Результат интеллектуальной деятельности: БЛАНКЕТ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к ядерной технике для генерации нейтронов, где в качестве источника нейтронов используется термоядерный реактор, а именно к конструкции бланкета. Бланкет может использоваться как для наработки целевых изотопов (например, делящегося топлива, трития), так и для трансмутации высокоактивных и токсичных радиоактивных отходов (например, минорных актинидов) в менее активные и нетоксичные. Возможно применение бланкета для получения электрической энергии и в исследовательских целях (например, для изучения нейтронных потоков из плазмы).

Известна конструкция ядерного реактора (Уникальные разработки и экспериментальная база Курчатовского института. Ред. Н.Н. Пономарев-Степной, М., ИздАт, 2008, с. 82-94), в котором активная зона представляет собой емкость, заполненную водным раствором уранил-сульфата (УС) - UO₂SO₄. Эти реакторы имеют значительный опыт безопасной и надежной эксплуатации.

Известна ядерная энергетическая установка (Емельянов И.Я., Ефанов А.И. и Константинов Л.В. Научно-технические основы управления ядерными реакторами. М.: Энергоиздат, 1981, с. 146-151), содержащая канальный ядерный реактор РБМК-1000. Активную зону этого реактора можно представить состоящей из 117 идентичных подкритических ячеек, связанных по нейтронному потоку. Ячейки в совокупности образуют активную зону канального реактора в критическом состоянии. В качестве теплоносителя используется кипящая вода. Недостатком этой установки является ее невысокая ядерная безопасность, связанная с возникновением положительной обратной связи по нейтронному потоку между ячейками.

Известна ядерная энергетическая установка (Патент РФ №2035070, опубликован 10.05.1995), содержащая, по крайней мере, один ускоритель и одну подкритическую и размножающую нейтроны ячейку, выполненную в виде размещенного в защитном боксе цилиндрического подкритичного бланкета, расположенного вокруг мишени, производящей нейтроны и взаимодействующей с пучком ионов от ускорителя, а бланкет разделен на размножающие нейтроны секции, по крайней мере, одним кольцевым нейтронным вентилем, обеспечивающим поглощение потока нейтронов из размножающей секции в соседнюю по направлению к мишени в 10-1000 раз. Сущность изобретения состоит в том, что нейтронный вентиль выполнен в виде расположенных в направлении от мишени сплошных слоев поглотителя тепловых нейтронов и замедлителя быстрых нейтронов. Каждая ячейка связана с входным и выходным коллекторами. Выходной коллектор через теплообменник-парогенератор и главный циркуляционный насос связан с входным коллектором. Теплообменник-парогенератор связан с блоком турбин и генератором электрической энергии. Недостатком этого решения является большая энергонапряженность размножающей нейтроны ячейки, что приводит к снижению надежности и ядерной безопасности установки.

Известен бланкет ТЯР (Патент на ПМ №143978), состоящий из вертикальных металлических модулей, заполненных сырьевым материалом и теплоносителем, устройств для подвода и отвода теплоносителя, при этом модули заполнены сферическими сырьевыми элементами (СЭЛами) с диаметром, значительно меньшим диаметра модуля, причем в верхней части каждого модуля расположено устройство для подвода необлученных СЭЛов и теплоносителя, а в нижней части - устройство для отвода СЭЛов на переработку и теплоносителя. Кроме того, СЭЛы могут быть выполнены гомогенными или гетерогенными, а в качестве теплоносителя используют воду, или органические и фторорганические жидкости, или жидкие металлы, или газы.

Наиболее близким к предлагаемому устройству - прототипом является бланкет ТЯР (Е.П. Велихов и др. "Концепция "зеленой" ядерной энергетики", Вопросы атомной науки и техники, серия "Термоядерный синтез", 2013, вып. 1, стр. 5), состоящий из вертикальных металлических модулей, соединенных устройствами для подвода и отвода расплава сырьевого материала с контуром естественной циркуляции, и байпасным контуром с устройством для извлечения из расплава целевых изотопов и радиоактивных отходов, где в качестве расплава сырьевого материала используют смесь фтористых солей.

В первом контуре осуществляется естественная циркуляция расплава солей флинак (состав фтор, литий, натрий, калий) с добавлением фторида тория. В нем производится наработка U²³³ из тория. Температура соли на входе в бланкет ~550°С, на выходе из бланкета ~600°С, затем эта соль поступает в теплообменник, где отдает тепло теплоносителю второго контура - соли с содержанием натрия и фтора. Соль второго контура охлаждается в теплообменнике второго контура, где отдает свое тепло воде третьего контура с давлением 1 МПа и температурой на выходе 140°С, которая может использоваться в системе теплофикации. Выделение U²³³ из первого контура производится путем байпасного отбора части расплава.

Бланкет с использованием расплава смеси фтористых солей (температура плавления которых превышает 400°С) требует поддержания высокой температуры в контуре циркуляции, превышающей температуру плавления смеси используемых солей. Необходимо устройство для разогрева смеси солей в контуре до соответствующей температуры и поддержания этой температуры тогда, когда плазма в ТЯР отсутствует. Смесь фтористых солей обладает высокой коррозионной активностью, что требует применения в качестве конструкционных материалов сплавов с высоким содержанием никеля, что нежелательно, т.к. они активируются нейтронами.

Бланкет с расплавом фтористых солей обладает следующими недостатками:

1. Высокая рабочая температура осложнит работу криогенных сверхпроводящих катушек ТЯР.

2. Применение никелевых сплавов нежелательно, т.к. они активируются нейтронами.

3. Химические элементы, входящие в состав фтористых солей, токсичны.

4. Несмотря на большой объем исследовательских работ, использование фтористых солей в качестве теплоносителей остается проблематичным.

Задачей предлагаемого технического решения является устранение вышеуказанных недостатков, что приведет к повышению технологичности устройства за счет снижение рабочих температур, исключения токсичных и коррозионно-активных веществ, улучшения нейтронно-физических характеристик за счет использования неактивируемых конструкционных материалов.

Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой конструкции бланкета, заключается в обеспечении:

1. Непрерывной перегрузки сырьевого материала в бланкете.

2. Возможности регулирования состава сырьевого материала в бланкете путем регулирования скорости отбора на извлечение целевых изотопов.

3. Возможности смены типа сырьевого материала без изменения остальной конструкции бланкета.

4. Подкритичности бланкета.

5. Возможности при минимальном количестве конструкционных материалов иметь максимальное количество сырьевого материала.

6. Возможности эксплуатировать бланкет при сравнительно низкой температуре (около 100 ^оС, в то время как в прототипе используется соль при температуре около 600 ^оС).

Для достижения указанного результата предложен бланкет термоядерного реактора, состоящий из, по крайней мере, одного вертикального металлического модуля с раствором сырьевого материал, соединенного патрубками, расположенными в верхней и нижней части, с контуром циркуляции, и байпасным контуром с устройством для извлечения из раствора целевых изотопов и радиоактивных отходов, при этом модуль частично заполнен кипящим водным раствором сырьевого материала, а паровое пространство модуля соединено верхним патрубком с контуром циркуляции, включающим последовательно установленные паровую турбину и конденсатор водяного пара, параллельно которому включен аварийный конденсатор и предохранительный клапан.

Кроме того:

- в верхней части модуль соединен с устройством для рекомбинации продуктов радиолиза воды;

- модуль в нижней части соединен трубопроводом с установленной в нем пробкой из материала с температурой плавления большей, чем рабочая температура раствора сырьевого материала, со сливной емкостью.

- в качестве раствора сырьевого материала используют водный раствор уранил-сульфата UO₂SO₄ для наработки Pu²³⁹ из U²³⁸;

- в качестве раствора сырьевого материала используют водный раствор тория-сульфата ThO₂SO₄ для наработки U²³³ из Th²³²;

- в качестве раствора сырьевого материала используют водные растворы гидроксида лития LiOH, или нитрида лития LiNO₃, или хлорида лития LiCl, или сульфата лития Li₂SO₄ для наработки трития;

- в качестве раствора сырьевого материала используют раствор, содержащий минорные актиниды.

Предложенный бланкет состоит по меньшей мере из одного металлического модуля (емкости) с верхним и нижним патрубками, причем нижняя часть внутреннего объема модуля заполнена кипящим водным раствором сырьевого материала (в дальнейшем - просто раствором), а верхняя часть модуля не заполнена раствором, там образуется объем, заполненный парогазовой смесью и который соединен верхним патрубком с паровым контуром циркуляции.

Раствор нагревается до температуры кипения внутренним энерговыделением, вызванным нейтронным излучением из плазмы, и энерговыделением при трансмутации изотопов. Температура кипения раствора регулируется поддержанием соответствующего давления в парогазовом объеме.

Часть растворителя (воды) из раствора испаряется, отводится через верхний патрубок и проходит последовательно установленные паровую турбину и конденсатор водяного пара, а конденсат затем возвращается в модуль через нижний патрубок, так что общая масса раствора в модуле поддерживается постоянной. Параллельно конденсатору установлен предохранительный клапан, соединенный с аварийным конденсатором.

Тепло, выделяющееся в растворе, преобразуется в электроэнергию в турбине. В качестве турбины можно использовать паровую турбину МК-6-1 производства Ленинградского металлического завода (С.М. Лосев. Паровые турбины и конденсационные устройства. Теория, конструкции и эксплуатация. Издание десятое, переработанное, М.-Л., Издательство «Энергия», 1965, с. 134-135). Мощность турбины - 6 МВт при 3000 об/мин. Турбина рассчитана на начальные параметры пара - давление 1,2 ата (0,12 МПа) и температура 110°С. Допустимо работать также паром при давлении 1,5 ата и при температуре до 150°С в течение не более двух часов.

Для расчета основных параметров - температур, давления и пр., которые зависят от конструктивного выполнения и параметров конкретного бланкета, возможно использовать методики расчета для выпарных аппаратов (Ред. И.И. Чернобыльский. "Машины и аппараты химических производств", М., Машиностроение, 1975).

Непрерывная перегрузка осуществляется путем байпасного отбора части раствора для выделения из него целевых изотопов или продуктов трансмутации радиоактивных отходов (в частности, минорных актинидов). Одновременно происходит подпитка модуля свежим раствором, так что общая масса раствора в модуле и его химический состав поддерживаются постоянными.

Раствор имеет сравнительно низкую температуру (около 110°С) и низкое давление (около 0,12 МПа), что упрощает конструкцию модуля.

Сущность предлагаемого изобретения (при использовании бланкета в ТЯР) поясняется фигурами.

Принципиальная схема бланкета показана на Фиг. 1. Цифрами обозначены:

1 - плазма в разрядной камере; 2 - первая стенка; 3 - модули бланкета;

4 - отвод пара в турбину и конденсатор; 5 - наружный корпус бланкета;

6 - катушка магнитной системы; 7 - возврат конденсата в модуль.

Схема поперечного сечения бланкета показана на Фиг. 2. Цифрами обозначены:

1 - плазма в разрядной камере; 2 - первая стенка; 3 - модули бланкета; 9 - железоводная нейтронная защита.

Схема конструкции модуля бланкета показана на Фиг. 3. Цифрами обозначены: 1 - плазма в разрядной камере (источник нейтронов); 3 - модуль бланкета; 4 - отвод пара в турбину; 7 - возврат воды (конденсата) из конденсатора; 8 - кипящий раствор в модуле; 10 - отбор раствора в систему извлечения целевых изотопов; 11 - возврат раствора из системы извлечения целевых изотопов; 12 - устройство для рекомбинации продуктов радиолиза воды; 13 - турбина; 14 - конденсатор; 15 - предохранительный клапан; 16 - аварийный конденсатор; 17 - сбросная емкость.

Принцип работы бланкета следующий.

Раствор 8 в модуле 3 нагревается нейтронами из плазмы 1 до температуры кипения; так же под действием нейтронов происходит трансмутация элементов в растворе. Часть растворителя (воды) испаряется и пар поступает в турбину 13, а затем в конденсатор 14, где конденсируется и возвращается в модуль 3. Продукты радиолиза воды поступают в устройство для их рекомбинации 12, откуда вода - продукт рекомбинации - стекает обратно в модуль 3. Из модуля 3 часть раствора 10 отводится в систему извлечения целевых изотопов. После этого раствор 11 возвращается в модуль 3. В случае повышения давления пара до значения выше допустимого срабатывает предохранительный клапан 15 и пар сбрасывается в аварийный конденсатор 16. При повышении температуры раствора или при выпадении осадка, содержащего делящиеся изотопы, в модуле плавится пробка в его нижней части и раствор через сливной трубопровод поступает в сбросную емкость 17.

Предлагаемая конструкция, в зависимости от предъявляемых к бланкету требований, может иметь различные варианты конкретного выполнения.

В качестве конструкционного материала можно использовать циркониевые или алюминиевые сплавы, хорошо освоенные в ядерной энергетике.

Для приготовления раствора УС можно использовать обедненный, природный и обогащенный уран.

Раствор может быть уран-, торий-, литийсодержащим или содержать минорные актиниды (растворы с актинидами получаются при переработке облученного ядерного топлива на радиохимических заводах (Б.В. Громов и др. "Химическая технология облученного ядерного топлива", М., Энергоатомиздат, 1983).

В качестве раствора могут быть использованы следующие жидкости:

- водный раствор УС для наработки Pu²³⁹ из U²³⁸;

- водный раствор тория-сульфата ThO₂SO₄ для наработки U²³³ из Th²³²;

- водные растворы гидроксида лития LiOH, нитрида лития LiNO₃, хлорида лития LiCl, сульфата лития Li₂SO₄ для наработки трития;

- раствор, содержащий минорные актиниды.

Модуль бланкета может иметь не только цилиндрическую, но и иную форму. При подборе соответствующей формы возможна установка одного модуля в одной секции бланкета. В этом случае достигается максимальное отношение объема сырьевого материала к объему конструкций бланкета, т.к. общий объем конструкционных материалов (металла) сравнительно невелик, а другие конструкционные материалы (например, отличный от раствора теплоноситель) и пустоты отсутствуют.

При возникновении аварийной ситуации с потерей отвода тепла от раствора и при продолжении его кипения начнется рост давления пара в модуле. Далее возможны несколько вариантов развития событий.

- Повышенное давление пара в модуле вызовет срабатывание предохранительного клапана 15, и пар будет сбрасываться в аварийный конденсатор 16 - аварийная ситуация будет локализована. Аварийный конденсатор обязательно будет присутствовать в ТЯР для локализации аварий, связанных с истечением теплоносителя из первой стенки и дивертора.

- Предохранительный клапан 15 не сработает, и рост давления в модуле продолжится. Это вызовет повышение температуры кипения раствора, и температура раствора будет повышаться. В случае возникновения рассматриваемой аварийной ситуации материал пробки, закрывающий сливной трубопровод, расплавится. Образовавшийся расплав и раствор из модуля стекут в сбросную емкость 17.

- Система безопасности сработает также в случае роста температуры раствора, вызванного повышением концентрации в нем радиоактивных изотопов (например, из-за отказа устройства для извлечения из раствора целевых изотопов и радиоактивных отходов) и соответствующего увеличения тепловыделения.

- Также при применении растворов, содержащих уран, возможно выпадение из раствора осадка - пероксида урана. Благодаря предложенной конструкции модуля осадок в нем будет скапливаться в его нижней, конической части, непосредственно на пробке. Тепловыделение в содержащихся в осадке делящихся элементах и продуктах распада приведет к росту температуры осадка. Пробка расплавится, и раствор из модуля стечет в сбросную емкость. Это гарантирует невозможность образования критической массы в осадке.

Предлагаемая конструкция бланкета будет иметь следующие преимущества:

- простота конструкции, загрузки и выгрузки сырьевого материала;

- низкое давление (около 0,1 МПа) и низкая температура (около 100°С) в модуле;

- пожаробезопасность;

- невозможность накопления большого количества гремучей смеси, которую обеспечивает устройство для рекомбинации продуктов радиолиза воды;

- возможность непрерывной корректировки элементного состава раствора, что, в свою очередь, позволит исключить остановки на перегрузку бланкета и организовать непрерывное выделение из него целевых изотопов или продуктов трансмутации;

- отсутствие необходимости циркуляции больших масс раствора и соответствующее отсутствие больших трубопроводов, проходящих через криостат, защиту и т.п.;

- возможность быстро сменить тип раствора;

- благодаря высокой теплопроводности раствора невозможно образование зон с повышенным тепловыделением;

- достигается максимальное отношение объема сырьевого материала к объему конструкций бланкета, т.к. общий объем конструкционных материалов (металла) сравнительно невелик, а другие конструкционные материалы (например, отличный от сырьевого материала теплоноситель) отсутствуют;

- низкие температуры упрощают конструкцию и уменьшают тепловые нагрузки на сверхпроводящие элементы;

- внутренне присущее свойство саморегулирования. При увеличении тепловой нагрузки на бланкет увеличивается количество испаренного растворителя, а температура и масса раствора остаются неизменными.

Дополнительным преимуществом является возможность применения простой и надежной пассивной системы безопасности с плавящейся пробкой.

Пример расчета

Расчет возможности охлаждения бланкета с водным раствором УС с помощью испарения части растворителя (воды) выполнен для конструкции, представленной на Фиг. 1-3 и характеризующейся параметрами, приведенными в Таблице 1.

При исследовании бланкета с водным раствором УС (см., Кутеев Б.В. и др. "Нейтронно-физические исследования термоядерного источника нейтронов для получения максимального потока тепловых нейтронов". Вопросы атомной науки и техники, серия "Термоядерный синтез", 2013, вып. 1, стр. 64) было определено q_v - удельное объемное тепловыделение в нем в зависимости от нейтронной нагрузки и расстояния от первой стенки. При нейтронной нагрузке на первую стенку 0,2 МВт/м², характерной для ТИН, q_v~0,2-1 МВт/м³. Объемное тепловыделение будет также в металлоконструкциях модуля, и для них примем q_{v Me}~1-3 МВт/м³.

Тепловая мощность модуля определяется как

Теплота парообразования воды при 100°С r=2,26⋅10⁶ Дж/кг. Массу воды, которую необходимо испарять в единицу времени Δt для поддержания постоянной температуры модуля, можно оценить по формуле

Массу воды, которую необходимо испарять за секунду, обозначим M_исп1.

Исследование фазовой диаграммы системы уранил-сульфат (УС) - вода показало возможность использовать раствор в широком диапазоне концентраций УС и температур раствора. Возможно применение раствора при концентрации УС от 0 до 10 моль/(кг воды) и при его температуре от 0 до 300°С (Петунии Б.В. "Теплоэнергетика ядерных установок". М., Атомиздат, 1960). Здесь же приведены теплофизические свойства раствора.

Расчеты выполнены для раствора с составом 0,611 (кг УС)/(кг воды), т.е. на 1,611 кг раствора приходится 0,611 кг УС. Масса УС в 1 кг раствора

М_1УС=0,611/1,611=0,379 кг/кг.

Массовая концентрация УС К_УС=37,9% или 1,03 (моль УС)/(кг раствора).

При атомном весе урана A_U=238 и молекулярном весе УС- МОЛ_УС=366 в 1 кг раствора будет содержаться уран в количестве

M_1U=(A_U/МОЛ_УС)⋅М_1УС=0,246 кг/кг.

Таким образом, массовая концентрация урана в растворе K_U=24,6%.

Масса воды 1 кг раствора M_1B=1-M_1УС=0,621 кг, и ее массовая концентрация в растворе К_воды=62,1%.

Следует отметить, что температура кипения раствора будет выше температуры кипения растворителя (воды) на величину, называемую температурной депрессией. Для ее определения необходимо экспериментальное исследование свойств раствора. Известно, что величина температурной депрессии больше при растворении веществ с малым молекулярным весом и при высокой концентрации растворенного вещества. В нашем случае М_УС=366 сравнительно велик, а его массовая концентрация сравнительно невелика (около 1 моль на кг раствора). В этом случае можно считать, что температура кипения раствора близка к температуре кипения растворителя, т.е. близка к 100°С.

Плотность раствора УС в воде

где r_воды - плотность воды при давлении насыщенного пара при рабочей температуре, кг/м³.

Плотность раствора при температуре его кипения 100°С по (3)

r_раст=1423 кг/м³, масса раствора в модуле М_раст=V_внут⋅r_раст=228 кг.

Масса воды в модуле М_воды=М_раст⋅К_воды=141 кг.

В таблице 2 «Тепловые характеристики модуля бланкета при различных величинах удельного тепловыделения в материалах» приведены расчеты тепловых характеристик модуля при различных значениях q_v и q_{v Me}, которые охватывают весь возможный диапазон их значений.

Данные таблицы 2 показывают, что при любой возможной тепловой мощности модуля бланкета для его охлаждения ежесекундно необходимо испарять не более 8,8⋅10^-4 от массы воды в нем, что вполне допустимо.

Предлагаемая конструкция бланкета будет иметь следующие преимущества:

- простота конструкции, загрузки и выгрузки сырьевого материала;

- низкое давление (около 0,1 МПа) и низкая температура (около 100°С) в модуле;

- пожаробезопасность;

- невозможность накопления большого количества гремучей смеси, которую обеспечивает устройство для рекомбинации продуктов радиолиза воды;

- возможность непрерывной корректировки элементного состава раствора, что, в свою очередь, позволит исключить остановки на перегрузку бланкета и организовать непрерывное выделение из него целевых изотопов или продуктов трансмутации;

- отсутствие необходимости циркуляции больших масс раствора и соответствующее отсутствие больших трубопроводов, проходящих через криостат, защиту и т.п.;

- возможность быстро сменить тип раствора;

- благодаря высокой теплопроводности раствора невозможно образование зон с повышенным тепловыделением;

- достигается максимальное отношение объема сырьевого материала к объему конструкций бланкета, т.к. общий объем конструкционных материалов (металла) сравнительно невелик, а другие конструкционные материалы (например, отличный от сырьевого материала теплоноситель) отсутствуют;

- низкие температуры упрощают конструкцию и уменьшают тепловые нагрузки на сверхпроводящие элементы;

- внутренне присущее свойство саморегулирования. При увеличении тепловой нагрузки на бланкет увеличивается количество испаренного растворителя, а температура и масса раствора остаются неизменными.

Дополнительным преимуществом является возможность применения простой и надежной пассивной системы безопасности с плавящейся пробкой.

Конструкция сбросной емкости должна исключать возможность образования в ней критической массы.

Расчеты показывают принципиальную возможность создания бланкета подобной конструкции.