Иccледовательский реактор для центров ядерных исследований
| Вид материала | Реферат |
- Бакалов Валерий Пантелеевич. Основы теории цепей: учебник, 143.88kb.
- Р. Н. Титов европейская организация ядерных исследований (cern), Женева, Швейцария, 36.25kb.
- Основным прикладным результатом фундаментальных исследований в ядерной физике явилось, 636.96kb.
- Возможности ракетно-космических и ядерных технологий для предотвращения глобальных, 359.28kb.
- Федеративной Республики Германия. Уважаемые коллеги! Яимею честь представлять и сделать, 69.55kb.
- Великой Теории Природы, которая состоит из своих постулатов, в реалиях, проявляющихся, 107.39kb.
- Исследования деления ядер урана и плутония при низких энергиях возбуждения. 01. 04., 549.02kb.
- Анализ данных анкетирования центров трансфера технологий в 2007 год, 298.48kb.
- Nuclear Data Centres Network /1/ под руководство, 68.37kb.
- Биометрия и ее роль в повышении эффективности системы физической защиты ядерных материалов, 89.31kb.
ИCCЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ЦЕНТРОВ ЯДЕРНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Р.П. Куатбеков, В.А. Лукичёв, С.В. Осипович, С.А. Соколов, И.Т. Третьяков,
В.И. Трушкин
Открытое акционерное общество "Ордена Ленина научно-исследовательский и
конструкторский институт энерготехники имени Н. А. Доллежаля"
(ОАО «НИКИЭТ»),
ул. Малая Красносельская, д. 2/8, г. Москва, Российская Федерация, 107140
Реферат
ОАО "НИКИЭТ" разрабатывает конкурентоспособный на международном рынке исследовательский реактор (ИР) с топливом пониженного обогащения.
В качестве потенциальных заказчиков рассматриваются, прежде всего, страны Юго-Восточной Азии, Африки, Латинской Америки, СНГ, а также некоторые европейские страны. Для удовлетворения потребности государств, желающих развивать ядерные технологии, разрабатываются технические предложения типовых ИР в составе центров ядерных исследований (ЦЯИ).
Разрабатываемые ИР должны иметь конкурентоспособные потребительские параметры и обеспечивать широкий круг исследований по различным направлениям научно-исследовательских и прикладных работ.
На основе анализа современных и перспективных направлений использования ИР и потребностей зарубежного рынка разрабатываются варианты ИР бассейнового типа с серийно производимым топливом на уране низкого обогащения.
Введение
В начале этого века тенденция к сокращению количества действующих в мире исследовательских реакторов (ИР), четко проявившаяся в конце прошлого века, меняется на тенденции сохранения их количества и возрастанию интереса к созданию новых установок, в т.ч. в странах, не имеющих атомной инфраструктуры.
Очевидно, развитие ИР не будет таким интенсивным, как это было в 60-е годы прошлого века, однако они остаются до сих пор самым дешевым и доступным источником нейтронов высокой интенсивности и потому еще длительное время будут сохранять интерес для экспериментаторов.
В большинстве ИР используется уран с обогащением более 20 %, т. е. ВОУ, опасность несанкционированного использования которого представляет реальную угрозу. В мире ведутся работы по снижению обогащения урана в топливе ИР до уровня менее 20% по содержанию урана-235, т. е. НОУ-топлива. Несмотря на известный прогресс, достигнутый в этом направлении, многие вопросы остаются нерешенными до сих пор, и конечная цель – исключение ВОУ из использования в топливе гражданских ИР, пока не достигнута.
1. Цели и направления НИОКР
ОАО "НИКИЭТ" в рамках реализации Федеральной Целевой Программы «Национальная технологическая база» со сроком действия 2007 – 2011 гг. и при выполнении собственных НИОКР активно работает в направлении:
- участия в комплексе работ по разработке и созданию отечественного конкурентоспособного НОУ-топлива;
- обеспечивает разработку технических предложений конструкций будущих ИР (мощностью от 1 МВт до 25 МВт), ориентированных на потенциального заказчика за рубежом.
В этих условиях разработка достаточно проработанных предложений по мощностному ряду ИР, которые могут быть представлены потенциальному зарубежному заказчику, позволит не только сохранить компетенцию отечественных специалистов, но и существенно повысить шансы на успех в будущих тендерах.
В качестве потенциальных заказчиков ИР и центров ядерных исследований (ЦЯИ) рассматриваются, прежде всего, страны Юго-Восточной Азии, Африки, Латинской Америки, СНГ, а также некоторые европейские страны.
Разрабатываемые ИР должны иметь конкурентоспособные потребительские параметры и обеспечивать широкий круг исследований по направлениям:
- ядерная физика,
- физика твёрдого тела,
- радиационное материаловедение,
- нейтронно-активационный анализ вещества,
- нейтронная радиография различных изделий,
- радиационное легирование кремния, производство изотопов для медицинских
и промышленных целей (99Мо, 131I, 125I, 35S, 32P, 90Y, 166Ho, 60Co, 153Sm, 192Ir).
ИР могут быть использованы как учебные установки и источники нейтронов для каналов нейтронной терапии.
2. Принципы проектирования перспективных исследовательских реакторов
При разработке новых ИР для исследовательских центров в других странах в соответствии с международными нормами необходимо ориентироваться на перечисленные ниже концептуальные положения и принципы проектирования перспективного ИР для научно-исследовательских центров.
2.1. Надежность:
- использование технических решений и оборудования, проверенных в ходе эксплуатации реакторов в РФ и за рубежом;
- выбор расхода и перепада давления теплоносителя на активной зоне (а.з.) обеспечивает запас до температуры начала кипения и допустимое значение показателя теплотехнической надежности;
2.2. Безопасность:
- размещение активной зоны в бассейне под большим уровнем воды;
- конструкция реактора обеспечивает сохранение залива активной зоны водой при возникновении течи в трубопроводах;
- контроль, сбор и возврат протечек воды в бассейн в аварийных ситуациях;
- отсутствие поверхностного кипения на поверхностях твэлов и элементов активной зоны;
- достаточная эффективность РО СУЗ;
- пассивные системы безопасности;
- отрицательные реактивностные обратные связи;
- наличие бериллия в отражателе для обеспечения надёжного управления реактором при пуске;
- применение референтных ТВС ИРТ-4М, ВВР-М2 и новых перспективных ТВС ВВР-КН с НОУ-топливом;
2.3. Эффективность:
- высокий уровень плотности потока нейтронов в экспериментальных устройствах реактора;
- глубокое выгорание топлива в выгружаемых сборках;
- высокое «качество реактора» по тепловым нейтронам (Ф/N);
- многообразие экспериментальных объемов;
2.4. Гибкость:
- возможность реализации различных компоновок активной зоны реактора;
- возможность варьирования количества и месторасположения экспериментальных каналов;
2.5. Простота:
- удобство обслуживания реактора и проведения перегрузочных работ благодаря размещению хранилища кассет в бассейне реактора.
3. Достигнутые результаты НИОКР
3.1. Разработка технических предложений исследовательских реакторов трех уровней мощности
На первом этапе деятельности ОАО "НИКИЭТ" в этом направлении был определён востребованный на международном рынке мощностной ряд перспективных ИР, состоящий из трёх базовых конструктивных решений для уровней тепловой мощности 1, 10, 20 МВт, и разработаны технические предложения вышеуказанных ИР.
Были рассмотрены реакторы бассейнового типа с принудительной циркуляцией теплоносителя через активную зону. В качестве теплоносителя, замедлителя, торцевого отражателя и радиационной защиты используется деминерализованная вода.
Выбор бассейнового типа реактора вполне оправдан длительной историей безопасной и эффективной работы таких установок. Имея высокие параметры безопасности, бассейновые реакторы позволяют в то же время обеспечивать высокие плотности потоков тепловых нейтронов, достаточные для проведения практически всех исследований, в которых используются тепловые нейтроны.
Расчётным путём выбраны компоновки активных зон (см. рисунки 1-5), обеспечивающих оптимальные потребительские характеристики (см. таблицу 1) при лучшем соответствии «уровень мощности реактора – тип используемой ТВС».
3.2. Конструктивные особенности исследовательских реакторов трех уровней мощности
Каждый реактор размещен в бетонном защитном массиве здания и включает в себя стальной бак, являющийся наружной оболочкой бассейна, активную зону, бериллиевый отражатель, исполнительные органы системы управления и защиты (СУЗ), каналы ионизационных камер, верхнее защитное перекрытие, шиберы горизонтальных каналов и экспериментальные устройства. В пределах бассейна реактора также располагается временное хранилище облучённых ТВС. Использование бассейновой конструкции реактора позволяет значительно упростить операции загрузки в активную зону ТВС и облучаемых образцов и выгрузки их из активной зоны.
Особенностью реакторов мощностью 10 и 20 МВт является нижнее расположение ИМ СУЗ под опорной плитой реактора в герметичном кожухе в подреакторном помещении. Это позволит освободить пространство над а. з. для ведения экспериментальных и транспортно-перегрузочных работ. РО СУЗ приводятся в движение шаговыми двигателями. В целях безопасности конструкцией предусмотрено наличие защиты от протечек.
Трехмерные модели реакторов представлены на рисунках 6-8.
 Рисунок 1. Картограмма а.з. ИР 1 МВт с ТВС ВВР-М2 |  Рисунок 2. Картограмма а. з. ИР 10 МВт с ТВС ВВР-КН |  Рисунок 4. Картограмма а. з. ИР 20 МВт с ТВС ВВР-КН |
 Рисунок 3. Картограмма а. з. ИР 10 МВт с ТВС ИРТ-4М |  Рисунок 5. Картограмма а. з. ИР 20 МВт с ТВС ИРТ-4М |
Таблица 1. Характеристики активных зон исследовательских реакторов
| № п/п | Наименование параметра | ИР 1МВт | ИР 10 МВт | ИР 20 МВт | ||
| | Тип ТВС | ВВР-М2 | ИРТ-4М | ВВР-КН | ИРТ-4М | ВВР-КН |
| | Тепловая мощность, МВт | 1 | 10 | 10 | 20 | 20 |
| | Количество ТВС в активной зоне | 70 | 16 | 26 | 40 | 45 |
| | Высота активной зоны, мм | 600 | 600 | 600 | 600 | 600 |
| | Обогащение топлива по U 235, % | 19,7 | 19,7 | 19,7 | 19,7 | 19,7 |
| | Максимальное значение плотности потока тепловых (Е <0,625 эВ) нейтронов, 10 14 см -2c -1: в активной зоне в бериллиевом отражателе | 0,44 | 3,2 | 3,3 | 4,1 | 4,6 |
| 0,2 | 2 | 2 | 1,4 | 1,2 | ||
| | Плотность потока нейтронов в быстрых (Е> 0,82 МэВ) | - | 3,8 | 3,7 | 6 | 9 |
| - | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,1 | ||
| | Плотность потока нейтронов на выходе из горизонтальных каналов, 10 10 см 2c -1: тепловых (Е <0,625 эВ) быстрых (Е > 0,82 МэВ) | 0,1-0,15 | 0,8-1,3 | 0,8-1,3 | 1,2-2 | 0,6-1,8 |
| 0,1-0,12 | 0,004-0,05 | 0,004-0,05 | 0,01-0,08 | 0,003-0,034 | ||
| | Плотность потока тепловых (Е <0,625 эВ) нейтронов в местах расположения каналов пневмопочты, 10 13 см -2c -1: | 0,02 | 0,2 | 0,2 | 0,4 | 1,2 |
| | Количество горизонтальных экспериментальных каналов (ГЭК) | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| | Количество вертикальных экспериментальных каналов (ВЭК) | 4 | до 25 | до 24 | до 20 | до 17 |
| | Поглотитель исполнительных органов СУЗ: | B4C | B4C | B4C | B4C | B4C |
| | Количество регулирующих органов, в т.ч. - компенсирующий орган (РО КО) - орган автоматического регулирования (РО АР) - орган аварийной защиты (РО АЗ) | 9 | 11 | 10 | 21 | 16 |
| 6 | 8 | 6 | 18 | 12 | ||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||
| 2 | 2 | 3 | 2 | 3 | ||
| | Температурный эффект, %K/K | -0,5 | -0,3 | -0,3 | -0,2 | -0,15 |
| | Среднее выгорание топлива в выгружаемой ТВС, % | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
| | "Качество реактора" по тепловым нейтронам (Ф/N), 1/см2сВт | 4,4107 | 3,2107 | 3,3107 | 2,05107 | 2,3107 |
Рисунок 6. Трехмерная модель ИР мощностью 1 МВт
Рисунок 7. Трехмерная модель ИР мощностью 10 МВт
Рисунок 8. Трехмерная модель ИР мощностью 20 МВт
4. Дальнейшее развитие проектов перспективных исследовательских реакторов в составе ЦЯИ
Выполненные разработки явились первым шагом на пути продвижения экспортных предложений ОАО "НИКИЭТ" по тематике ИР и требуют продолжения и расширения проектно-конструкторских проработок.
Согласно планам НИОКР на 2011г. на основе проведенных на первом этапе работ, анализа современных и перспективных направлений использования ИР и потребностей зарубежного рынка разрабатываются два варианта ИР бассейнового типа в составе ЦЯИ: с естественной циркуляцией теплоносителя через активную зону малой мощности (до 1 МВт) и с принудительной циркуляцией теплоносителя, масштабируемый по мощности (10 20 МВт). В разрабатываемых ИР используется серийно производимое, подтвердившее высокую надёжность топливо на уране низкого обогащения: ТВС ВВР-М2 для ИР мощностью до 1 МВт и ИРТ-4М для ИР мощностью 10-20 МВт.
В объеме технических предложений реакторных установок (РУ) с водо-водяным бассейновым ИР малой и средней мощностей разрабатываются инженерно-конструктивные решения реакторов, включая компоновки активных зон и отражателя, схемы их охлаждения, системы обращения с облученными изделиями, принципиальные схемы РУ, а также определяется стоимость разработки проектной документации, изготовления оборудования, сопровождения сооружения и ввода в эксплуатацию РУ.
В таблице 2 приведены основные потребительские характеристики активных зон разрабатываемых в настоящий момент исследовательских реакторов.
5. Создание базовых проектов ЦЯИ с перспективными исследовательскими реакторами
Дальнейшая деятельность в этом направлении направлена на создание проектов ИР в составе центров ядерных исследований, ориентированных по комплексу решаемых задач на конкретные потребности потенциальных зарубежных заказчиков. Наработанные материалы составляют основу для последующих этапов развития базовых проектов ЦЯИ:
- выбор комплектации экспериментальных установок и лабораторий, входящих в состав ЦЯИ;
- определение состава, научно-производственного, технологического и инфраструктурного обеспечения изотопного производства, производства радиационного легирования кремния, обеспечения материаловедческих исследований;
- оценка стоимости научно-производственного, технологического и инфраструктурного обеспечения ЦЯИ в соответствии с функциональным назначением;
- совместная разработка с проектной организацией проектных материалов ЦЯИ.
Таблица 2. Характеристики активных зон исследовательских реакторов
| Наименование параметра | Значение параметра для ИР | |
| Тип ТВС | Трубчатого типа, НОУ (UO2 + Al, 19,7 % по 235U) | |
| Тепловая мощность, МВт | ≤ 0,5 | 10-20 |
| Высота активной зоны, мм | 600 | 600 |
| Отражатель | бериллий | |
| Замедлитель | деминерализованная вода | |
| Теплоноситель | ||
| Циркуляция | естественная | принудительная, сверху вниз |
| Максимальная плотность потока тепловых нейтронов в активной зоне, 10 14 см -2c -1, не менее | 0,2 | 3,2 |
| Максимальная плотность потока тепловых нейтронов в отражателе, 10 14 см -2c -1, не менее | 0,1 | 2 |
| "Качество" ИР - приведённая на единицу мощности плотность потока тепловых нейтронов, 10 14 (1/(см2×с))/МВт | около 0,4 | 0,32 |
| Количество горизонтальных экспериментальных каналов | 4 | 4-5 |
| Количество вертикальных экспериментальных каналов | 4 | ≤ 24 |
| Среднее выгорание топлива в выгружаемой ТВС, % | 50 | 50 |