Исследовательский реактор в Хальдене: такой же юный, как и 54 года назад. Большой перевод
Проект (исследовательского) реактора Хальден в Норвегии сейчас находится в стадии подготовки к своей следующей трёхлетней международной исследовательской программе, в которой примут участие 20 иностранных представителей.
[Здесь и далее -](здесь и далее - конец октября 2013 г., перевод статьи за авторством Уила Дальримпла (Will Dalrymple), автора журнала Nuclear Engineering International)
Как и реактор Шуз А (Chooz A) во Франции, исследовательский реактор Хальден построен в туннеле внутри скалы (рис. 1 и 2 ).
Рис. 1 - Трехмерная модель реакторного зала в Хальдене
Рис. 2 - Фото реакторного зала
Как и другие самые первые АЭС в мире (он вышел на критичность в июне 1959 (!) года, спустя всего 5 лет после пуска Обнинской АЭС, прим. перев.), реактор имеет необычную конструкцию: это кипящий реактор с естественной циркуляцией. Выделяющееся тепло в ядерной реакции снимается циркулирующей тяжелой водой (вместо обычной воды).
Технические характеристики реактора:
- Максимальная тепловая мощность реактора составляет 25 МВт;
- Максимальная температура теплоносителя составляет 235 °С,
- Максимальное давление теплоносителя составляет 34 бара ( 3,4 МПа).
- Высота активной зоны около 80 см (2 фута ), в ней находится около 300 (сменных) позиций для установки топливных стержней и для экспериментальных стержней. В настоящее время для защиты материала корпуса реактора от радиационного воздействия используются только внутренние 110 позиций:
Рис. 3 - Корпус реактора защищен слоем тяжелой воды (синий), центральные позиции занимают топливные стержни (цвета - зелёный лайм, апельсиновый, голубой, розовый), экспериментальные каналы выделены желтым, фиолетовым, кремовым цветами.
Есть, как правило, около 30 позиций для экспериментов, а остальные позиции занимают сборки стержней (каждая с восемью или девятью топливными стержнями с диоксид-урановым топливом, с 6 % обогащения по U235).
Персонал Хальдена придумал способ, как смоделировать условия первого контура реакторов PWR, BWR и CANDU, используя свой поток нейтронов. Были вмонтированы специальные циркуляционные петли в системе сосудов контроля давления, которая установлена внутри первого контура реактора. В ней установлены испытательные стенды. В этих петлях используются электрические нагреватели и охладители, запорная арматура и система очистки ( рис. 5 ).
Реактор Халден в настоящее время имеет 11 таких стендов.
Стенды состоят из образцов топлива или сырья, прикрепленных к гибкой трубке:
Образцы окружены термопарами (измерение температуры и теплопроводности), расходомерами и датчиками давления (рост внутреннего давления выделяющихся газов в топливе), облицовочными тензометрами (осевое напряжение) и дифференциальным линейным трансформатором напряжения (LVDT : преобразует движение в электрический сигнал с помощью магнита и электромагнитного поля).
В отличие от других исследовательских реакторов , тестовые сборки можно контролировать в режиме он-лайн в ходе экспериментов (их продолжительность варьируется от года до шести лет или более - например, для долгосрочных испытаний нового вида топлива). Более 2000 сигналов от испытательных стендов идут к компьютеру станции с интервалом в 1/2 секунды; необработанные данные сохраняются каждую минуту. Затем они преобразуются в данные, которые вводятся в опытный банк данных топлива каждые 15 минут (каждые 5 минут в 2005-2012; каждую минуту с конца 2013 г. ). Данные из около 600 предыдущих экспериментов доступны в тестовом виде в сети Интернет. Эти данные дополняются после-реакторными испытаниями (PIE) в горячих камерах в штаб-квартире норвежского Института энергетических технологий Кьеллер.
Критически важный для исследования топлива и материалов
Точность моделей и кодов поведения топлива, используемых для регуляторов систем безопасности, основаны на экспериментальных данных. Например, код ENIGMA LWR - это код поведения топлива в легководных реакторах Великобритании. Его данные основаны на эксперименте, проведённом в реакторе Хальден. Центр Хальден производит около 23% от общего количества данных, поддерживающих топливные коды Национальной ядерной лаборатории Великобритании. В некоторых областях (таких, как измерения температуры топлива) доля вклада реактора составляет от 75-80% данных. Как говорят его сотрудники, "...легко получить данные о свойствах материалов без облучения или сделать после-реакторные исследования, но для Хальдена важно получить данные именно о свойствах материалов в натуральном виде (т.е. при облучении материала)!"
Дэвид Фаррант из NNL, Великобритания, называет комплекс Хальден "наиболее важной топливной- и материаловедческой исследовательской лабораторией для реакторов LWR". Великобритания работает совместно с реактором в Хальдене с 1979 года. Ведущие компании, подписавшие в настоящее время соглашение о кооперации, это Национальная ядерная Лаборатория, EDF Energy, регулятор ONR, и Rolls Royce. Следует добавить то, что хотя Великобритания и подписала контракт в поддержку реактора им. Жюля Горовица (находящегося в настоящее время в стадии строительства) в Кадараше, участие в этом проекте не предполагает окончание работы научного сообщества Великобритании и реактора в Хальдене. Учитывая продолжительность времени, необходимую для наработки достоверных данных, Фаррант говорит, что "мы должны работать с реактором в Хальдене ещё, по крайней мере, от 10 до 20 лет".
Годовой бюджет реактора составляет около 800 миллионов рублей (17 млн. евро), финансирование идет по контракту от 14 прямых международных членов и 18 связанных членов из 10 стран (они представляют, в общей сложности, более 100 ядерных организаций по всему миру). Это, в основном, европейские страны плюс Япония, Корея, Россия, Казахстан, ОАЭ и США. Эти члены финансируют совместные проекты исследовательских реакторов, результаты которых доступны для всех стран - так называемые «двусторонние» научно-исследовательские проекты, результаты которых являются открытыми. Эта последняя группа обеспечивает существенную финансовую поддержку проекта: хотя Норвегия не использует коммерческую ядерную энергетику, она обслуживает реактор и со-финансирует на 30% от общего бюджета HRP.
Следующие три года
Нынешняя трехлетняя экспериментальная программа проходит через конец 2014 года и насчитывает 30 уникальных тестов: 22 по топливу и восемь по материалам. Однако, ожидаемый размер бюджета не будет охватывать все из них (есть 23 в программе 2012-2014), наименее популярные должны быть сняты. Исследования в Хальдене делятся по существу на два пучка: тестирование топлива (и материалов) в реакторе, и исследования человеческого фактора в экспериментальных установках. Программа исследований на 2015-17 годы включает в себя расширенные исследования по работоспособности человека в чрезвычайных и аварийных ситуациях, а также делается акцент на управлении в режиме останова и снятия с эксплуатации. Также рассматриваются программные системы надежности, в том числе по разработке программного обеспечения, обеспечения и сертификации.
Топливо и испытания материалов исследования
Неотъемлемый тест, проект IFA- 716, моделирует мощность реактора для изучения порога высвобождения газа при делении, так как это является одним из факторов ограничения производительности. Шесть топливных стержней с различными размерами зёрен и примесей (в том числе опорного стержня с 10 мкм стандартного размера зерна и четырех стержней с большими (50-70 мкм) размерами зёрен, созданных путем добавления оксида хрома или специального спекания) облучают на пороговых значениях или значениях вблизи порога. В этих видах топлива наблюдается эффект большой длины диффузии, который конкурирует с увеличением коэффициента диффузии от примесей . Еще один тип топлива заключен в матрицу из оксида бериллия, чья большая теплопроводность, как ожидается, позволит снизить температуру топлива и выпуск газообразных продуктов деления.
Новый долгосрочный эксперимент для топлива должен начаться в 2015 году - свежее топливо будут постоянно облучать в течение нескольких лет; в качестве кандидатов на топливо - нитрид урана, урановое топливо с оксидом бериллия, урановое топливо с жидким металлом в зазоре, топливо с вариацией радиального размера зерен и топливо с различным уровнем добавок или уровней обогащения.
Топливо с высоким выгоранием поступает от рефабрикации топлива с реальных коммерческих АЭС и изучается в эксперименте IFA- 720. Его неотъемлемой особенностью (опять же, с точки зрения тепловых свойств, газовыделения при делении и механического взаимодействия гранул внутри) изучается в течение стационарных условиях и нарастанием мощности. Этот испытательный стенд содержит трубчатую катушку - вокруг её внешней кромки, которая может находиться под давлением с гелием-3 (сильный поглотитель нейтронов ) для управления мощностью в тесте и так обеспечить большую точность требуемых условий эксперимента. Следующий тест настоящее время готовится будет использовать выгорания топлива ~ 48 МВт*сут/кг UO2 с 8% содержанием (по весу) гадолиния.
Тестирование отдельных эффектовОтдельный эксперимент направлен на создание максимального избыточного давления, которое выдержит стержень, без превышения критериев безопасности. В испытательной установке стоит один стержень с высоким выгоранием (50-70 МВТ*сут/кг UO2 из реактора PWR , BWR или ВВЭР), который помещается в центре сосуда высокого давления в окружении других топливных стержней (для обеспечения локального потока). Температура измеряется с помощью термопары,отверстие под которую пробурено в стержне. Газопровод обеспечивает давление до 600 бар (что на 350 бар выше уровня в реакторе PWR).
Для этого стержня стоят приборы для измерения изменения оболочки - они следят за разрывом и удлинением. Опытные результаты показали, что топливные стержни могут выдержать избыточное давление, превышающее номинальное на 100 бар (10 МПа). Текущие планы по этому проекту включают в себя исследования разных типов тестирования оболочек с разным сопротивлением ползучести: один стержень перекристаллизовывают, один для снятия напряжений отжигу.
Тесты в Хальдене с высоким выгоранием топлива показали тенденцию топлива к разрушению на мелкие кусочки (от десятков до сотен микрон), которые мигрируют только внутри топливного стержня в локальном моделировании. Испытания также показали, что разрыва стержня не произойдет, если остаётся плотный контакт между облицовкой и топливной таблеткой.
Предлагаемый научно-исследовательский проект будет направлен на изучения нагрузок в отработавшем топливе, вызванных долговременным сухим хранением. Большие объёмы топлива, как ожидается, будут переходить с мокрого на сухое хранение без окончательного захоронения в течение ближайших 100 (до 300) лет; организация-оператор хранилища должна быть уверена, что всё то топливо, которое лежит в хранилище, останется в том же состоянии. Тем не менее, в топливных сборках могут возникнуть высокие температуры (до 400 ° С) и высокое напряжение в оболочке при хранении. Вполне возможно, что разрушение оболочки невозможно из-за большой прочности или задержки водой трещин. Хальден предлагает эксперименты в моделировании выдержки контейнера с ОЯТ, а также выполнение ускоренных испытаний. Тем не менее, режим тестирования еще должна быть определен.
Другой эксперимент должен начаться в 2014 (IFA-772). Предполагаемые меры могут:
а) измерить
б) снизить темпы роста трещин
в облученных образцах нержавеющей стали марки 316 , 321 и 304, которые взяты из реального оборудования с электростанций (например, лопатки турбины, перегородки болтов, элементы активной зоны). Эти образцы исследуются приборами в соответствии с реверсивным методом падения потенциала постоянного тока (в этом методе удлинение трещины изменяет сигнал; путем калибровки исследователи смогут точно определить скорость роста трещины). Эта работа может быть использована для изучения влияния изменений в химическом составе воды, например, влияние водорода на химический состав теплоносителя в реакторах BWR. Другие программы испытаний материалов на Хальдене включают в себя исследование зарождения трещин и исследования целостности корпусов высокого давления.
[Здесь и далее -](здесь и далее - конец октября 2013 г., перевод статьи за авторством Уила Дальримпла (Will Dalrymple), автора журнала Nuclear Engineering International)
Как и реактор Шуз А (Chooz A) во Франции, исследовательский реактор Хальден построен в туннеле внутри скалы (рис. 1 и 2 ).
Рис. 1 - Трехмерная модель реакторного зала в Хальдене
Рис. 2 - Фото реакторного зала
Как и другие самые первые АЭС в мире (он вышел на критичность в июне 1959 (!) года, спустя всего 5 лет после пуска Обнинской АЭС, прим. перев.), реактор имеет необычную конструкцию: это кипящий реактор с естественной циркуляцией. Выделяющееся тепло в ядерной реакции снимается циркулирующей тяжелой водой (вместо обычной воды).
Технические характеристики реактора:
- Максимальная тепловая мощность реактора составляет 25 МВт;
- Максимальная температура теплоносителя составляет 235 °С,
- Максимальное давление теплоносителя составляет 34 бара ( 3,4 МПа).
- Высота активной зоны около 80 см (2 фута ), в ней находится около 300 (сменных) позиций для установки топливных стержней и для экспериментальных стержней. В настоящее время для защиты материала корпуса реактора от радиационного воздействия используются только внутренние 110 позиций:
Рис. 3 - Корпус реактора защищен слоем тяжелой воды (синий), центральные позиции занимают топливные стержни (цвета - зелёный лайм, апельсиновый, голубой, розовый), экспериментальные каналы выделены желтым, фиолетовым, кремовым цветами.
Есть, как правило, около 30 позиций для экспериментов, а остальные позиции занимают сборки стержней (каждая с восемью или девятью топливными стержнями с диоксид-урановым топливом, с 6 % обогащения по U235).
Персонал Хальдена придумал способ, как смоделировать условия первого контура реакторов PWR, BWR и CANDU, используя свой поток нейтронов. Были вмонтированы специальные циркуляционные петли в системе сосудов контроля давления, которая установлена внутри первого контура реактора. В ней установлены испытательные стенды. В этих петлях используются электрические нагреватели и охладители, запорная арматура и система очистки ( рис. 5 ).
Реактор Халден в настоящее время имеет 11 таких стендов.
Стенды состоят из образцов топлива или сырья, прикрепленных к гибкой трубке:
Образцы окружены термопарами (измерение температуры и теплопроводности), расходомерами и датчиками давления (рост внутреннего давления выделяющихся газов в топливе), облицовочными тензометрами (осевое напряжение) и дифференциальным линейным трансформатором напряжения (LVDT : преобразует движение в электрический сигнал с помощью магнита и электромагнитного поля).
В отличие от других исследовательских реакторов , тестовые сборки можно контролировать в режиме он-лайн в ходе экспериментов (их продолжительность варьируется от года до шести лет или более - например, для долгосрочных испытаний нового вида топлива). Более 2000 сигналов от испытательных стендов идут к компьютеру станции с интервалом в 1/2 секунды; необработанные данные сохраняются каждую минуту. Затем они преобразуются в данные, которые вводятся в опытный банк данных топлива каждые 15 минут (каждые 5 минут в 2005-2012; каждую минуту с конца 2013 г. ). Данные из около 600 предыдущих экспериментов доступны в тестовом виде в сети Интернет. Эти данные дополняются после-реакторными испытаниями (PIE) в горячих камерах в штаб-квартире норвежского Института энергетических технологий Кьеллер.
Критически важный для исследования топлива и материалов
Точность моделей и кодов поведения топлива, используемых для регуляторов систем безопасности, основаны на экспериментальных данных. Например, код ENIGMA LWR - это код поведения топлива в легководных реакторах Великобритании. Его данные основаны на эксперименте, проведённом в реакторе Хальден. Центр Хальден производит около 23% от общего количества данных, поддерживающих топливные коды Национальной ядерной лаборатории Великобритании. В некоторых областях (таких, как измерения температуры топлива) доля вклада реактора составляет от 75-80% данных. Как говорят его сотрудники, "...легко получить данные о свойствах материалов без облучения или сделать после-реакторные исследования, но для Хальдена важно получить данные именно о свойствах материалов в натуральном виде (т.е. при облучении материала)!"
Дэвид Фаррант из NNL, Великобритания, называет комплекс Хальден "наиболее важной топливной- и материаловедческой исследовательской лабораторией для реакторов LWR". Великобритания работает совместно с реактором в Хальдене с 1979 года. Ведущие компании, подписавшие в настоящее время соглашение о кооперации, это Национальная ядерная Лаборатория, EDF Energy, регулятор ONR, и Rolls Royce. Следует добавить то, что хотя Великобритания и подписала контракт в поддержку реактора им. Жюля Горовица (находящегося в настоящее время в стадии строительства) в Кадараше, участие в этом проекте не предполагает окончание работы научного сообщества Великобритании и реактора в Хальдене. Учитывая продолжительность времени, необходимую для наработки достоверных данных, Фаррант говорит, что "мы должны работать с реактором в Хальдене ещё, по крайней мере, от 10 до 20 лет".
Годовой бюджет реактора составляет около 800 миллионов рублей (17 млн. евро), финансирование идет по контракту от 14 прямых международных членов и 18 связанных членов из 10 стран (они представляют, в общей сложности, более 100 ядерных организаций по всему миру). Это, в основном, европейские страны плюс Япония, Корея, Россия, Казахстан, ОАЭ и США. Эти члены финансируют совместные проекты исследовательских реакторов, результаты которых доступны для всех стран - так называемые «двусторонние» научно-исследовательские проекты, результаты которых являются открытыми. Эта последняя группа обеспечивает существенную финансовую поддержку проекта: хотя Норвегия не использует коммерческую ядерную энергетику, она обслуживает реактор и со-финансирует на 30% от общего бюджета HRP.
Следующие три года
Нынешняя трехлетняя экспериментальная программа проходит через конец 2014 года и насчитывает 30 уникальных тестов: 22 по топливу и восемь по материалам. Однако, ожидаемый размер бюджета не будет охватывать все из них (есть 23 в программе 2012-2014), наименее популярные должны быть сняты. Исследования в Хальдене делятся по существу на два пучка: тестирование топлива (и материалов) в реакторе, и исследования человеческого фактора в экспериментальных установках. Программа исследований на 2015-17 годы включает в себя расширенные исследования по работоспособности человека в чрезвычайных и аварийных ситуациях, а также делается акцент на управлении в режиме останова и снятия с эксплуатации. Также рассматриваются программные системы надежности, в том числе по разработке программного обеспечения, обеспечения и сертификации.
Топливо и испытания материалов исследования
Неотъемлемый тест, проект IFA- 716, моделирует мощность реактора для изучения порога высвобождения газа при делении, так как это является одним из факторов ограничения производительности. Шесть топливных стержней с различными размерами зёрен и примесей (в том числе опорного стержня с 10 мкм стандартного размера зерна и четырех стержней с большими (50-70 мкм) размерами зёрен, созданных путем добавления оксида хрома или специального спекания) облучают на пороговых значениях или значениях вблизи порога. В этих видах топлива наблюдается эффект большой длины диффузии, который конкурирует с увеличением коэффициента диффузии от примесей . Еще один тип топлива заключен в матрицу из оксида бериллия, чья большая теплопроводность, как ожидается, позволит снизить температуру топлива и выпуск газообразных продуктов деления.
Новый долгосрочный эксперимент для топлива должен начаться в 2015 году - свежее топливо будут постоянно облучать в течение нескольких лет; в качестве кандидатов на топливо - нитрид урана, урановое топливо с оксидом бериллия, урановое топливо с жидким металлом в зазоре, топливо с вариацией радиального размера зерен и топливо с различным уровнем добавок или уровней обогащения.
Топливо с высоким выгоранием поступает от рефабрикации топлива с реальных коммерческих АЭС и изучается в эксперименте IFA- 720. Его неотъемлемой особенностью (опять же, с точки зрения тепловых свойств, газовыделения при делении и механического взаимодействия гранул внутри) изучается в течение стационарных условиях и нарастанием мощности. Этот испытательный стенд содержит трубчатую катушку - вокруг её внешней кромки, которая может находиться под давлением с гелием-3 (сильный поглотитель нейтронов ) для управления мощностью в тесте и так обеспечить большую точность требуемых условий эксперимента. Следующий тест настоящее время готовится будет использовать выгорания топлива ~ 48 МВт*сут/кг UO2 с 8% содержанием (по весу) гадолиния.
Тестирование отдельных эффектовОтдельный эксперимент направлен на создание максимального избыточного давления, которое выдержит стержень, без превышения критериев безопасности. В испытательной установке стоит один стержень с высоким выгоранием (50-70 МВТ*сут/кг UO2 из реактора PWR , BWR или ВВЭР), который помещается в центре сосуда высокого давления в окружении других топливных стержней (для обеспечения локального потока). Температура измеряется с помощью термопары,отверстие под которую пробурено в стержне. Газопровод обеспечивает давление до 600 бар (что на 350 бар выше уровня в реакторе PWR).
Для этого стержня стоят приборы для измерения изменения оболочки - они следят за разрывом и удлинением. Опытные результаты показали, что топливные стержни могут выдержать избыточное давление, превышающее номинальное на 100 бар (10 МПа). Текущие планы по этому проекту включают в себя исследования разных типов тестирования оболочек с разным сопротивлением ползучести: один стержень перекристаллизовывают, один для снятия напряжений отжигу.
Тесты в Хальдене с высоким выгоранием топлива показали тенденцию топлива к разрушению на мелкие кусочки (от десятков до сотен микрон), которые мигрируют только внутри топливного стержня в локальном моделировании. Испытания также показали, что разрыва стержня не произойдет, если остаётся плотный контакт между облицовкой и топливной таблеткой.
Предлагаемый научно-исследовательский проект будет направлен на изучения нагрузок в отработавшем топливе, вызванных долговременным сухим хранением. Большие объёмы топлива, как ожидается, будут переходить с мокрого на сухое хранение без окончательного захоронения в течение ближайших 100 (до 300) лет; организация-оператор хранилища должна быть уверена, что всё то топливо, которое лежит в хранилище, останется в том же состоянии. Тем не менее, в топливных сборках могут возникнуть высокие температуры (до 400 ° С) и высокое напряжение в оболочке при хранении. Вполне возможно, что разрушение оболочки невозможно из-за большой прочности или задержки водой трещин. Хальден предлагает эксперименты в моделировании выдержки контейнера с ОЯТ, а также выполнение ускоренных испытаний. Тем не менее, режим тестирования еще должна быть определен.
Другой эксперимент должен начаться в 2014 (IFA-772). Предполагаемые меры могут:
а) измерить
б) снизить темпы роста трещин
в облученных образцах нержавеющей стали марки 316 , 321 и 304, которые взяты из реального оборудования с электростанций (например, лопатки турбины, перегородки болтов, элементы активной зоны). Эти образцы исследуются приборами в соответствии с реверсивным методом падения потенциала постоянного тока (в этом методе удлинение трещины изменяет сигнал; путем калибровки исследователи смогут точно определить скорость роста трещины). Эта работа может быть использована для изучения влияния изменений в химическом составе воды, например, влияние водорода на химический состав теплоносителя в реакторах BWR. Другие программы испытаний материалов на Хальдене включают в себя исследование зарождения трещин и исследования целостности корпусов высокого давления.