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.Коптелов 1, Л.В.Кравчук 1, С.Марков 2, В.А.Матвеев 1, П.Павлопулос 3, Л.И.Пономарев 4, С.Ф.Сидоркин 1

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 (K eff = 0.95)

Основные характеристики установки Линейный ускоритель: cредний ток – mA с энергией протонов – МэВ Мишень: W (U) с водяным охлаждением Бланкет: на основе обогащенного уран (Np, Am) мощностью до 5 МВт, теплоноситель - H 2 O, 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

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 ~ 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 МэВ при токе 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 м 3 /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 m

Фотография нейтронного комплекса

Схема второго свободного бокса для ADS H = 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 = m D = m Placement (room) above shield with removable housetop (reinforced concrete plates) ~2m~2m

Average power of research ADS depend upon proton current – I P, multiplication coefficient - K m, proton energy – E P and type of target. Average Proton Current (μА) Multipli- cation coefficient K m 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 / / / / / / / / / / / / / / / 4.1

4 5 Beam 175 mm D1500 mm D max 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.

Мишени В 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 D 320 mm abc

Возможная схема перегрузки a b

Расчетный спектр нейтронов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ БЛАНКЕТА Низкое содержание 238 U 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 PuO 2 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.

Безопасность При 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