Реакторы с ускорительным драйвером
Существует одно направление технологий ядерных реакторов, которое при весьма экзотичном облике и двигающихся программах НИОКРов имеет довольно туманное будущее. Речь идет про реакторы с внешним ускорительным источником нейтронов или Accelerator Driven Systems (ADS). Рожденные в попытке создать безопасные реакторы, подобные системы представляю собой настоящий инженерный кошмар, как мы все любим.
Проектное изображение флагмана ADS-реакторов - свинцово-висмутового быстрого реактора MYRRHA с ускорительным драйвером.
Идея прикручивания к ядерным реакторам такого ускорителя возникла в конце 80х именно как ответ на Чернобыльскую аварию, причем в двух ускорительных центрах мирового класса - Брукхейвенской лаборатории в США (H. Takahashi and G. Van Tuyle) и в ЦЕРНе в Европе (Карло Руббия).
Принципиальным отличием ADS от существующих реакторов является использование подкритичной сборки ядерного топлива т.е. такой, где количество нейтронов с каждым поколением становится меньше (Кэфф = 0.95), и без внешней подпитки нейтронами цепная реакция деления быстро затухает. Недостающее в каждом поколении количество нейтронов должен вносить спалляционный источник, где нейтроны получаются путем разрушения атомов мишени ускоренными протонами.
Проектное изображения здания для MYRRHA. Длинная зеленая штука между двумя белыми корпусами - насыпь поверх линейного ускорителя. Солнечные панели на зданиях намекают, кто тут хозяин.
В таком гибриде ядерного реактора и ускорителя принципиально невозможна реактивностная авария, связанная с разгоном на мгновенных нейтронах ( как в Чернобыле) - стоит выключить ускоритель, и через секунду мощность реактора упадет до остаточной, не связанной с цепной реакцией. Вторым важным мотивом строить ADS стало то, что подобный реактор с жестким нейтронным спектром очень хорошо выжигает минорные актиниды - т.е. решает одну из существенных проблем ЗЯТЦ.
Существующие программы по изучению трансмутации минорных актинидов (MA) в ADS-реакторах.
Но на этом плюсы заканчиваются и начинается большой список технических сложностей. Поскольку атомная индустрия быстро разработала и воплотила новые стандарты ядерной безопасности, уменьшающих вероятностью реактивностных аварий практически до невозможной, то идея ADS так и должна была остаться идеей.
Разрез MYRRHA по двум осям. Слева видна активная зона и два внутриреакторных хранилища. Справа - по центру циркуляционный насос и по бокам два теплообменника вода-свинцово-висмутовая эвтектика.
Однако фигура Карло Руббия (нобелевского лауреата, бывш. директора CERN, бывш. директора итальянского “росатома” ENEA и т.п.) позволила продавить идею ADS хотя бы в исследовательские установки. В итоге, в 1998 году Европа начала НИОКРы, которые привели в 2006 году к экспериментальной установке GUINEVERE - где термоядерный ускорительный источник нейтронов (разогнанные до 200 КэВ дейтроны били в тритиевую мишень) подпитывал находящийся в подкритичном состоянии реактор VENUS-F. Причем интересно, что реактор был переделал из обычного бассейнового исследовательского в свинцовую сборку, где свинец находится в твердом состоянии.
GUINEVERE: труба ускорителя подходит с потолка к подкритичной сборке, виднеющейся на уровне пола.
Два десятилетия развития идеи ADS на сегодня воплощены в виде проекта реактора MYRRHA, который будет построен в бельгийском ядерном центре SCK-CEN. Причем, в силу неоднозначности плюсов реакторов с ускорительным драйвером, это должна быть не просто опытная ADS установка, а полноценный исследовательский реактор по типу БОР-60, МБИР или CEFR-25 предназначенный для исследования и разработок в области четвертого поколения, наработки медицинских радиоизотопов и ядерно-легированного кремния.
Активная зона MYRRHA в центре, два желтых цилиндра - полости для облучения ЯЛК, зеленое циркуляционные насосы.
MYRRHA исполнен по технологии быстрого свинцово-висмутовый реактора с спалляционной мишенью в центре активной зоны, в которую приходит луч ускоренных протонов с энергией 600 МэВ и током 4 мА. Поток протонов будет рождать в мишени 1017 нейтронов в секунду. Линейный ускоритель длинной 260 метров с криогенными сверхпроводящими резонаторами расположен тут же и составляет единое целое с реактором.
Сверху мааленький чертеж зданий ЛИНАКа и реактора, снизу - схематичное изображение этой системы.
Полезная мощность ускорителя, как несложно посчитать - 2,4 МВт, мощность реактора - 100 мегаватт тепловых, т.е. подкритичная сборка будет усиливать энергию протонного пучка в 40 раз, что является нижней границей, интересной для коммерческой реализации ADS.
Вид сверху на реактор. По вертикальной оси расположены две перегрузочные машины (IVFHM) и изображены их рабочие зоны. Справа-слева от IVFHM расположены внутриреакторных хранилища ТВС. Справа-слева от АЗ - сборки из насоса и двух теплообменников.
Реактор MYRRHA в свою очередь, бассейновый, т.е. активная зона, два циркуляционных насоса, 4 теплообменника, перегрузочные машины - все это находится в одном корпусе, наполненном расплавом свинцово-висмутовой эвтектики (55% висмута и 45% свинца). Такой экзотический теплоноситель (на сегодня в рамках советской лодочной программы было построено всего порядка десяти ядерных реакторов с СВ-эвтектикой в качестве теплоносителя, больше нигде в мире таких реакторов не было) нужен для улучшения нейтронного баланса и соответственно удешевления реакторно-ускорительной системы.
Перезрузочная машина, слева - манипулятор, по центру - эффектор. Справа вверху вид внутри реактора, удерживающая ТВС решетка поднята к АЗ.
Активная зона реактора набрана из шестиугольных ячеек в которых будет располагаться 108 ТВС и 55 многофункциональных каналов (центральный из которых занят спаляционной мишенью и еще 9 - поглощающими стержнями системы управления и защиты). Остальные каналы можно использовать для установки мишеней - материаловедческих, опытных ТВС, для наработки изотопов и т.п., причем в потоке быстрых нейтронов, что сейчас на территории Европы практически недоступно. В объеме под спаляционной мишенью так же можно расположить образцы для облучения - здесь спектр излучения похож на то, что будет в будущих термоядерных реакторах (например DEMO). Снаружи активной зоны имеются так же полости для получения ядерно-легированного кремния. Высота АЗ - 2000 мм, высота топливного столба 600 мм, диаметр ~1700 мм.
Картограмма загрузки АЗ. Кружками обведены ячейки, доступные для расположения мишеней и образцов.
Шестиугольные ТВС диаметром 105 мм набраны из 127 тонких твэлов (внешний диаметр 6.55 мм, стенка 0.45 мм) с МОКС топливом и оболочкой из стали “15-15 Ti” (видимо аналог нержавеющей стали ~20Н15Х15Т).
Активная зона охлаждается теплоносителем, идущем сверху вниз на скорости 2 м/с общим расходом 13100 кг/с. После АЗ теплоноситель подогревается с 275 до 325 С и накачивается двумя циркуляционными насосами в теплообменники, где охлаждается водой и возвращается в АЗ. Тепло от воды, в свою очередь, будет сбрасываться на вентиляторных градирнях.
Возможности MYRRHA как исследовательского реактора. Характеристики только чуточку слабее МБИР.
Интересно, что в ходе разработки размер АЗ (и количество ТВС) был увеличен, как и расход теплоносителя, а вот подогрев теплоносителя снизился с 140 С до 50С - не все так просто оказывается в разработке быстрых свинцово-висмутовых реакторов.
Прямо по центру АЗ расположена спаляционная мишень (серое). Красная труба с полукруглым окончанием - окончание ускорительной части в реакторе.
Проект MYRRHA отличается уникальной перегрузочной машиной (а точнее сразу двумя, обслуживающими по половине АЗ) - это “подсвинцовый” манипулятор, который будет извлекать ТВС из АЗ снизу и переставлять их во внутрикорпусное хранилище (где они будут остывать 1,5-2 года), а так же отправлять в элеватор остывшие ТВС и загружать в АЗ свежие. Уникальность этого робота в том, что работая фактически вслепую в жидком сплаве висмута-свинца при температуре 300 С он должен иметь достаточно высокую надежность и точность.
Разнообразные варианты перегрузочный манипуляторов.
При этом все приводы и датчики этого манипулятора можно расположить только сверху, над уровнем теплоносителя, а положение эффектора должно передаваться вниз только механическим способом. На такие безумства заставляет идти наличие сверху вакуумной трубы ускорителя, отсоединение-подсоединение которой к мишени в центре АЗ на время перегрузок почему-то показалось разработчикам сложнее, чем эти роботы.
Анимация работы "подсвинцовой" перегрузочной машины.
В итоге в ходе проработки разных кинетических схем была выбрана простейшая, с минимумом вращающихся соединений внизу.
Разработку перегрузочных машин ведет фирма Oxford Technologies, знакомая нам по нескольким робототехническим системам ИТЭР. Кроме того, что бы не работать совсем в слепую и для поиска и нахождения всякого мусора, который будет всплывать к нижней решетке активной зоне (в свинце-висмуте прекрасно плавает даже сталь) будет разработана сонар-визор для визуализации обстановки. Для натриевых реакторов такие камеры уже существуют, однако для свинца-висмута были обнаружены существенные неоднородности в скорости распространения ультразвука в среде, связанные с температурой и микрогетерогенностями, так что задачка разработки рабочей перегрузочной машины весьма непроста.
Кстати, в проекте хотят роботизировать и работу в реакторном зале на мощности. Сомнительная затея, хотя причины понятны (возможный уход луча ускорителя на стенки может дать мгновенную смертельную дозу находящимся в помещении). Забавно видеть JETовских роботов тут.
Следующая передовая разработка в этом проекте - линейный ускоритель (ЛИНАК) протонов. На сегодняшний день в мире существует только два ускорителя протонов, способных выдавать среднюю мощность больше 1 мегаватта - это нейтронные спалляционные источники PSI и SNS. И строится еще один такой источник - ESS.
Карта существующих ускорителей в координатах "мощность - энергия". И да, БАК действительно имеет ускоряющую мощность меньше 1 мегаватта.
Ускоритель MYRRHA средней мощностью в 2,4 мегаватта будет вторым в мире по этому показателю. Причем здесь не только высокая мощность но и высокий (для протонных ускорителей) ток. Кроме того, ЛИНАК должен работать в непрерывном, а не импульсном режиме, что у уменьшает возможности по перекалибровке систем между импульсами.
Различные графики, показывающие причину выбора именно 600 МэВ - лучший кпд по выходу нейтронов, меньше проблемы с плотностью энергии на мишени при чуть большей цене.
Проблемой для разработчиков является и необходимость удерживать луч протонов на мишени, которая представляет собой просто одну пустую ячейку, заполненную движущейся свинцово-висмутовой эвтектикой - решение, кстати, похожее на источник SNS, где спалляция происходит в потоке ртути. Для уменьшения проблем с кавитацией и вскипанием расплава луч диаметром в сантиметр будет развертываться по кругу диаметром 6 см. Для того, что бы не повредить реактор, этот луч должен очень стабильно оставаться на мишени, со стабильностью, превосходящей сегодняшние показатели линейных ускорителей в 50 раз.
Кроме того, необходимо повысить и общую надежность этой машины - с характерных сегодня десятков часов между остановками до (в идеале) 2160 часов, т.е. 90 дней - запланированных сессий работы реактора MYRRHA на мощности. Напомню тут, что MYRRHA - это не только опытный ADS, но и прежде всего исследовательский реактор, который решает задачи внешних заказчиков и постоянные остановки на починку ускорителя вызовут множество проблем (заодно похоронив идею ADS).
Два инжектора, переходящие в основную секцию ускорителя
Поэтому дизайн ЛИНАКа довольно необычен. Он начинается с двух параллельных инжекторов протонов, один из которых всегда будет работать в горячем резерве. Используя три разные секции радиочастотных резонаторов, последняя из которых сверхпроводящая, на длине 19 метров они ускоряют протоны с начальных 30 КэВ до 17 МэВ. Далее луч с одного из инжекторов отправляется в основную секцию сверхпроводящего ЛИНАКа, а со второго попадает в мишень, где благополучно рассеивается.
Схема инжектора, с использованием 3 различных технологий ускорения.
ЛИНАК состоит из более чем 140 сверхпроводящих резонаторов, передающих энергию электромагнитного поля протонам. Его длина - около 250 метров, температура ниобиевых элементов - 2К. Для решения задачи общей надежности эта часть спроектирована так, что при отказе любого из криомодулей поломанный и остальные за ~2 секунды перенастраиваются так, что бы протонный луч просто пролетал отказавший модуль и ускорялся остальными. Эта идея реализуется с помощью специальной магнитной оптики и введения быстрых механических систем (с пьезоактуаторами), которые перемещают резонаторы по криомодулям.
Прототип резонатора типа RFQ, обеспечивающих ускорение с 30 КэВ до 1,7 МэВ.
Второй по ходу тип резонаторов инжектора - нормально проводящие CH-cavity.
3D модель сверхпроводящих резонаторов основной линии ускорителя MYRRHA.
Сборка из двух радиочастотных транзисторов по 850 Ватт - прототип для модульного усилителя на 32 КВт
Интересная особенность отчета программы разработки аванпроекта ускорителя MYRRHA - это замечание о том, что в самом проекте мало “ускорительщиков”, а расписание проекта “слишком сжато”. Т.е. даже в очень небольшом исследовательском ADS-реакторе ускорительная часть вызывает большие затруднения, требующие многолетних разработок. Что же будет, когда понадобится как минимум 30-мегаваттный ускоритель для полномасштабного энергоблока?
Текущий график строительства идет очень далеко - еще недавно в планах был 2023-2024 год, как начало работы, но разработка ускорителя отодвигает эту дату еще на 6-7 лет.
Подводя итог, хочется сказать, что ADS сегодня выглядит довольно тяжелым и сложным решением. Но, несмотря на неоднозначность технологии, ей занимаются не только в Европе, но и в Китае, возможно из-за косвенной отдачи - это позволяет тянуть целые пласты прикладной науки (как по реакторам, так и по ускорителям), попутно получая реалистичную оценку стоимости одной из веток ядерных технологий.