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 – 0.180.3 mA с энергией протонов – 500600 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 – experimen-tal hall,

3 – storage ring,

4 – beam stop,

5 – complex of neutron sources,

6 – second (free) box,

7 – box of pulse neutron source,

8 – lead slowing-down spectrometer

1 2

~ 700 m

4

3

7

5

6

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 150-200 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

1

2

3

4

567

8

91011 12

2 m

Фотография нейтронного комплекса

Схема второго

свободного бокса для

ADS

H = 0.385 m

H = 0

H = 1.9 m

H = 3.31 m

H = 4.85 m

H = 2.4 m

H ~ 1.5 m Beam level

D = 1.6 m

D = 1.638 m

D = 2.340 m

Placement (room) above shield with removable housetop (reinforced concrete plates)

~

2 m

Average power of research ADS depend upon proton current – IP,

multiplication coefficient - Km, proton energy – EP and type of target.

Average

Proton Current

(μА)

Multipli-cation

coefficient

Km

Average power of blanket – P (MW) for proton energy 500 / 600 MeV

W or PbBi

target

UMo target with natural uranium

Cylindrical fuel elements

Plate fuel elements

100 10 1.0 / 1.2 1.4 / 1.7 1.7 / 2.0

150 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

 

45

Beam

175 mm

7

2 31

D1500 mm

Dmax ≤ 320 mm

Концептуальная схема установки

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.

 

МишениВ 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

2

3

4

5

1

D 320 mm

6

7

8

a b c

Возможная схема перегрузки

a b

1

2

34

5

6

2

Расчетный спектр нейтронов

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07

E, eV

Neu

tron

Spe

ctru

m Ô

(E)/

(Em

ax-E

min

)

Ôdif(Å)-U

Ôdif(Å)-Pu

Ôdif(Å)-Pu-c

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.

БезопасностьПри 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 Pb-Bi 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 установки в качестве второго источника нейтронов