О чём писали в журналах — трансмутация Владимир Рычин, AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 25.01.2020 Мы продолжаем наш цикл обзоров статей, опубликованных в научных журналах по тематике атомной отрасли. Сегодня в фокус нашего внимания попали статьи по проблеме выжигания младших актинидов. Младшие актиниды … Читать далее
О чём писали в журналах — трансмутация
Владимир Рычин, AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 25.01.2020
Мы продолжаем наш цикл обзоров статей, опубликованных в научных журналах по тематике атомной отрасли. Сегодня в фокус нашего внимания попали статьи по проблеме выжигания младших актинидов.
Младшие актиниды — тема старая, заговорили о ней едва ли не с первых лет существования атомной энергетики. Их предлагают захоранивать навсегда или временно, использовать для наработки полезных изотопов (в первую очередь, плутония-238) или применять непосредственно (например, америций-242 метастабильный).
Некоторые авторы считают, что миноры можно поставить на службу геополитике — принудительные добавки миноров в топливо легководных реакторов сделают ОЯТ за счёт накопления 238Pu слишком горячим и неперерабатываемым, что весьма порадует нераспространенцев.
Другие специалисты обращают внимание на то, что образующиеся в результате эксплуатации АЭС объёмы младших актинидов ничтожны по сравнению с объёмами ОЯТ, и предлагают оставить их в покое и заняться более насущными проблемами.
Наконец, ещё один вариант — выжигание младших актинидов в ядерных реакторах. Сделать это можно различными способами в различных реакторах, работающих в различных топливных циклах. Рассмотрим, что предлагали на сей счёт авторы статей в научных журналах в 2019 году.
Натриевый и газовый
Вьетнамо-японский коллектив (H.-N. Tran и др.) пошёл в своих исследованиях по накатанному пути, рассмотрев возможности трансмутации младших актинидов в быстрых реакторах.
В статье выбраны два проекта быстрых реакторов мощностью по 600 МВт(т) каждый — традиционный с натриевым охлаждением и инновационный со сверхкритическим углекислым газом sCO2 в качестве теплоносителя.
На самом деле, термин «инновационный» в данном случае следует использовать с большой натяжкой. У турбинистов интерес к углекислоте как рабочему телу возник как минимум в середине прошлого века, и примерно тогда же у атомщиков появились идеи по её применению в ядерных газотурбинных установках (в том числе, одноконтурных).
Концепции реакторов, в которых используется CO2 при сверхкритических параметрах, появились попозже, но также достаточно давно. В частности, эта идея популярна в Южной Корее, где разрабатываются проекты как газоохлаждаемых реакторов с теплоносителем sCO2, так и быстрых реакторов с натрием в первом контуре и sCO2 во втором.
Две схожие концепции (S-CO2-FR и SFR, соответственно) были выбраны авторами статьи для анализа возможности трансмутации миноров. Одновременно авторы в поисковых расчётах старались минимизировать изменение реактивности с выгоранием. Для натриевого реактора также принималась во внимание необходимость выдерживать требования по пустотному эффекту реактивности.
Статья достаточно объёмная и по вниманию к деталям расчётов близка к отчётам. А сделанные в статье выводы оптимистичны.
Авторам удалось найти варианты загрузок, позволяющие уменьшить изменения реактивности при выгорании (причём для газоохлаждаемого реактора — практически до нуля) и обеспечиваюшие приемлемые скорости сжигания младших актинидов 40-50 кг/год, что эквивалентно скорости их наработке в 7-9 легководниках той же мощности.
Слабое место статьи — в ней рассматривалась только одна кампания топлива. Вопрос о том, что делать с ОЯТ, образовавшимся после работы в реакторе насыщенного минорами (6% для S-CO2-FR и 10% для SFR) топлива, остался за кадром.
Ссылка на статью: Hoai-Nam Tran, Yasuyoshi Kato, Peng Hong Liem, Van-Khanh Hoang & Sy Minh Tuan Hoang (2019): Minor Actinide Transmutation in Supercritical-CO2-Cooled and Sodium-Cooled Fast Reactors with Low Burnup Reactivity Swings, Nuclear Technology, DOI:10.1080/00295450.2019.1601470.
Зависимость kэфф от выгорания в газоохлаждаемом реакторе.
No MA — топливо без добавки миноров.
MAs=6.0%wt — топливо с добавкой 6% миноров.
Основные характеристики рассматриваемых в статье реакторов.
Для просмотра таблицы шёлкните левой клавишей мыши.
Моделирование от Прорыва
Коренной недостаток предыдущей статьи с лихвой восполнен в работе группы авторов из «Прорыва» (А.Егоров и др.), где моделировался весь топливный цикл, а не только одна кампания.
В статье рассмотрен быстрый натриевый реактор мощностью 1200 МВт(э), работающий на смешанном уран-плутониевом нитридном топливе. Ранее было показано, что на таком аппарате возможно достичь значения КВа, близкого к единице, а это, в свою очередь, позволит уменьшить изменение реактивности с выгоранием почти до нуля.
Но сказанное выше верно для равновесного режима работы реактора, когда последовательные кампании уже практически не отличаются друг от друга. Выход на равновесный режим потребует времени, а характеристики реактора в переходный период могут сильно отличаться от равновесных значений — например, величина запаса реактивности на выгорание может быть достаточно большой.
Добиться меньших запасов реактивности на выгорание возможно путём добавления в топливо младших актинидов, что одновременно позволяет решать задачу по их трансмутации. Миноры играют в этом случае роль выгорающих поглотителей, а их содержание в топливе представляет собой предмет для оптимизации.
Статья опубликована на условиях свободной лицензии, и с её полным текстом можно ознакомиться в интернете. В нашем обзоре для иллюстрации сказанного выше о роли миноров приведём один характерный график зависимости реактивности от времени для вариантов без добавки и с добавкой миноров.
Ссылка на статью: Egorov AV, Khomyakov YuS, Rachkov VI, Rodina EA, Suslov I.R (2019) Minor actinides transmutation in equilibrium cores of next generation FRs. Nuclear Energy and Technology 5(4): 353-359. https://doi.org/10.3897/nucet.5.46517.
ADS с комбинированным реактором
Если в двух предыдущих статьях рассматривались вопросы трансмутации в критических ядерных реакторах, то следующая статья в нашем обзоре предлагает выбрать для этих целей подкритический реактор, управляемый ускорителем (ADS-система).
Как часто бывает, сама по себе идея не нова, но группа авторов из Южной Кореи и Швейцарии (Sang-In Bak и др.) предлагает задействовать в ADS-системе комбинированный реактор, сочетающий преимущества свинцово-висмутовых и жидкосолевых аппаратов.
Быстрый подкритический реактор с теплоносителем свинец-висмут — удачный выбор для ADS-систем, в том числе, разрабатываемых для нужд трансмутации миноров. Такой теплоноситель химически инертен по отношению к воде и воздуху и для него не требуется промежуточный контур. Большая атомная масса свинца и висмута позволяет создавать в активной зоне очень жёсткий спектр нейтронов, а это повышает эффективность трансмутации.
Однако у такого реактора есть важный недостаток. Если трансмутационная ADS-система, загруженная трансурановым топливом, будет работать с достижением глубоких выгораний, то изменения реактивности в реакторе станут слишком велики, и их придётся компенсировать за счёт ускорительной части системы.
Так, в предложенной в JAEA (Япония) концепции ADS-системы с трансурановым топливом и глубоким выгоранием (порядка 116 ГВт×сут/т) мощность пучка возрастёт на конец кампании вдвое по сравнению с её началом.
Разумеется, побороться с эффектом сильного изменения реактивности можно за счёт введения в систему выгорающих поглотителей, но это усложняет и удорожает и без того технологически перегруженную трансмутационную ADS-систему.
Радикальное решение проблемы изменения реактивности — заменить в ADS-системе свинцово-висмутовый реактор на жидкосолевой аппарат, допускающий удаление осколков деления на ходу. Но технология ЖСР в настоящее время до конца не освоена, и для их появления понадобится решить множество технологических и конструкторских задач.
Ранее была предложена концецпия критического комбинированного реактора DFR, в котором топливом выступает жидкая соль, а теплоносителем — свинец-висмут. Авторы, в свою очередь, развили эту идею и предложили концепцию AD-DFR — подкритического комбинированного реактора, работающего в составе ADS-системы, предназначенной для трансмутации младших актинидов.
Схематичная диаграмма AD-DFR показана на рисунке ниже. Первый контур разделён на два независимых контура — топлива и теплоносителя. В топливном контуре циркулирует жидкая соль, в контуре теплоносителя — свинец-висмут.
Тепловая мощность выбрана по аналогии с проектом трансмутационной системы от JAEA — 800 МВт(т).
Топливо — хлориды трансурановых элементов. Изотопные составы плутония и младших актинидов примерно соответствует составам из ОЯТ легководных реакторов после длительной (до 20 лет) выдержки, соотношения между плутонием и минорами в свежем топливе и топливе подпитки выбираются для обеспечения нужной подкритичности реактора.
Жидкое топливо проходит активную зону по трубкам из стали HT9 (мартенситная сталь с высоким содержанием хрома). Трубки объединяются в группы (по 61 трубке на группу), общее количество трубок в зоне — 11712. Сверху и снизу трубки подсоединены к входному и выходному бакам (высота баков — 10 см).
Реактор AD-DFR
Характеристики реактора AD-DFR.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
Проработку предложенной в статье концепции трудно назвать глубокой, так как авторов, в первую очередь, интересовали её возможности по трансмутации.
Такие возможности выглядят перспективными (в противном случае, статья вряд ли появилась бы на свет). Предложенная система с AD-DFR в состоянии трансмутировать до 117 кг миноров в год и сможет обслуживать по минорам четыре легководных гигаваттника.
При этом флуктуации реактивности стали меньше на порядок по сравнению со схожей трансмутационной системой с чистым свинцово-висмутовым реактором. Требования к ускорителю авторы считают умеренными — максимальный ток пучка 8,6 мА при энергии протонов 1,5 ГэВ.
Зависимость kэфф от выгорания.
Красная линия — AD-DFR.
Пунктирная линия — трансмутационная ADS-система
со свинцово-висмутовым реактором.
В то же время, авторы честно признают, что они выполнили только нейтронно-физические расчёты, и в будущем их следует дополнить теплогидравлическими и теплофизическими расчётами.
Кроме того, незатронутыми остались многие другие важные темы — например, о коррозии конструкционных материалов в жидкосолевом топливном контуре, а также о поведении конструкционных материалов контура теплоносителя при высоких температурах.
Ссылка на статью: Bak, Sang-In & Hong, Seung-Woo & Kadi, Yacine. (2019). Design of an accelerator-driven subcritical dual fluid reactor for transmutation of actinides. The European Physical Journal Plus. 134. 10.1140/epjp/i2019-13015-3.
Ключевые слова: Младшие актиниды, Быстрые натриевые реакторы, Ускорители, Статьи, Владимир Рычин
Другие новости:
В Индии приступают к строительству завода по производству натрия
Производительность составит до 600 тонн в год.
В мире статус действующего имеют 447 блоков, статус строящихся 52 блока — PRIS
Учтён окончательный останов «Philippsburg-2».
Кольская АЭС получила лицензию на эксплуатацию энергоблока №2 до 2034 года
На очереди — блоки №4 Нововоронежской АЭС и №2 Билибинской АЭС.