Источник нейтронов, основанный на подкритической сборке, управляемой линейным ускорителем электронов

 

3. Ядерное топливо

В активной зоне подкритической сборки ИЯУ используется стандартное ядерное топливо в виде тепловыделяющих сборок (ТВС) типа ВВР-М2, которые имеют сертификат качества. ТВС ВВР-М2 изготавливает Новосибирский завод химических концентратов и поставляется АО “ТВЭЛ”, Россия.

Конструкция используемой ТВС ВВР-М2 и её основные геометрические размеры приведены на Рис. 1.2-1. Основные технические характеристики ТВС приведены в Табл. 1.2-4.

Тепловыделяющая сборка состоит из трёх тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ'ов) трубчатой формы: двух коаксиальных трубок  цилиндрической формы и одной – шестигранной. Обогащённый уран (обогащение 19,7%) в виде диоксида UO₂ дисперсно распределён в алюминиевой матрице ТВЭЛ'ов, толщиной 1 мм. Для предотвращения попадания продуктов деления урана в теплоноситель, поверхности тепловыделяющих элементов покрыты защитным слоем алюминия, толщиной 0,5 мм (Рис. 1.2-1).

 

Рис. 1.2-1 Тепловыделяющая сборка ВВР-М2

 

Табл. 1.2-4 Характеристики топлива и ТВС ВВР – М2

№	Параметр	Ед. изм.	ВВР-М2
1	Общая длина ТВС	мм	750±2
2	Размер «под ключ» головки ТВС	мм	35-0.05-0.15
3	Количество твэлов в ТВС	шт	3
4	Тип твэлов		трехслойный,
5	Размер «под ключ» шестигранника  внешнего твэла	мм	32±0.15
6	Диаметр второго твэла, наружный		22.0±0.15
7	Диаметр третьего твэла, наружный		11.0±0.15
8	Толщина стенки трубчатой части твэла	мм	2.5+0.15-0.20
9	Толщина оболочки в твэлах (с обеих  сторон)	мм	0.5 минимум
10	Материал оболочки		САВ-1 *
11	Тип топлива: дисперсионное		металлокерамика Al-U сплав;UO2 в Al матрице
12	Длина топливной части в твэлах	мм	500+20-30
13	Толщина топливного слоя в твэлах	мм	1.0
14	Относительная неравномерность распределения  урана в активной зоне на каждые150 мм длины от центра топливной части для остальной части длины		не более, чем 1.15 не более чем 1.3
15	Обогащение топливного материала U235	%	19.7±0.3
16	Содержание U235 в ТВС: для топлива U - Al для UO2 в Al матрице	г	41.7±2.1 51.7±2.1
17	Содержание U238+ U235 в ТВС: для топлива U - Al для UO2 в Al матрице	г	208.5±10.5 271.0±14.3
18	Удельное содержание суммы изотопов урана 235 и 238 в единице объема, занятого топливом: для топлива U - Al при топливе UO2 в Al матрице	г/см3	2.19±0.11 2.85±0.15
19	Общая масса ТВС	кг	1.0+0.1
20	Содержание урана 235 в единице  объема активной зоны	г/л	78.4
21	Поверхность теплосъема в единице  объема активной зоны	см2/см3	3.67
22	Площадь ячейки реактора для одиночной ТВС	cм2	10.61
23	Доля объема, занятого водой		0.542
24	Объем, занятый в ТВС топливом	см3	95.09
25	Площадь проходного сечения ТВС	см2	5.84
26	Толщина зазора между ТВС	мм	3.0
27	Шаг расположения ТВС	мм	35

 

4. Описание принципиальной технологической схемы установки

Схема размещения источника нейтронов, основанного на подкритической сборке, управляемой электронным линейным ускорителем представлена на Рис. 1.2-2.

Линейный ускоритель располагается в здании бывшего ускорителя ЛУЭ-2000 (1, Рис. 1.2-2). Пучок электронов транспортируется от ускорителя через канал транспортировки (2, Рис. 1.2-2) к подкритической сборке (3, Рис. 1.2-2). Подкритическая сборка сооружается в зале источника нейтронов размером 24х36 м² нового здания, примыкающего к зданию ускорителя. Здание источника нейтронов содержит все элементы подкритической сборки, нейтронные каналы, нейтронные станции и вспомогательные системы. В 3-х этажной части здания источника нейтронов (5, Рис. 1.2-2) размещаются пультовая, экспресс лаборатории, все системы жизнеобеспечения подкритической сборки.

Радиальный размер биологической  защиты из тяжелого бетона плотностью 4.6 г/см³ равен 1.8 м. В биологической защите имеются выводные нейтронные каналы (4, Рис. 1.2-2), которые можно использовать для различных применений. Нейтронные каналы имеют биологическую защиту из тяжелого бетона и стальных ключевых блоков, которые содержат вакуумированные нейтронные каналы и нейтроноводы. Эти каналы подводят нейтроны к исследовательским станциям, которые имеют собственную биологическую защиту. Каждый канал заканчивается поглотителем неиспользованных нейтронов с соответствующей биологической защитой. Некоторые нейтронные станции имеют внутренние нейтронные стопперы.

Рис. 1.2-2 Схема размещения источника нейтронов.

1 – линейный  ускоритель, 2 – канал транспортировки  электронного пучка, 3 – подкритическая  сборка, 4 – нейтронные каналы, 5 –  здание экспресс лабораторий.

 

Схема размещения оборудования подкритической сборки и экспериментального оборудования нейтронных каналов представлена на Рис. 1.2-3.

Рис. 1.2-3 Расположение оборудования подкритической сборки.

 

Механизм загрузки спроектирован  таким образом, чтобы загружать  и перезагружать ТВС, элементы охладителя и экспериментальные образцы  без открытия биологической защиты или большой перестановки других компонент подкритической сборки. Механизмы захвата и перемещения имеют все необходимые степени свободы движения, включая открытие, закрытие, подъем, опускание вращения захватываемых частей подкритической сборки.

Компоненты подкритической сборки и исследуемые образцы устанавливаются  и извлекаются с использованием изолирующего «пенала». Этот пенал предохраняет попадание в экспериментальный зал охлаждающей воды и обеспечивает биологическую защиту обслуживающего персонала.

Рис. 1.2-4 показывает внутренние компоненты подкритической сборки. Все элементы активной зоны подкритической сборки – тепловыделяющие сборки, призмы графитового отражателя устанавливаются в решетке.

В экспериментальном зале необходимо поддерживать давление воздуха несколько  ниже, чем атмосферное, чтобы обеспечить приток воздухе извне.

Воздух из экспериментального зала через вентиляционные воздуховоды  направляется на фильтры для очистки воздуха от загрязнений.

Чтобы исключить циркуляцию воздуха  из пространства внутри биологической  защиты подкритической сборки в экспериментальный зал давление воздуха над подкритической  должно поддерживаться несколько ниже, чем в экспериментальном зале. Вытяжная вентиляция оборудуется фильтрами в том числе и для сбора охлаждающей воды, чтобы минимизировать потери охладителя.

Система кондиционирования и отопления  контролирует температуру и влажность  в экспериментальном зале.

 

Рис. 1.2-4 Устройство внутренней части подкритической сборки.

 

Датчики радиационного мониторинга и мониторы контроля чистоты воздуха устанавливаются в различных местах экспериментального зала. Рефрижератор с рабочей температурой 4.2⁰ К и мощностью ~ 150 Вт обеспечивает работу установки. Вакуумированные линии подачи криогенных жидкостей и линии возврата рабочих газов (гелий, водород и др.) проложены по экспериментальному залу и внутрь подкритической сборки. Для обеспечения работы с гелием газгольдеры и резервуары для хранения гелия, водорода и инертных газов размещаются рядом со зданием подкритической сборки.

Для оперативного обслуживания экспериментальных  исследований на подкритической сборке предусмотрено несколько инструментальных станков.

Подъемный кран с грузоподъемностью 50 т необходим в экспериментальном зале для монтажа основных элементов биологической защиты, а кран с грузоподъемностью 10 т для монтажа более легких элементов всей установки.

Хранилище отработанного ядерного топлива располагается в зале подкритической сборки. Глубина водяного бассейна в комбинации с крышкой  должны обеспечить биологическую защиту хранилища отработанного топлива. Облученные нейтронообразующие мишени также хранятся в этом бассейне.

Конструкция грузоподъемного крана  обеспечивает проведение работ с отработанным топливом и нейтронообразующей мишенью в хранилище отработанного топлива.

Перчаточные боксы, оборудованные  соответствующими системами вентиляции и фильтрации, необходимы для работы с медицинскими радиоизотопами и  изготовления различных активных образцов. Оборудование по приготовлению образцов должно включать прессы, весы, печи, стандартное лабораторное оборудование и химические препараты.

Здание  подкритической сборки необходимо оборудовать  шлюзом и краном для загрузки оборудования и накопительной площадкой для хранения редко используемого оборудования.

Распределительные каналы для электропитания проложены в полу и разведены по различным потребителям.

В здании подкритической сборки размещены системы охлаждения мишени и подкритической сборки, водопроводные горячая и холодная вода для бытового использования, системы охлаждения оборудования нейтронных станций и обеспечения санпропускника.

Системы охлаждения нейтронообразующей мишени и подкритической сборки показаны на Рис. 1.2-5 и Рис. 1.2-6 соответственно.

Рис. 1.2-5 Система охлаждения нейтронообразующей мишени.

 

 

Рис. 1.2-6 Система охлаждения подкритической сборки.

 

3. Контроль подкритичности установки

Для обеспечения безопасной эксплуатации ядерных установок, управляемых ускорителями необходимо обеспечить не только контроль радиационного фона на установке, но и постоянный мониторинг коэффициента подкритичности. Для этой цели в источнике нейтронов, основанном на подкритической сборке, управляемой линейным ускорителем электронов используется два независимых метода контроля: метод Фейнмана (Feynman-alpha) и метод Росси (Rossi-alpha).

В методе Фейнмана измеряется нейтронный поток с изменяющейся длительностью  стробирующего импульса, что позволяет определять относительное изменение выхода нейтронов во времени и пересчитать коэффициент подкритичности.

Метод Росси позволяет постоянно  проводить прямое измерение коэффициента подкритичности путем измерения  нейтронного потока и его последующего анализа.

Оба метода были разработаны для  стационарных подкритических сборок со стационарным радиоактивным источником нейтронов, а затем были модифицированы для возможности их применения в  импульсных источниках нейтронов, каким  является установка источника нейтронов, основанная на подкритической сборке, управляемой линейным ускорителем.

Таким образом, оба метода будут  использоваться как при монтаже  и наладке установки путем  расположения стационарного источника  нейтронов на месте нейтронообразующей мишени, так и при ее регулярной эксплуатации.

Концептуальная и теоретическая  часть обоих методов хорошо разработана  и общепринята на установках такого типа [1].

Так как метод Росси позволяет  проводить прямые непрерывные измерения коэффициента подкритичности, он будет использован в качестве основного метода мониторинга. Метод Фейнмана рассматривается как контрольный.

В основу метода Росси положена формула  Росси-альфа, полученная для подкритических систем, управляемых нейтронным импульсом. Формализм позволяет проводить анализ измерений для различной формы управляющего импульса. В качестве аналога подобной системы мониторинга можно привести систему измерения коэффициента размножения нейтронов на Критической Сборке Университета Киото (KUCA) Института Ядерных Реакторов Университета Киото (Япония), где она функционирует с 2005 года.

При использовании метода Росси  минимальное время измерений  составляет ~ 10-20 мсек.

В качестве постоянного источника  нейтронов будет использоваться изотопный источник. В изотопных источниках нейтроны получаются либо в результате спонтанного деления (²⁵²Cf), либо в результате ядерных реакций. В качестве источников альфа-частиц нейтронных источников используются альфа-активные изотопы ²¹⁰Po, ²²⁶Ra, ²³⁹Pu, ²⁴¹Am. Интенсивность потока нейтронов от изотопных источников ограничена активностью препарата и обычно заметно меньше 10⁸ нейтронов в секунду.

Регистрация нейтронного излучения  будет проводиться сцинтилляционными  детекторами на основе стекол. Разработанные  в УГТУ-УПИ (Екатеринбург, Россия) стекла на основе цирконосиликатов и беррилиевых фосфатов отличаются повышенной радиационной стойкостью и световыходом. В качестве альтернативы можно рассматривать более технологичные стекла, разработанные в НИТИОМ ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова (Санк-Петербург, Россия) на базе литиевого силикатного стекла с церием, обладающие повышенной чувствительностью к нейтронам. При содержании Li2O на уровне 22.5mol.% стекло имеет световыход с максимумом спектра радио-люминесценции 3.2 eV, в 1.8 раза превышающий световыход принятых за эталон стекол NE-905.

В большинстве реакторов очень трудно измерить поток нейтронов в активной зоне во время работы реактора. Для контроля и регулирования детекторы нейтронов размещают вне активной зоны - в отражателе или даже за отражателем в биологической защите.

 

 

 

 

 

2. Принципы обеспечения безопасности

1. Анализ соответствия требованиям НТД

Проектируемая установка является первой подкритической установкой такого типа в Украине. Имеющиеся подкритические сборки были спроектированы в соответствии с требованиями [2], разработанными еще в Советском Союзе более 30 лет назад. В настоящее время ведется подготовительная работа по анализу и дальнейшему пересмотру этого документа с учетом требований МАГАТЭ и мирового опыта, в частности опыта Российской федерации, где проведена значительная работа по пересмотру устаревших НТД. Требования к выполнению обоснования ядерной и радиационной безопасности подкритических установок в РФ регламентируется следующими документами: