proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2024 год
  Агентство  ПРоАтом. 27 лет с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





PRo IT
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС

Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия»
и сайта proatom.ru.
E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[31/01/2023]     Реактор с барометрическим контуром охлаждения. Окончание


Виталий Узиков, инженер   

На более детальных Рисунках 10 и 11 показаны узлы для сброса охлажденного теплоносителя из теплообменника в приемную емкость, а также узлы сдувки неконденсируемых газов из теплообменников.



 Рисунок 10 – Схема движения потоков через воздушные теплообменники
 
Для устойчивой работы контура естественной циркуляции необходимо обеспечить равенство между движущим напором (который определяется главным образом, высотой участка канала вскипания) и полным гидравлическим сопротивлением конура естественной циркуляции (определяемом, в основном, потерями напора на активной зоне). При большом диаметре циркуляционных трубопроводов (~300 мм), малой скорости циркуляции в них (~0,25 м/с) и отсутствии арматуры гидравлические потери в них очень малы (несколько десятков Паскаль), а с учетом того, что при больших проходных сечениях теплообменников они также не дают существенного вклада в гидравлическое сопротивление контура естественной циркуляции, для компенсации избытка движущего напора в качестве дополнительного гидравлического сопротивления используется изогнутая трубка с сужением на сливе из выходного коллектора в приемную емкость, выполняющая одновременно роль гидрозатвора и местного гидравлического сопротивления, прохождение струи через которое обеспечивает дополнительную потерю напора и выравнивание движущего напора и суммарного гидравлического сопротивления контура естественной циркуляции.
 

Рисунок 11 – Схема сброса охлажденного теплоносителя и сдувки неконденсируемых газов из воздушного теплообменника в приемную емкость

При этом повышение давления в выходном коллекторе теплообменника проводит к тому, что уровень воды в трубке, предназначенной для отвода газа, увеличивается. Так как эта трубка находится в верхней точке теплообменника, в случае накопления в теплообменнике неконденсируемых газов они скапливаются в области этой трубки и периодически поступают в приемную емкость. Особенно важна роль трубки для отвода газа в пусковом режиме, когда пароводяная смесь уже частично заполнила теплообменник, гидрозатвор перекрыт для прохода газа заполнившим его конденсатом. В этом случае газоотводящая трубка становится единственным каналом для вывода неконденсируемых газов и обеспечения нормальной работы теплообменника.


6. Переходный режим выхода реактора на номинальную мощность

Одной из основных проблем функционирования реакторной установки с барометрическим контуром является переходный режим вывода реактора на номинальную мощность. В отличие от обычных бассейновых  реакторов с естественной циркуляцией, где было достаточно включить контур охлаждения воды в бассейне и выходить на номинальный уровень мощности, или в отличие от реакторов с принудительной циркуляцией через активную зону, где было достаточно включить циркуляционный насос первого контура, в системе теплоотвода барометрического реактора отсутствуют циркуляционные насосы. Поэтому, чтобы запустить естественную циркуляцию, необходимо пройти через два этапа.

На первом этапе производится вывод реактора на мощность 100…200 кВт для прогрева бассейна реактора до 60…65°C через механизм обычной естественной циркуляции.

На втором этапе, после того как теплоноситель в подзонном пространстве будет прогрет до ~60°C, в нисходящий трубопровод подается вода с температурой ~35..40°C и одновременно включается вакуумирование верхнего участка контура циркуляции с теплообменником.

При этом циркуляционные трубопроводы будут заполняться водой из бассейна, вследствие чего уровень в нем будет незначительно снижаться. При заполнении циркуляционных трубопроводов подпитка опускного трубопровода относительно холодной водой прекращается. При подъеме прогретой воды из бассейна в подъемном трубопроводе на уровень ~7 метров над поверхностью воды в бассейне давление в верхней части трубопровода понизится до давления, соответствующего температуре насыщения ~60°C, из-за чего в теплоносителе начнется объемное кипение. При подъеме теплоносителя с меньшей температурой (~40°C) в опускном участке трубопровода теплоноситель в нем не закипит, так как эта температура ниже температуры насыщения при созданном вакууме.

При достижении разряжения в теплообменнике ~8,5 кПа (что соответствует температуре насыщения 42,7°C) пароводяная смесь попадает в воздушный теплообменник, в котором пар интенсивно конденсируется, а конденсат охлаждается до температуры ~ 40..41°C и через гидрозатвор сливается в приемную камеру, соединенную с вакуумной системой. При заполнении приемной камеры охлажденным теплоносителем уровень в ней повышается, и излишек охлажденного теплоносителя автоматически сливается обратно в бассейн реактора. Для того чтобы снизить колебания расхода теплоносителя в подъемном и опускном участках трубопроводов (Dy~300мм) контура циркуляции на них имеются протяженные горизонтальные участки, увеличивающие массу теплоносителя и повышающие инерционность потока теплоносителя. Кроме того, протяженность подъёмного участка трубопровода и длительность транспортировки обеспечивает функцию гасителя кислородной активности из-за увеличения времени доставки нагретого теплоносителя к воздушному теплообменнику, поэтому радиационный фон возле теплообменников значительно снижается.


7. Повышение теплотехнической надежности реакторной установки

Заложенные в концепции барометрического бассейнового реактора принципы функционирования системы теплоотвода позволяют не рассматривать большинство рекомендуемых нормативными документами исходных событий, связанных с отказами теплотехнического оборудования ввиду их отсутствия. Не считая системы управления и защиты (СУЗ), регулирование режимом теплоотвода осуществляется изменением расхода атмосферного воздуха, проходящего через воздушный теплообменник при помощи электрифицированных воздушных клапанов, а также изменением разряжения в теплообменнике и в приемной емкости.

Оптимизация системы теплоотвода исследовательского бассейнового реактора за счет предельного упрощения конструкции контуров охлаждения в сочетании с присущей внутренней безопасностью из-за отсутствия давления в системах, отрицательных эффектов реактивности, невозможности осушения активной зоны, зашиты от излучения большим слоем воды, предельного сокращения возможных исходных событий, влияющих на опасное снижение теплоотвода от активной зоны, отсутствие необходимости в защитной оболочке реакторной установки, низкое обогащение (менее 20% по U-235) и относительно небольшое количество топлива в активной зоне – обеспечивают высокий уровень безопасности при низкой стоимости реакторной установки. При этом простота и компактность установки, а также низкий уровень радиационных выбросов из-за особой схемы циркуляции теплоносителя позволяют быстро монтировать, а при необходимости быстро демонтировать. При этом основным источником радиационного загрязнения будет не сама реакторная установка, а материалы, связанные с облучением в ней.

В случае нарушения условий нормальной эксплуатации автоматически срабатывает аварийная защита, и после ввода поглощающих рабочих органов остаточное тепловыделение отводится естественной циркуляцией теплоносителя непосредственно в бассейн при резком снижении температуры на твэлах. При этом подъемное движение теплоносителя в активной зоне становится менее интенсивным, но не прекращается.

Рассматриваемая система теплоотвода достаточно универсальна и может быть применена к различным конфигурациям активной зоны с разными типами и количеством ТВС, однако предпочтительно, чтобы это была компактная активная зона, над которой расположена короткая  вертикальная труба с боковым отводом, а облучательные объемы  размещаются в основном в отражателе нейтронов, который может быть выполнен, например, из бериллия, облицованного графита или в виде бака с тяжелой водой. Максимальный поток нейтронов может быть обеспечен в центральной нейтронной ловушке, находящейся в центре активной зоны. В ней, например, можно будет получать осколочный Мо-99 (генератор технеция), и если реакторная установка будет построена вблизи крупного медицинского центра, производство изотопов (особенно короткоживущих) будет наиболее рентабельно.

Концепция рассматриваемой реакторной установки предполагает, что основные капитальные затраты лягут не на установку, а на технологическое и экспериментальное оборудование, обеспечивающее выполнение поставленных задач, которые могут носить самый разнообразный характер (ядерная физика, физика твёрдого тела, радиационное материаловедение, нейтронно-активационный анализ вещества, нейтронная радиография различных изделий, радиационное легирование кремния, производство изотопов для медицинских промышленных целей и т.д.).


8. Расчетные оценки реакторной установки с барометрическим контуром

Для проведения расчетного анализа выбран дизайн исследовательского реактора бассейнового типа с барометрическим контуром охлаждения, использующий в качестве теплоносителя и замедлителя деминерализованную «легкую» воду, а в качестве отражателя – металлический бериллий (Рисунок 12). Эта активная зона выбрана в качестве примера и набрана из 72 ТВС типа ВВР-М2 (Рисунок 13), в центре активной зоны расположена нейтронная ловушка с максимальной плотностью потока нейтронов. В активной зоне расположены также рабочие органы системы управления и защиты: компенсации реактивности, автоматического регулирования и аварийной защиты. В бериллиевом отражателе располагаются вертикальные каналы для облучения.  

Рисунок 12 – Рассматриваемая при анализе картограмма активной зоны реактора с бериллиевым отражателем реактора

Следует особо подчеркнуть, что активная зона и отражатель могут иметь любую требуемую для заказчика конфигурацию, исходя из поставленных задач для такого источника нейтронов, а также из наличия выбранного типа ТВС и материалов отражателя. Представленный анализ касается прежде всего не нейтронно-физических характеристик, а возможности реализации барометрической схемы контура охлаждения в бассейновом реакторе.

Рисунок 13 – Внешний вид ТВС типа ВВР-М2

Примерная гидравлическая характеристика активной зоны из 72 ТВС ВВР-М2 приведена на Рисунке 14.

Рисунок 14 – Гидравлическая характеристика активной зоны с 72 ТВС

Основные технические параметры рассматриваемой реакторной установки приведены в Таблице 1. 

Таблица 1 – Основные технические характеристики реакторной установки

Наименование

Характеристика

Тепловая мощность, кВт

200

1500

3000

Удельная энергонапряженность, кВт/л

5,22

39,15

78,3

Высота активной зоны, мм

600

Тип ТВС

ВВР-М2

Циркуляция теплоносителя через активную зону

естественная

Теплоноситель

H2O

Отражатель

Be

Массовая доля изотопа уран-235, %

19,7

Загрузка урана 235 в активной зоне, кг, не более

3,75

Максимальная глубина выгорания выгружаемого топлива в твэле, МВт сут/кг урана

40

Активная зона

перестраиваемая

Количество ТВС в активной зоне, шт.

72 ÷ 75

Количество РО СУЗ в активной зоне:

 

РО АЗ, шт.

2

РО КР, шт.

6

РО АР, шт.

1

Материал поглотителя РО АЗ и РО КР

В4С

Материал поглотителя РО АР

Сталь

Максимальная невозмущенная плотность потока нейтронов в активной зоне (тепловых, Е<0,625 эВ) не менее,  см-2с-1

8,0×1012

6,0×1013

1,2×1014

Центральная ловушка, шт.

1

Анализируемая реакторная установка мощностью до 3000 кВт имеет полностью пассивную двухконтурную систему теплоотвода, конечным поглотителем тепла для которой является атмосферный воздух. Направление циркуляции теплоносителя через активную зону – подъемное, использование «дымохода» с боковым отводом.

Для охлаждения теплоносителя и передачи тепла конечному поглотителю применены 4 воздушных теплообменника 5,0×5,0×0,22 м, описанных выше. Расчетные исследования эффективности таких теплообменников проводились с использованием SolidWorks/FlowSimulation. Средняя температура нагретого в теплообменнике воздуха определяется отводимой мощностью и расходом воздуха:

Для нормальной работы реакторной установки расход воздуха должен обеспечиваться естественной конвекцией воздуха через вытяжную вентиляционную трубу. Для выбранных параметров вентиляционной системы с 12 прямоугольными проемами 2,3×1,3м с регулируемыми жалюзийными клапанами для подвода атмосферного воздуха, 4-мя теплообменниками 5,0×5,0×0,22м,  трубой высотой 74 м, диаметром проходного сечения 6,3 м в нижней части и диаметром 5,2 м в верхней части, с использованием SolidWorks/FlowSimulation проведены расчетные оценки достижимых расходов воздушного потока при его прогреве.

Для этого при различных значениях температуры атмосферного воздуха и заданной температуры греющих поверхностей теплообменников рассчитывались параметры естественной циркуляции при выбранной геометрии контура воздушной циркуляции.

После обработки расчетных данных достижимых расходов охлаждающего атмосферного воздуха при различных его температурах, для оценки эффективности воздушного охлаждения были построены графики параметров контура охлаждения для мощности реактора 1,0 МВт (Рисунок 15) и 1,5 МВт (Рисунок 16) с указанием требуемого и достижимого  расхода воздуха (на графиках отмечены маркерами в виде кружков), температуры теплоносителя на выходе из бака (бассейна) реактора, а также максимальной температуры на твэлах и температуры насыщения в активной зоне (для оценки запаса до поверхностного кипения).

Рисунок 15 – Оценка эффективности воздушного охлаждения при мощности реактора 1 МВт

Рисунок 16 – Оценка эффективности воздушного охлаждения при мощности реактора 1,5 МВт

Как видно из графиков, выбранные параметры контура воздушного охлаждения с 4 теплообменниками 5,0×5,0×0,22 м обеспечивают отвод тепловой мощности до 1,5 МВт с запасом при температуре окружающего воздуха до 25°С. При более высокой температуре атмосферного воздуха или более высокой мощности реактора для обеспечения отвода тепла потребуется поддерживать либо повышенную температуру в бассейне реактора и, соответственно, на входе в теплообменник, либо придется увеличить поверхность теплопередачи в теплообменниках за счет изменения его размеров. 


9. Нестационарный анализ маневрирования мощности в  реакторной установке с барометрическим контуром охлаждения

Рассматривается  двухконтурная система теплоотвода бассейнового реактора с барометрическим контуром естественной циркуляции и использованием в качестве конечного поглотителя атмосферного воздуха, причем тепло предается воздуху непосредственно через теплообменник первого контура.

Полной отсутствие циркуляционных насосов и запорно-регулирующей арматуры делает такую систему независимой от источников электроснабжения, а, следовательно, очень надежной.  Высокая интенсивность естественной циркуляции в первом контуре по трубопроводам Dy300 позволяет обеспечить в активной зоне турбулентный режим движения теплоносителя, и, соответственно, высокий коэффициент теплоотдачи от твэлов. Поэтому даже при невысокой температуре кипения теплоносителя в активной зоне на глубине 10 м, составляющей 120°С обеспечивается выполнение условия на отсутствие поверхностного кипения на алюминиевых оболочках трубчатых твэлов дисперсионного типа.

Несмотря на то, что реактор бассейновый, дизайн контура охлаждения реактора удобен для моделирования в теплогидравлическом коде улучшенной оценки RELAP5/MOD3.2.  Этот код основан на одномерной, двухжидкостной модели пароводяной смеси. В модели рассматриваются фазы пара и воды. Понятие двухжидкостная модель подразумевает, что для каждой фазы, как для отдельной жидкости, записывается уравнение неразрывности, уравнение сохранения импульса, уравнение сохранения энергии. Каждая фаза имеет собственную скорость и температуру, то есть, в общем случае, пар и жидкость не находятся в механическом и термическом равновесии друг с другом.

Нодализационная схема контура охлаждения реактора приведена на Рисунке 17.

Рисунок 17– Нодализационная схема реакторной установки с барометрическим контуром охлаждения

Каналы активной зоны моделируются 7-ю группами ТВС (Pipe 111…Pipe 117) с тепловыми структурами и различающиеся энерговыделением. Замкнутое пространство в бассейне  под активной зоной представлено компонентой BR-001,  а пространство непосредственно над активной зоной –  компонентой BR-002. Из BR-002 суммарный поток теплоносителя из активной зоны подается в так называемый «дымоход» (Pipe  – 022), представляющий собой открытую сверху  вертикальную трубу с боковым ответвлением на подъемный трубопровод Pipe-160. Остальная часть бассейна включает компоненты Pipe-103 (вода на уровне активной зоны и «дымохода», соединенная отверстием с подзонным пространством BR-001), среднюю по высоте часть бассейна (компонента BR-133), связывающая нижнюю часть бассейна (BR-103), верхнюю часть бассейна (Pipe-134) и верхнюю часть «дымохода» (Pipe-022). Верхняя часть бассейна (Pipe-134) связана с атмосферой (TV-001).

Нагретый в активной зоне теплоноситель по трубопроводу Pipe-160 подается в виде пароводяной смеси (из-за объемного вскипания при низком давлении) в трубное пространство (Pipe-165) горизонтального воздушного теплообменника, расположенного на высоте ~9 метров над уровнем воды в бассейне. Верхняя часть опускного канала теплоносителя (Pipe-190) имеет расширение и представляет собой приемную емкость, в которую сливается охлажденный в теплообменнике теплоноситель. Заданное разряжение в приемной емкости поддерживается через трубопровод Pipe-650 от  вакуумной системы TV-700. По опускному трубопроводу охлажденный теплоноситель попадает в замкнутое подзонное пространство BR-001. Из которого основная часть теплоносителя  направляется в активную зону, а оставшаяся – в нижнюю часть бассейна реактора.

Второй контур, представляющий собой поток охлаждающего воздуха, циркулирующий под воздействием движущего напора естественной конвекции, описывается время-зависимыми компонентами TV-201 и TV-230, а также каналами Pipe-210 и Pipe-220.

Для моделирования рассматриваемых процессов естественной циркуляции с объемным вскипанием теплоносителя из-за понижения давления в верхней части подъемного трубопровода очень важно, что в коде RELAP запрограммированы карты режимов течения двухфазного потока в вертикальных каналах: пузырьковый; снарядный; дисперсно-кольцевой; дисперсный. Это позволяет моделировать динамические процессы при снижении или повышении температуры нагретого теплоносителя.

 Изменение теплогидравлических параметров циркуляции в барометрическом контуре исследовалось по коду RELAP5/MOD3.2 для двух режимов:

-        выход реактора на мощность 3 МВт и долговременная работа на этой мощности;

-        выход реактора на мощность 1 МВт и маневрирование мощности от 1 до 2 МВт в течение ~5,5 часов расчетного времени.

На Рисунках 18.1–18.18 в левой части показаны графики результатов расчетов по первому режиму, а в правой части – по второму режиму.

 

 

Но прежде чем вывести реактор на высокий уровень мощности (Рисунки 18.1, 18.2)  необходимо провести подготовительную работу по прогреву теплоносителя в бассейне до температуры ~60°C, что достигается работой реактора на низком уровне мощности (например, 200 кВт) при естественной циркуляции теплоносителя в бассейне. Это делается для того, чтобы обеспечить объемное вскипание теплоносителя  при разряжении в верхней части подъемного трубопровода и запуска циркуляции. Разряжение до 9 кПа  (Рисунки 18.3, 18.4) создается подключением к верхней части подъемного участка контура барометрической циркуляции системы вакуумирования, которая создает заданное разряжение в течение 200 с, что способствует заполнению контура водой бассейна. В тоже время, для исключения процесса вскипания теплоносителя при заполнении опускного трубопровода, в него подают холодную воду, временно снижая там температуру теплоносителя до ~35°C.

В начальный период запуска контура барометрической циркуляции, когда в течение первых  ~ 400с происходит процесс заполнения циркуляционных трубопроводов, расход теплоносителя в них  достигает 100 кг/с в опускном трубопроводе и свыше 100 кг/с в подъемном трубопроводе (Рисунки 18.5, 18.6). Также в этот период большие расходы теплоносителя фиксируются через активную зону и верхнюю часть «дымохода», причем через верхнюю часть «дымохода» расход теплоносителя существенно выше, чем через активную зону, так как гидравлическое сопротивление там минимально (Рисунки 18.7, 18.8).

После вывода реактора на высокий уровень мощности, обеспечивающий интенсивную циркуляцию теплоносителя за счет вскипания в верхней части контура, охлажденный в теплообменнике теплоноситель поступает в активную зону и в бассейн реактора, чтобы компенсировать отвод теплоносителя в верхнюю часть «дымохода». Поэтому температура воды в бассейне постепенно снижается и в течение примерно часа достигает равновесного состояния с температурой воды на выходе из теплообменника (Рисунки 18.9, 18.10, сплошная линия). Снижение температуры в бассейне приводит к тому, что температура отводимого в контур циркуляции потока (Рисунки 18.9, 18.10, штрихпунктирная линия) заметно ниже, чем температура теплоносителя на выходе из активной зоны (Рисунки 18.9, 18.10, пунктирная линия).

На Рисунках 18.11 и 18.12 кроме температур на входе и выходе из активной зоны показаны также соответствующие максимальные температуры твэлов в ТВС (Рисунки 18.11 и 18.12, пунктирная линия). Несмотря на то, что эти температуры могут превышать температуру насыщения в активной зоне, в рассматриваемых режимах поверхностного кипения твэлов не происходит, так как расчетный коэффициент теплоотдачи высок из-за турбулентного режима в ТВС.

Турбулентный режим в ТВС обеспечивается высоким расходом теплоносителя через активную зону, который, в свою очередь, связан с высоким движущим напором естественной циркуляции, определяемым как разность гидростатических давлений на подъемном и опускном участках барометрического контура (Рисунки 18.13 и 18.14, сплошная  и штрих-пунктирная линии).

Изменение в рассматриваемых режимах плотности тепловых потоков по высотным участкам максимально теплонапряженного твэла показано на Рисунках 18.15 и 18.16. Как видно из этих графиков максимальная плотность теплового потока в первом режиме при  уровне мощности 3 МВт достигает 340 кВт/м2, а в режиме с маневрированием мощности – 225 кВт/м2. Соответствующие температуры топлива по высотным участкам максимально теплонапряженного твэла приведены на Рисунках 18.17 и 18.18.

Проведенный по коду RELAP5/MOD3.2 анализ показывает работоспособность и эффективность барометрического контура, позволяющего максимально упростить систему охлаждения бассейнового реактора и минимизировать количество теплотехнического оборудования, требующего периодического обслуживания, повышающие дозовые нагрузки на персонал. Достаточно высокие нейтронные потоки позволяют эффективно производить облучение в каналах при минимальных эксплуатационных затратах.

10. Примеры использования реакторной установки мощностью 3 МВт 

10.1. Наработка  99Мо нейтронно-активационным способом

В качестве примера использования реакторной установки рассматривается наработка изотопов для медицинских целей – получение активационного 99Мо по патенту RU 2703994 C1 [4]. В предлагаемом способе облучение мишени проводят при температуре от 20°С до 100°С. Способ осуществляют следующим образом:

Гексафторид молибдена природного изотопного состава или обогащенный по изотопу Мо-98 помещают в металлическую ампулу путем конденсации, ампулу заваривают, помещают в защитный металлический контейнер и облучают в потоке нейтронов 1⋅108 … 1⋅1015 см-2⋅с-1 в течение от 1 до 15 суток. Облученную мишень в течение 1 суток переносят в горячую камеру, вскрывают, подсоединяют к вакуумной системе и конденсируют газообразный гексафторид молибдена. Мишень отсоединяют от вакуумной системы и заполняют рассчитанным количеством раствора щелочи NaOH с концентрацией 0,2 - 0,3 М. При облучении в результате захвата нейтронов ядрами мишени 98MoF6 образовавшиеся ядра 99Мо первоначально находятся в возбужденном состоянии. При снятии возбуждения путем испускания мгновенных гамма-квантов часть атомов отдачи (99Мо) получает импульс, достаточный для разрыва химических связей с отщеплением атома фтора и образованием низшего фторида молибдена, который осаждается на стенках мишени. После завершения облучения и удаления основной массы гексафторида молибдена, нелетучие компоненты, образовавшиеся в результате активации 98MoF6, растворяются в щелочи с образованием молибдата натрия Na2 98MoO4. Полученный раствор используют для зарядки генераторов. Удельная активность 99Мо в полученном растворе на момент изготовления составляет от 10 до 5000 Ки/г в зависимости от величины потока нейтронов и времени облучения.

При плотности нейтронного потока свыше 1⋅1015 н/(см2⋅с) ожидается высокая эффективность накопления 99Мо, и что особенно важно, при этой технологии удастся избежать высокого расхода 235U для получения осколочного 99Мо и связанных с этим тяжелых технологических проблем по его извлечению и  обращению  с образующимися в процессе распада высокоактивными отходами. 

10.2. Трансмутационное легирование кремния

Основой технологии трансмутационного легирования кремния являются ядерные превращения атомов под воздействием тепловых нейтронов, а именно, нейтронное трансмутационное превращение ³⁰Si в фосфор в результате облучения тепловыми нейтронами в ядерном реакторе. Принципиальным моментом нейтронно-трансмутационного легирования является то, что легирующие примеси не вводятся в исходный материал извне, а образуются в процессе облучения непосредственно из атомов легируемого материала. В основе метода лежат ядерные реакции, которые протекают в кристалле кремния. Под воздействием потока тепловых нейтронов происходит образование радиоактивного изотопа ³¹Si и его последующий распад с образованием стабильного фосфора ³¹P. Образующийся ³¹P создает проводимость n-типа.

 Радиационно-легированный кремний используется для изготовления силовой полупроводниковой электроники и приборов специального назначения повышенной надежности и качества. Область применения радиационно-легированного кремния необычайно широка: силовые полупроводниковые приборы, вставки постоянного тока для преобразования переменного тока в постоянный, силовые фотоэлектронные преобразователи для солнечных электростанций, мощные диоды и тиристоры для электрифицированного железнодорожного и автомобильного транспорта, высоковольтные и сильноточные полупроводниковые приборы для ядерной физики и электроники, в электронно-измерительном приборостроении; в фотоэлектронных преобразователях энергии, в системах оптической техники и т.п. Таким образом, наиболее актуально использование полупроводниковых свойств кремния в различных электротехнических приборах и устройствах, которые играют важнейшую роль во всех областях электротехники, электроники и связи.

Большой мировой опыт, накопленный при эксплуатации установок для получения трансмутационного легирования кремния, в том числе в бассейновых реакторах, позволяет надеяться на создание эффективной установки в расматриваемом реакторе, тем более что невысокая стоимость такой реакторной установки позволяет сделать её специализированной и обратить особое внимание на автоматизацию технологии облучения кремния.


Обсуждение результатов

-        Представлена концепция бассейнового исследовательского реактора с барометрическим контуром, использующим естественную циркуляцию. Обоснованы преимущества создания простой и надежной пассивной системы теплоотвода от активной зоны исследовательского реактора, использующей канал вскипания на подъемном участке контура циркуляции при вакуумировании;

-        Применение воздушного охлаждения теплоносителя первого контура реакторной установки с использованием вентиляционной трубы снимает проблему водоподготовки градирен для предотвращения образования солевых отложений  на теплообменных трубках и на поверхности оросителей в градирнях;

-        Проектирование реакторной установки строится на приоритете «внутренней безопасности», а не «инженерной безопасности»;

-        В системах теплоотвода отсутствует сложное и дорогостоящее теплотехническое оборудование, требующее периодического ремонта и обслуживания (насосы, запорно-регулирующая арматура и т.д.), что кроме снижения эксплуатационных затрат позволяет снизить дозовые нагрузки на персонал;

-        В первом контуре охлаждения из-за его дизайна обеспечивается минимальный уровень выхода радиоактивных продуктов с поверхности воды бассейна реактора;

-        Подъемное направление движения теплоносителя в активной зоне обеспечивает устойчивость естественной циркуляции при колебаниях мощности;

-        Отсутствие насосного оборудования в контуре охлаждения снижает зависимость от поставщиков электроэнергии и повышает безопасность реакторной установки;

-        Использование схемы циркуляции с подъемным движением теплоносителя в активной зоне в сочетании со схемой «дымохода» (вертикальная труба над активной зоной с боковым ответвлением) позволяет оптимизировать контур естественной циркуляции, заключив его в жесткие границы, что упрощает проведение тепло-гидравлического анализа по коду RELAP5/MOD3.2;

-        Использование производимых типов ТВС с низким обогащением по U-235 удовлетворяет требования МАГАТЭ к вновь проектируемым реакторам;

-        Проведенный по коду RELAP5/MOD3.2 нестационарный анализ показал, что интенсификация естественной циркуляции за счет канала вскипания обеспечивает повышение мощности реактора до достижения плотности нейтронных потоков 1×1014 см-2с-1 и выше;

-        В рассмотренных расчетных режимах отсутствует кипение даже на максимально теплонапряженном твэле;

-        Сплавы алюминия используют в твэлах активных зон реакторов при температуре не выше 250-270°C [5].  Диапазон максимальных рабочих температур твэлов в рассматриваемой реакторной установке не превышает 130°C;

-        В случае неконтролируемого повышения мощности происходит закипание теплоносителя в активной зоне и внесение отрицательной реактивности за счет плотностного эффекта. При этом происходит усиление естественной циркуляции через активную зону, что с учетом срабатывания аварийной защиты сразу по нескольким параметрам переводит реактор в безопасное состояние;

-        При аварийном останове реактора после срабатывания аварийной защиты, расхолаживание реактора обеспечивается в «мягком» режиме отвода остаточного энерговыделения при резком снижении температуры твэлов;

-        С использованием трехмерного моделирования произведен расчет основных параметров оборудования контура воздушного охлаждения с естественной конвекцией воздуха, воздушного теплообменника и вентиляционной трубы. Представленные результаты теплогидравлического расчета передачи тепла от активной зоны реактора до конечного получателя - атмосферного воздуха позволяют говорить о достаточной эффективности предложенной системы теплоотвода;

-        Простота дизайна и минимальная стоимость инженерных систем и сооружений обуславливает низкую стоимость реакторной установки и минимальные затраты при выводе установки из эксплуатации;

-        Разгерметизация трубопроводов первого контура или теплообменника не приводит к существенной потере теплоносителя из бассейна реактора;

-        Низкие эксплуатационные затраты при достаточно высоких параметрах нейтронных потоков обеспечивают конкурентоспособность предлагаемых реакторных установок.


Использованная литература

1.    Пейч, Н. Н. О возможности совершенствования систем пассивного отвода тепла реакторных установок путем использования канала вскипания / Н. Н. Пейч, О. Н. Аленичев, С. К. Самокалев //  Теплоэнергетика. – 2013. – № 4. – С. 34-39  

2.    Алямовский, А. А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи [Текст] / – БХВ-Петербург, 2012, – 488 с. 

3.    RELAP5/MOD3 Code Manual Volume 2: User's Guide and Input Requirements. INEL-95/0174, NUREG/CR-5535. 1995. 

4.    Способ получения радиоизотопа молибден-99, патент RU2703994C1

5.    Варлачев, В. А. Нейтронное трансмутационное легирование кремния в бассейновом исследовательском ядерном реакторе : автореферат дис. ... доктора технических наук : 01.04.07 / Варлачев Валерий Александрович; [Место защиты: Нац. исслед. Том. политехн. ун-т]. - Томск, 2015. - 48 с.

6.    Устройство и способ для нанесения покрытий оболочек тепловыделяющих элементов, патент RU2561975C1, Патентообладатель ГК РОСАТОМ АО «ГНЦ ТРИНИТИ»


 

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Атомная наука
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Атомная наука:
Интуиция в законе

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 5
Ответов: 1


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

Извините, комментарии не разрешены для этой статьи.





Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.08 секунды
Рейтинг@Mail.ru