо.
В течение последнего года команда CNL по разработке топливных технологий изучала с помощью моделирования концепцию, предусматривающую встраивание металлических ребер в обычную ТВС. Эти ребра будут способствовать передаче тепла от центра к внешней стороне ТВС и в теплоноситель реактора.
"В ядерном топливе для целей производства электроэнергии одним из ограничивающих факторов является температура в центре", - говорит Эндрю Бержерон, химик из отделения CNL по разработке топливных технологий, - "Как и звучит, температура по центру означает температуру топлива в мертвой точке, горизонтально, в топливной таблетке. Слишком горячая температура в центре может привести к преждевременному разрушению топлива, слишком холодная - и ваше топливо будет использоваться неэффективно".
Прежде чем топливо будет создано, и, конечно, прежде чем оно будет помещено в реактор для испытаний, оно должно быть тщательно изучено с помощью моделирования. Понимание того, как будет вести себя топливо и как оно будет влиять на теплопередачу, очень важно. Хотя создание топлива может показаться конечной целью, требуется много исследований, которых необходимо выполнить заранее.
Для этого CNL обратились к своему опыту по моделированию, хорошо развитому за многие годы поддержки эксплуатации реакторной системы CANDU.
"Наши модели основаны на обычных моделях теплопередачи", - говорит Нана Офори-Опоку, специалист по вычислительным материалам, - "По-настоящему интересной частью является реализация конкретной конструкции вставок и согласование специфических свойств различных материалов. Это достигается путем создания основы проекта в COMSOL – специальном программном обеспечении для моделирования".
Результаты моделирования на сегодняшний день показывают, что температура в топливе может быть значительно снижена за счет встраивания этих металлических ребер. Оказалось, что можно получить снижение пиковой температуры на 35%, если рассматривать высокую линейную плотность мощности 500 Вт/см, которое является стандартным рабочим состояниям для энергетических реакторов CANDU. В настоящее время моделирование CNL рассматривает обычные топливные таблетки из UO2 и ThO2-UO2. Металлы, выбранные для ребер - молибден и цирконий - были выбраны потому, что они обладают хорошей теплопроводностью и, как было показано, совместимы с UO2-топливом.
"Первые результаты моделирования получены на одном элементе. Мы подозреваем, что, исходя из условий симметрии, наши результаты должны быть показательны для более общего поведения ТВС. Чем эффективнее мы сможем отводить тепло из ТВС, тем больше энергии мы сможем безопасно генерировать внутри реактора", - отмечают исследователи CNL.
Итак, после того, как данное моделирование продвинулось достаточно далеко вперед, следующим шагом будет изготовление самого топлива – проект, который запланирован к реализации в следующем году. Для этого CNL будем использовать накопленный опыт 3D-печати в своих двух лабораториях. Часть топлива будет напечатана в лаборатории CNL по разработке топливных технологий, а металлические ребра будут напечатаны с помощью металлического принтера, которым управляет группа CNL по разработке механического оборудования.
"Текущий подход, который мы все еще разрабатываем, заключается в том, что в процессе печати мы будем добавлять полимерную смолу в места, где будут находиться ребра", - сказал Эндрю Бержерон, - "После этого мы спекаем смолу, оставляя кольцевое пространство, в которое мы можем вставить ребра".
Хотя эта работа сосредоточена на топливных конструкциях для канадских реакторов CANDU, результаты этого проекта могут найти применение далеко за пределами существующего парка больших АЭС. В принципе, данный проект, по мнению CNL, готов к расширению и включению в него исследования топлива для реакторов PWR и BWR.
