MegaPower - реактор на тепловых трубах

Владимир Рычин, AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 04.03.2019

Концепция малого реактора "MegaPower", предложенная национальной лабораторией Лос-Аламоса (LANL), появилась на свет относительно недавно, но уже приобрела немало сторонников и последователей.

О своём интересе к ней говорят американские военные, выбирающие реакторные технологии для мобильных АЭС, а компания "Westinghouse" развила идеи Лос-Аламоса в собственный малый проект "eVinci".

Концепция "MegaPower"

Предшественником "MegaPower" можно считать проект "KiloPower", разработанный Лос-Аламосом в партнёрстве с НАСА для нужд американской космической программы. Это был сверхмалый аппарат, в чьи задачи входило работать в автономном режиме на протяженни десятилетий на Луне, на Марсе или на других небесных телах.

Следующим шагом стал перенос концепции "KiloPower" в земные условия с увеличением мощности и со сменой потенциальных заказчиков - вместо космонавтов потребителями стали военные (хотя и гражданские применения не исключались). Так родился проект "MegaPower".

Линейка мощностей, технологий и потребителей.
Рисунок национальной лаборатории Айдахо (INL).
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

В своём исходном виде (2017 год) проект "MegaPower" имел следующие основные характеристики.

Мощность реактора - 5 МВт(т), или 2 МВт(э). Топливо - UO₂ обогащением 19,75%. Кампания реактора - 5 лет или более, выгорание - порядка 1-2%. Спектр нейтронов в реакторе - быстрый.

Активная зона представляет собой монолитную шестигранную структуру из нержавеющей стали "Type 316". Через неё проходят твэлы и тепловые трубы с жидким калием при рабочей температуре 675°C.

Теплоотвод от активной зоны происходит без помощи насосов. Тепловые трубы отводят тепло от монолита за счёт кипения калия, который далее попадает в конденсаторный объём труб, рассчитанный на размещение одного или нескольких теплообменников (то есть, возможно совместное производство электроэнергии и тепла).

Активная зона окружена отражателем из Al₂O₃, в котором расположены 12 барабанов со стержнями СУЗ из карбида бора (обогащён до 90%). Активная высота топлива - примерно 1,5 метра. Внешний диаметр отражателя - примерно 1,5 метра.

Монолит изготавливается из шести идентичных сегментов. При их соединении в центре активной зоны образуется шестигранный в сечении объём, в который вводятся два стержня АЗ.

Концепция "MegaPower".
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Преимущества концепции

Проект "MegaPower" обладает рядом заявленных положительных сторон самого разного характера.

Тепловая труба работает при относительно низком давлении и содержит всего до 100 грамм жидкости в герметично закрытой стальной трубке. Таким образом, использование технологии тепловых труб позволяет решить одну из самых сложных проблем с безопасностью для реакторов II и III поколений, а именно, проблему потери теплоносителя первого контура.

Каждый твэл в активной зоне соседствует с тремя тепловыми трубами. Это было сделано как для эффективности теплоотвода, так и для обеспечения принципа резервирования. В целом по активной зоне число тепловых труб и твэлов соотносится как 1:2.

Для реактора "MegaPower" характерны большие отрицательные температурные коэффициенты в реактивности. Отрицательные вклады в ТКР дают Допплер-эффект, аксиальное удлинение UO₂ за счёт теплового расширения, а также тепловое расширение стального монолита.

Отрицательный температурный эффект позволяет смягчить колебания мощности в переходных режимах.

Управление реактором при нормальной эксплуатации и при отклонении от неё достаточно простое, чему способствуют большая отрицательная обратная связь по реактивности (-0,2 цента на градус), малый запас реактивности на начало кампании (2,88 доллара), применение барабанов для стержней СУЗ и относительно высокая бета-эффективная урана-235 (0,0073).

К преимуществам также можно отнести использование оксидного топлива с обогащением 19,75%, которое в США планируется сделать доступным для коммерческого использования.

Слабые места

Разработанная в Лос-Аламосе концепция "MegaPower" в 2017 году была тщательно проанализирована в другой национальной лаборатории, в Айдахо.

При этом использовался метод PIRT (Phenomena Identification and Ranking Table, идентификация и ранжирование процессов и явлений), позволяющий идентифицировать и ранжировать по приоритетам процессы и явления, при которых важные для безопасности компоненты и системы должны выполнять соответствующие их назначению функции безопасности.

Анализ вскрыл ряд существенных недостатков проекта.

Каждая из тепловых труб в состоянии отвести от активной зоны примерно 4 кВт тепловой энергии. Для реактора мощностью 5 МВт(т), по расчётам Айдахо, потребуется установить 1224 тепловые трубы, проходящие сквозь стальной монолит.

Просверлить такое количество дыр в стальном 1,5-метровом монолите с заданной точностью 1 мм современный заводской уровень не позволяет. В проекте придётся учесть возможности заводов, а это приведёт к потерям в запасе реактивности, что, в свою очередь, придётся компенсировать либо увеличением размеров активной зоны, либо увеличением загрузки урана.

Другой вариант решения этой проблемы, предложенный в Айдахо - собирать монолит из стальных пластин с предварительно просверленными отверстиями, причём использовать для сборки метод горячего изостатического прессования (HIP-process).

Этим трудности изготовления не исчерпываются. Монолит с тепловыми трубами представляет собой интегрированную структуру. Любая ошибка при изготовлении чревата тем, что монолит будет отбракован целиком. А ошибки обязательно будут - например, при сварке тепловых труб.

Но даже если ошибку заводчан признают несущественной, она может дорого обойтись при работе и то и при пуске реактора. Запас реактивности очень мал и, например, незначительные на первый взгляд отклонения в решётке труб могут оказаться для него смертельными.

Более того, одни только неопределённости в знании сечений урана-235 в быстрой области спектра дают погрешности в расчётах критичности, сравнимые с начальным запасом реактивности.

Не всё будет просто и в эксплуатации. Так, отказ одной тепловой трубы способен создать в монолите термические напряжения, превышающие предельные значения, прописанные в стандартах ASME.

Отдельный вопрос - живучесть монолита при сейсмических событиях. В проекте Лос-Аламоса, монолит расположен горизонтально, и большая часть веса активной зоны поддерживается его паутинной структурой (толщина стали между тепловыми трубами и твэлами - 1 мм, между твэлами - 1,75 мм). Нет чёткого понимания, как такая структура поведёт себя при сейсмической нагрузке, а также как возможное при этом изменение геометрии повлияет на реактивность.

Наконец, серьёзным недостатком проекта следует считать отсутствие должной защиты в глубину. Единственными барьерами между топливом и окружающей средой выступают паутинная структура монолита и тепловые трубы. Возможные отказы в них откроют пути для выхода осколков деления наружу.

Национальная лаборатория Айдахо не только выполнила анализ проекта "MegaPower", но и предложила два разработанных на его основе собственных варианта, в том числе вариант с твэлами, покрытыми оболочкой (в исходном варианте оболочки у твэла отсутствуют). Но и эти проекты пока остаются на концептуальном уровне проработки.

Ключевые слова: Малая энергетика, США, Статьи, Владимир Рычин

---

Другие новости:

В мире статус действующего имеют 450 блоков, статус строящихся 55 блоков - PRIS

Учтено закрытие трёх японских блоков в 2018 году.

Первый бетон на "Zhangzhou-1" - 30 июня 2019 года

На блоке будет установлен "Дракон" мощностью 1212 МВт(э).

Топливо загружено на блоке №2 Нововоронежской АЭС-2

Загрузка полностью завершена 24 февраля в 13:18 (мск).

---

---

---

---

Поиск по сайту: