Игорь Матвеенко: фронт работ для БФС огромный

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 29.10.2015

На вопросы корреспондентов электронного издания AtomInfo.Ru отвечает Игорь МАТВЕЕНКО, советник директора института ядерных реакторов и теплофизики ГНЦ РФ - ФЭИ, экспериментатор-реакторщик, проработавший в ФЭИ более 55 лет.

Игорь Матвеенко, фото ГНЦ РФ - ФЭИ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

И снова о "Нейтронике"

Игорь Павлович, в ФЭИ в сентябре прошла традиционная конференция "Нейтроника-2015"...

Вы правы, проведение "Нейтроники" в нашем институте стало традицией - причём, великолепной традицией. Издавна по осени мы устраиваем "Нейтронику". Раньше она называлась семинаром, теперь её статус повысился до конференции.

На "Нейтронике" всегда можно было подвести итоги работы за год нашего института и смежных организаций, выслушать и обсудить с коллегами новые идеи и достигнутые результаты.

ФЭИ - это комплексный институт. В его структуре в достаточно полной степени представлены все основные области ядерной науки, связанные с созданием новых реакторов.

Это и чисто ядерная физика, эксперименты на ускорителях. Это теплофизика, проблемы съёма тепла в реакторных установках. Это материаловедение, создание новых материалов. Наконец, это чистая "реакторщина" - методы расчёта, оценка нейтронных данных и эксперименты, которые до сих пор остаются жизненно необходимыми для создания новых реакторов.

Естественно, обсуждения, которые проходят на "Нейтронике" и на предшествующей ей "Теплофизике" (сейчас обе конференции объединены в рамках научно-технического форума "Нейтронно-физические и теплофизические проблемы ядерной энергетики"), очень полезны как для работников ФЭИ, так и для наших коллег из других институтов.

Важным моментом для нас становится и проблема передачи знаний. Действительно, основные носители знаний - это сегодня люди почтенного возраста, и нужно обеспечить передачу знаний от них к молодым специалистам. С этой точки зрения, "Нейтроника" является великолепной школой.

Чем отличается "Нейтроника" сегодня от "Нейтроник", проходивших в 90-ые или в нулевые годы?

Формат "Нейтроники" консервативен и меняется медленно. Тем не менее, изменения есть, и они вызваны объективными причинами.

В нейтронике становится меньше новых экспериментов, больший акцент делается на опыт предыдущих экспериментов. Больше появляется данных от обмена информацией с зарубежными организациями. Всё это накладывает, естественно, отпечаток и на работу обнинской конференции.

Что характерно для настоящего времени? Создаются совершенно новые конструкции реакторных установок. Как известно, в нашей стране возник интерес к быстрым реакторам, охлаждаемым ранее не использовавшимися широко теплоносителями - свинец, свинец-висмут.

Появился интерес к новым видам топлива, перспективным для будущих реакторных установок. В России прежде всего это смешанное нитридное топливо, которое пока ещё не реализовано в виде реакторных загрузок.

В других странах есть свои планы. Соединённые Штаты давно работают с металлическим топливом. Таким же путём пытается идти Южная Корея для будущего реактора KALIMER. Большой опыт получен в мире для MOX-топлива - правда, главным образом для тепловых реакторов. У нас такое топливо используется в реакторе БОР-60.

Естественно, на "Нейтронике" все ведущиеся по новым направлениям работы затрагиваются в той или иной степени.

Критстенды БФС

Какую роль в работах над новыми реакторами и видами топлива играет один из наиболее известных стендов ФЭИ - стенд БФС?

Сначала несколько слов о том, что такое БФС. Это установка, в состав которой входят два критических стенда, или реактора нулевой мощности. Они предназначены для проведения циклов исследований нейтронно-физических характеристик моделей новых реакторов, разрабатываемых в России и за рубежом.

Принцип создания моделей на БФС напоминает работу с детскими конструкторами - из мелких деталей собираются большие композиции.

Мы собираем модели из малых по геометрическим размерам дисков, состоящих из различных материалов. В нашем распоряжении есть диски с ядерными материалами, диски с составом теплоносителей, диски с составом конструкционных материалов. Компонуя соответствующим образом диски, мы получаем модели, детально описывающие активные зоны, отражатели и органы СУЗ.

Собранная модель - это критическая сборка, которую мы можем вывести на критику. Получается реактор "нулевой мощности". В кавычках, потому что на самом деле мощность у него есть. Она очень маленькая, на много порядков меньше мощностей в исследовательских реакторах. Тем не менее, она отлична от нуля и достаточна для проведения почти всех нейтронно-физических измерений, которые требуются для подтверждения проектов.

Для чего требуются эти измерения? Дело обстоит следующим образом.

С одной стороны, есть главный конструктор. Приступая к работе над проектом нового реактора, он закладывает погрешности расчётов, которые будет компенсировать соответствующими запасами.

С другой стороны, есть расчётчик. Если реактор значительно отличается от установок, которые были ранее разработаны и построены, то погрешности его расчётов будут, как правило, хуже требуемых для конструктора. В этом случае на помощь расчётчику приходят эксперименты, позволяющие внести необходимые поправки в коды и библиотеки констант.

Критстенд БФС, фото ГНЦ РФ - ФЭИ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Измеряемые характеристики

Какие характеристики можно измерять на БФС?

Естественно, первая характеристика - критичность. Думаю, что пояснений она не требует.

Мы можем также мерить эффективность органов СУЗ. Если расчётчик будет уверен в том, что он считает вес органов с требуемой точностью, то можно сократить объёмы их измерений на построенном реакторе или даже вообще отказаться от них. Кстати, скажу, что для БН-800 погрешность расчётов эффективности органов СУЗ оценивается сейчас как 7%.

Также в наших экспериментах возможно получить профиль энерговыделения по активной зоне, определить горячие точки, где может быть опасность расплавления, и холодные точки с менее эффективным теплосъёмом.

И, конечно, мы можем измерять на БФС различные коэффициенты реактивности. Мы можем определить основные компоненты потери реактивности за кампанию...

Игорь Павлович, а у вас нет таблетки с составом "Осколки деления"? В нейтронно-физических программах иногда используется фиктивный изотоп, имитирующий осколки.

Были и у нас подобные таблетки. Но надо понимать, что изменение реактивности при выгорании происходит не только за счёт накопления продуктов деления, но и за счёт выгорания основных делящихся изотопов, наработки новых делящихся изотопов, и так далее.

Ещё при моделировании выгорания нужно учесть пространственные эффекты - например, тот факт, что накопление плутония и выгорание урана в быстром реакторе происходит по-разному в разных местах активной зоны.

То есть, корректный учёт всех факторов при моделировании эффектов выгорания с помощью критсборки - задача чрезвычайно трудная. Не всё мы можем смоделировать, но, как я уже сказал, мы в состоянии определить основные компоненты потери реактивности за кампанию.

Следующий эффект реактивности - пустотный эффект, который для быстрых реакторов обязательно надо уметь считать с заданной точностью. Пустоты в теплоносителе могут образовываться по самым разным причинам - кипение, захват насосом газа из газовой подушки, течи, и так далее.

Также нужно знать характеристики, связанные с флюенсом быстрых нейтронов.

То есть, фактически вы измеряете на БФС спектр нейтронов?

Более точно я бы выразился так - мы измеряем характеристики жёсткой части спектра нейтронов.

А температурные эффекты реактивности на БФС измерить реально?

Безусловно реально, и мы это делаем. Конечно, измерения проводятся для ограниченного диапазона температур. На практике это выглядит примерно так - мы проводим первое измерение при комнатной температуре, подогреваем образец электрическим нагревателем и выполняем второе измерение.

Что означает "ограниченный диапазон температур"?

При измерении Допплер-эффекта на уране-238 мы нагреваем образец до 500-600°C.

Из других интересных возможностей БФС отмечу следующее. На критстенде БФС-1 мы располагали уникальными инструментами для измерения нейтронных спектров по времени пролёта.

В качестве импульсного источника нейтронов использовался электронный ускоритель. Он позволял разгонять электроны до 30 МэВ, с такой энергией можно организовать необходимый выход нейтронов из мишеней. Была уникальная пролётная база до 400 метров с несколькими регистрирующими станциями по её ходу.

Но честно говоря, в последние годы интерес к экспериментам с временами пролёта упал, поскольку большую часть информации мы получаем сейчас из активационных измерений с фольгами.

Часто спрашивают: "В состоянии ли мы моделировать проплавление активной зоны?". Интерес к этой теме в последние годы возрос. Конечно, в полном виде создать такие модели мы не можем, однако мы способны формировать у себя модели, соответствующие отдельным фрагментам развития аварии с проплавлением. Само по себе это важно, так как позволяет проверять точность расчётов аварийных сценариев.

Сборка моделей на БФС, фото ГНЦ РФ - ФЭИ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Бенчмарки

Кроме экспериментов, нужных для обоснования новых реакторов, наша установка используется для создания бенчмарков.

Что такое бенчмарк? Это сборка простейшей геометрии и состава. Она может требоваться, например, при появлении нового материала - ведь в этом случае первым делом необходимо понять, насколько хороши для него ядерные константы. Также бенчмарк может быть полезен при отработке методических вопросов измерений.

Бенчмарки бывают разных типов. Например, расчётные бенчмарки. В них задаются состав и размеры активной зоны, далее расчётные коллективы определяют с помощью своих кодов и библиотек заданный набор характеристик. Потом результаты сравниваются, и становится ясным, насколько велик их разброс.

В другом варианте бенчмарков в качестве исходных данных используются реальные экспериментальные данные, полученные на реальной установке. В этом случае возможно получить представление о точности расчётов по выбранным коду и библиотеке констант.

Хороший пример нашей работы - изучение нитридного топлива. В составе активной зоны при переходе на нитридное топливо появляется новый элемент, а именно, азот. Для того, чтобы проверить, насколько хороши нейтронные данные по азоту, на БФС был создан бенчмарк.

Мы использовали таблетки с нитридом урана и плутонием. Смоделировали с их помощью зону со смешанным нитридным топливом, причём модель геометрически сделали простейшую, чтобы исключить погрешности расчёта, связанные с посторонними факторами.

Давно был сделан этот бенчмарк?

В прошлом году.

Извините, а почему так поздно? Казалось бы, подобные бенчмарки должны готовиться на самих ранних стадиях изучения новых материалов.

Для создания бенчмарка нам требовалось получить достаточное количество нитрида урана. Что такое "достаточное количество"? Как минимум, это сотни килограмм. Только после этого можно было говорить о бенчмарке.

Вы координировали свои эксперименты по нитриду с работами на БОР-60?

БОР-60 - это исследовательский реактор, у него свой круг задач, отличающийся от нашего. Он позволяет дать ответы на вопросы, связанные с выгоранием, изменением характеристик топлива, и так далее.

Если вы имеете в виду проблему верификации кодов и точности расчётов, то отвечу так. На БОР-60 экспериментальное топливо (в данном случае, нитридное) ставится в малых количествах. Поэтому даже если есть значительные неопределённости в нейтронно-физических данных по новым материалам, на расчёты активной зоны БОР-60 они не влияют.

Насколько переносимы результаты, получаемые на БФС, на реальные установки? Всё-таки ваши модели, собираемые из таблеток, отличаются от настоящих активных зон.

Мы стараемся смоделировать активную зону с максимальной деталировкой. Но да, вы правы - дисками точно смоделировать реальную систему твэлов в теплоносителе очень непросто.

Однако примите, пожалуйста, во внимание, что в жёстком спектре быстрого реактора пробеги нейтронов - это величины порядка сантиметров. А размеры наших дисков...

Например, у плутониевых дисков толщина 2 мм. У урановых тоже не очень большая толщина. Максимальные толщины у дисков, имитирующих теплоноситель - 10 мм. Иными словами, толщины дисков значительно меньше пробегов нейтронов.

Есть проблема гетерогенных поправок, так как материалы в наших моделях располагаются отлично от их расположения в реакторе. Но такие поправки малы. Для основных функционалов, как правило, они составляют доли процента и легко учитываются расчётным путём, что неоднократно было проверено в экспериментах.

На собранной критсборке БФС, фото ГНЦ РФ - ФЭИ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Международное сотрудничество

Игорь Павлович, следующий вопрос о международном сотрудничестве, которое ведётся на БФС. Честно признаёмся, что видели приезжавших к вам французов...

Начну с истории. Раньше всех международное сотрудничество с нами начали именно французские специалисты. У них в Кадараше есть критстенд MASURCA. Сейчас он находится на реконструкции, сроки его пуска называются после 2018 года.

Собственно, только этот стенд и можно назвать сегодня "аналогом" БФС, остальные подобные установки в мире либо закрыты, либо сталкиваются с трудностями, как японский FCA.

Наше взаимодействие с коллегами из Франции началось в 80-ые годы. Мы проводили совместные эксперименты на наших стендах по сравнению методик измерений. К этой работе подключались и японские специалисты.

Франция в данном случае - это Кадараш и, наверняка, Массимо Сальваторес?

Да, Сальваторес был в то время в Кадараше начальником отдела, в состав которого входило несколько реакторов, включая и критстенд MASURCA. У нас с Массимо было много точек соприкосновения, и о взаимодействии с ним и его командой у нас остались хорошие впечатления.

Затем у нас появились значительные количества материалов, которых не было на MASURCA - в первую очередь я имею в виду диоксид нептуния-237. Поэтому по контракту с Францией мы провели эксперименты по моделированию активных зон реактора CAPRA. Был такой проект, предполагалось, что в CAPRA будет организована трансмутация младших актинидов.

Контракт был с комиссариатом или с IRSN?

С комиссариатом, именно с комиссариатом. И взаимодействие с французской стороной с тех пор вышло на серьёзный уровень.

Кроме Франции, у нас были и другие зарубежные партнёры. В начале 90-ых годов мы сотрудничали с Китаем, проводили эксперименты, связанные с моделированием быстрого натриевого реактора CEFR.

Также мы сотрудничали с Южной Кореей. В этой стране есть планы по созданию быстрого натриевого реактора KALIMER с металлическим топливом. Были совместные работы с Индией...

Кстати, а что интересовало индийцев? У них ведь и свои исследовательские установки.

К сожалению, с индийской стороной у нас был не очень большой объём работ. Мы передали им описание и результаты эксперимента по моделированию зон типа БН-600.

В 90-ые годы мы плотно сотрудничали с Японией, в том числе по проблеме утилизации экс-оружейного плутония в реакторе БН-600.

С американцами в 90-ые годы также было много контрактов. Прежде всего, они касались создания систем УКФЗ для ядерных материалов. Тогда в России общая ситуация была сложная, и проведённый с американцами цикл работ оказался для нас полезным.

Из интересных экспериментов отмечу моделирование для американцев возможностей захоронения экс-оружейного плутония в геологических формациях в виде стеклоподобных брёвен. Такие планы у США были, но остались на бумаге.

Мы изучали, может ли возникнуть в подобных системах критичность - моделировали песок, воду, плутоний и другие материалы. Системы эти нигде и никогда в мире детально не изучались, и поэтому точность их расчётов была плохой.

Добавлю ещё, что, кроме прямых контрактов, у нас в своё время был большой объём работ по линии МНТЦ - например, мы передали в центр более десятка описаний критсборок.

Это история, а что мы имеем в наши дни? В этом году на БФС были завершены этапы работ по контракту с Францией по моделированию различных вариантов решений активной зоны реактора ASTRID.

Какие варианты активной зоны ASTRID изучают французы?

В первую очередь их интересовала оптимизация активной зоны с точки зрения величины натриевого пустотного эффекта реактивности (НПЭР), который должен быть по крайней мере неположительным.

Вы знаете, что в БН-800 принято решение организовать натриевую полость. Это один из приемлемых вариантов, но возможны и иные подходы - гетерогенная композиция активной зоны, увеличение утечки нейтронов путём создания в активной зоне подзон различной высоты, и так далее.

С китайцами не хотелось бы продолжить сотрудничество, начатое с программы CEFR?

Объективные предпосылки для этого есть, так как в Китае отсутствует серьёзная экспериментальная база по быстрым реакторам - я имею в виду реакторы нулевой мощности. Мы твёрдо рассчитываем, что сможем продолжить сотрудничество с китайскими коллегами, и уверены, что оно будет взаимовыгодное.

Я встречался с академиком Шу Ми (Xu Mi). Одна из практических задач, которая интересует китайских коллег в ближайшей перспективе - перевод реактора CEFR на MOX-топливо. Пока реактор работает на урановом топливе.

Техническое перевооружение

В заключение разговора хотел бы сказать несколько слов о техническом перевооружении БФС. Нашему критстенду более полувека, на нём было собрано порядка полутора сотен критсборок. Накоплен бесценный экспериментальный материал, но нужно готовиться к новым задачам - а фронт работ видится нам на десятилетия вперёд.

В рамках технического перевооружения БФС мы проведём замену инженерных систем, которые честно отслужили свой срок.

Также необходимо обновить исследовательскую аппаратуру. Это процесс постоянный, что-то уже сделано, но по ряду позиций обновление ещё только предстоит.

Нужно получить и новые материалы для активной зоны. От нас потребуется проведение исследований по реакторам со свинцовым теплоносителем, так как необходимо обосновать как минимум два проекта - БРЕСТ-300 и БРЕСТ-1200. Будут исследования по смешанному нитридному топливу и по реактору БН-1200 с таким топливом.

Следовательно, нам нужно получить как минимум десяток тонн нитрида урана и дополнительное достаточно большое количество плутония для того, чтобы собирать представительные модели.

Вы имеете в виду нитрид плутония?

Нет, а зачем? Нам гораздо удобнее иметь металлический плутоний. Сочетание металлического плутония и нитрида урана даёт нам возможность хорошо моделировать смешанное нитридное топливо.

Кроме того, для моделей потребуется должное количество тяжёлого теплоносителя (свинец и свинец-висмут) в виде дисков. "Должное количество" - это 100-150 тонн каждого из них.

Спасибо, Игорь Павлович, за интересное интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.

Игорь Матвеенко, фото ГНЦ РФ - ФЭИ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Ключевые слова: ФЭИ, БФС, Интервью, Игорь Матвеенко, Статьи

---

Другие новости:

Китай и Великобритания будут сотрудничать при создании плавучей АЭС

Соглашение подписали "Lloyd's Register" и институт в составе CNNC.

В мире действует 440 и строится 66 блоков - PRIS

В Китае седьмой пуск за год.

"TerraPower" заинтересована в ЖСР

Пока в качестве запасного варианта.

---

---

---

---

Поиск по сайту: