PowerPoint 454kB - Институт ядерных исследований РАН

Предложение по ADS - установке
на основе линейного ускорителя
Московской мезонной фабрики для
международных
демонстрационных экспериментов
по ядерной трансмутации
минорных актинидов и
долгоживущих продуктов деления
Э.А.Коптелов1, Л.В.Кравчук1, С.Марков2,
В.А.Матвеев1, П.Павлопулос3, Л.И.Пономарев4,
С.Ф.Сидоркин1
Основание для предложения
• невысокая стоимость проекта в
сравнении с альтернативными
предложениями
• возможность использовать
инфраструктуру и действующий
ускоритель ИЯИ РАН, достигнутые
параметры пучка которого позволят
генерировать тепловую мощность до 5
МВт в режиме глубокой подкритичности
(Keff = 0.95)
Основные характеристики установки
Линейный ускоритель: cредний ток – 0.180.3
mA с энергией протонов – 500600 МэВ
Мишень: W (U) с водяным охлаждением
Бланкет: на основе обогащенного уран (Np, Am)
мощностью до 5 МВт,
теплоноситель - H2O, PbBi
Спектр нейтронов: быстро-резонансный
Срок реализации проекта: ~ 5 лет
Стоимость: ~ 30 мил. $ USA
ЛУ и экспериментальный комплекс
1- linac,
2 – experimental hall,
3 – storage ring,
4 – beam stop,
5 – complex of
neutron
sources,
6 – second (free)
box,
7 – box of pulse
neutron
source,
8 – lead slowingdown
spectrometer
1
2
~ 700 m
4
5
6
3
7
8
линейный ускоритель
• Проектные параметры ускорителя – энергия протонов 600
МэВ, средний ток 500 μА,
• Максимально достигнутые параметры – энергия 502 МэВ при
малой интенсивности и
209 МэВ при токе ~ 150 -180 μА.
• Ограничение по энергии 209 МэВ в настоящее время
обусловлено имеющимся в наличии количеством клистронов.
Учитывая достигнутый уровень энергии ~ 502 МэВ, а также
регулярную работу в прошлом при энергии 423 и 364 МэВ,
можно утверждать, что серьезных технических препятствий
для получения энергии протонов 500-600 МэВ при токе 150200 μА не существует.
Экспериментальный комплекс
Состав
• Комплекс интенсивных источников нейтронов с
радиационной защитой,
• Ловушка пучка,
• Спектрометр по времени замедления в свинце,
• Система разводки пучка
Каждая из этих установок может быть задействована
в комплексной программе исследований по ADS и
быстрым реакторам.
Инфраструктура экспериментального
и нейтронных комплексов
Системы охлаждения магнитных элементов протонных каналов и
вторичных пучков заряженных частиц, системами охлаждения
вакуумного оборудования и источников питания магнитов и линз.
Системы охлаждения первого и второго контуров нейтронного
источника тепловой защиты и ловушки пучка с максимальным
расходом воды ~ 270 м3/час,
Система водоподготовки,
Система спецвентиляции и система дозиметрического контроля
прокачиваемого воздуха,
Системой сбора и хранения радиоактивной воды,
Системой питания линз и магнитов,
Двумя обычными мостовыми кранами грузподемностью до 32 т.
Схема комплекса нейтронных источников
10
2
9
11
12
1
8
3
4
7
2m
6
5
Фотография нейтронного комплекса
Placement (room) above shield with
removable housetop (reinforced concrete
plates)
~
2
m
H = 4.85 m
D = 2.340 m
H = 3.31 m
D = 1.638 m
H = 2.4 m
H = 1.9 m
H ~ 1.5 m
Beam level
D = 1.6 m
H = 0.385 m
H=0
Схема
второго
свободного
бокса для
ADS
Average power of research ADS depend upon proton current – IP,
multiplication coefficient - Km, proton energy – EP and type of target.
Average power of blanket – P (MW) for
proton energy 500 / 600 MeV
Average
Proton
Current
(μА)
Multiplication
coefficient
Km
W or PbBi
target
100
10
150
UMo target with natural
uranium
Cylindrical
fuel elements
Plate fuel
elements
1.0 / 1.2
1.4 / 1.7
1.7 / 2.0
20
2.0 / 2.4
2.8 / 3.4
3.4 / 4.1
200
10
1.5 / 1.8
2.1 / 2.6
2.6 / 3.1
250
20
3.0 / 3.6
4.2 / 5.2
5.1 / 6.1
300
10
2.0 / 2.4
2.8 / 3.4
3.4 / 4.1
Концептуальная схема установки
2
1
3
Dmax ≤ 320 mm
Beam
175 mm
D1500 mm
7
5
4
Модульное построение установки
Создать и предварительно испытать модули в других организациях, имеющих
опыт работы с соответствующими технологиями. Например, Pb-Bi мишень и Pb-Bi
вставки с ТВС – ФЭИ, ОКБ «Гидропресс», ТВС – ВНИИНМ, НИИАР, и др.
Произвести в ИЯИ только сборку и настройку ADS стенда из готовых модулей.
Разогрев и перевод PbBi модулей в жидкую фазу, вывод установки на мощность и
проведения соответствующих измерений.
После окончания эксперимента с конкретной конфигурацией, перевести PbBi
модули в твердую фазу и разобрать ансамбль из сравнительно небольших по
объему модулей с применением существующих контейнеров, с последующим их
возвратом в организации, имеющие инфраструктуру для исследований,
переработки и утилизации радиоактивных объектов.
Увеличить уровень безопасности всей установки за счет создания дополнительных
барьеров (модули могут иметь второй защитный чехол, а в случае инцидента
масштаб аварии уменьшается в соответствии с количеством модулей).
Упростить ремонт и поддержание установки в рабочем состоянии за счет замены вышедших
из строя модулей.
Мишени
В рассматриваемой схеме установки планируется использовать:
Вольфрамовую мишень, собранную из пластин.
Мишень на основе цилиндрических твэлов с уран-молибденовым сплавом
в случае, если необходимо будет увеличить выход нейтронов и мощность
установки.
Для урановой мишени нейтронов будет в 1.4 раза выше в сравнении с
вольфрамовой мишенью. Подобные твэлы используются в бридерных
зонах промышленных быстрых реакторах БН-350, БН-600, т.е. возможно
использование существующих технологий.
Выход нейтронов из PbBi мишени соответствует W – мишени. Поэтому
использование PbBi – мишени можно рассматривать только в качестве
прототипа промышленной ADS.
Мишень, выполненная в виде единого модуля охлаждаемого водой,
должна иметь форму плоского параллелепипеда толщиной ~ 5-7 см, так,
чтобы почти все нейтроны, родившиеся в мишени могли достигнуть
бланкета. Оптимальная толщина урановой мишени составляет ~ 9 см. При
этом размер мишенного модуля вдоль направления распространения пучка
не должен превышать 320 мм (размер хранилища).
Схема капсулы с PbBi и топливом
5
6
4
7
3
2
8
D  320 mm
1
a
b
c
Возможная схема перегрузки
2
2
6
1
5
3
4
a
b
Расчетный спектр нейтронов
Neutron Spectrum Ô(E)/(Emax-Emin)
0.2
Neutron Spectrum Ô(E)/(Emax-Emin)
0.18
0.16
0.14
0.12
Ôdif(Å)-U
Ôdif(Å)-Pu
Ôdif(Å)-Pu-c
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
1.0E+00
1.0E+01
1.0E+02
1.0E+03
1.0E+04
E, eV
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ БЛАНКЕТА
Низкое содержание 238U в топливе и жесткий спектр, приводят к тому, что в такой решетке
твэл будет снижено образование трансплутониевых элементов (младших актинидов).
В районах Pb-Bi вставок спектр нейтронов может изменяться. Например, его можно сделать
более жестким за счет отсутствия воды внутри Pb-Bi вставки или наоборот, более мягким за
счет изменения толщины слоя воды вокруг вставки. Или создать полностью тепловой спектр с
помощью тепловой ловушки, в центре которой можно было бы поместить кассету с
долгоживущими осколками деления и тем самым реализовать вторую часть задачи ядерной
трансмутации.
Ужесточение спектра может быть компенсировано:
за счет использования в Pb-Bi вставке топливной кассеты с большим количеством твэлов
(чем в основном водоохлаждаемом бланкете), что увеличивает объемную долю топлива,
за счет использования топлива более высокой плотности (UN, UZr), и более высокого
обогащения, совместимых с PbBi. Например, уран 36% обогащения в водоохлаждаемой
части бланкета и 90% в PbBi ставках.
Может быть реализована противоположная ситуация - основное тепловыделение будет
осуществляться в Pb-Bi вставках, в то время как водоохлаждаемый бланкет будет
осуществлять роль подпитки и поддержки заданного уровня умножения, и в котором
поддерживается сравнительно низкий уровень тепловыделения.
Плотность тепловыделения в PBBi вставках должна поддерживаться на уровне не меньше ~
100 кВт/л.
Возможный прототип твэла
•
В качестве вероятного прототипа основных тепловыделяющих элементов
предполагается использовать твэл быстрого импульсного реактора периодического
действия ИБР-2 (ОИЯИ – Дубна), хорошо зарекомендовавший себя при длительной
работе в импульсном режиме в жидкометаллическом теплоносителе (Na) при 450 –
500˚С.
•
Твэл содержит топливные таблетки в виде PuO2 в стальной нержавеющей оболочке,
имеет специальные приспособления, предотвращающее зависание топливных
таблеток в процессе теплового удара, может работать как вводной среде, так и в
свинцово-висмутовом теплоносителе при температурах ≤ 400 ˚С.
•
Эти обстоятельства существенны в условиях импульсного тепловыделения в
бланкете, обусловленного импульсным режимом работы ускорителя и нерегулярными
спонтанными прерываниями среднего тока протонов.
•
Ожидаемые удельные тепловые нагрузки на твэлы в PbBi вставках (~ 100 КВт/л)
исследовательского ADS стенда соответствуют средним нагрузкам на твэл в реакторе
ИБР-2 (проектная нагрузка ~ 200 КВт/л, рабочая ~ 100 КВт/л), что существенно при
обосновании проекта и лицензировании установки.
Безопасность
При перегрузке топливных кассет основного водоохлаждаемого бланкета или
смене Pb-Bi вставок на их месте образуется водяная полость, создающая
источник тепловых и промежуточных нейтронов. Для избежания
положительного эффекта реактивности при замене топливной кассеты или PbBi вставки на воду, в водоохлаждаемой части бланкета предполагается
использовать сплавы на основе гафния для изготовления обечайек ТВС.
Эффект естественной безопасности: при уменьшение объемной доли воды,
в результате кипения или частичной потери теплоносителя, спектр нейтронов
становиться более жестким, что приводит к большому отрицательному
эффекту реактивности.
Увеличение объемной доли воды и образование водяной полости делает
спектр более мягким , что обеспечивает преимущественный захват нейтронов
на Hf-стенке кассеты.
Расчеты подтвердили ожидаемые эффекты
Т.е. в предлагаемой схеме бланкета присутствует эффект естественной
безопасности, а следовательно, возможна переборка облученных ТВС и
PbBi капсул под слоем воды и сборка других конфигураций бланкета
ADS.
Технические аспекты безопасной работы
В рассмотренной схеме ADS стенда отсутствуют технических решения и
устройства, требующие длительных стендовых испытаний. Все элементы могут
быть отлажены в процессе изготовления и пуско-наладочных работ, включая PbBi
модули, которые предполагается предварительно тестировать в ФЭИ.
Тепловыделяющие элементы с минорными актинидами и низким испытательным
ресурсом будут находиться внутри PbBi капсулы, которая создает три
дополнительных барьера для распространения делящихся материалов и осколков
деления - PbBi массив и две оболочки из нержавеющей стали.
В случае разрушения одной из оболочек модуля, обтекающий поток воды создает
условия для локального замораживания PbBi эвтектики и локализации протечки.
Манипуляции с твэлами, в состав которых входят макро количества минорных
актинидов, предусматриваются проводить в горячих камерах ФЭИ, НИИАР или на
предприятиях топливного цикла.
При разрушении твэлов и невозможности их извлечения из PbBi капсулы, она
может быть целиком отправлена на длительное хранение и утилизацию.
В водоохлаждаемой части бланкета предусматривается использование окисных твэлов с
низкой удельной нагрузкой не содержащих МА. Температура оболочки ниже 100 ˚С при
скорости теплоносителя менее 4 м/с. Здесь возможно, в случае необходимости,
использование и испытание оболочек из Hf – сплава.
Цели и задачи проекта
Создание исследовательского перестраиваемого ADS стенда,
способного обеспечить международный коллектив исследователей
долговременной экспериментальной базой, на которой возможна
сборка и изучение практически любых конфигураций подкритических
бланкетов и мишеней;
Пережигание макро количества минорных актинидов;
Экспериментальное исследование твэлов с различными топливными
композициями и содержанием младших актинидов и ТВС быстрых
реакторов в PbBi среде прежде всего на переходных и аварийных
режимах используя импульсный режим работы ускорителя.
Использование предложенной
источника нейтронов
установки
в
качестве
второго