Новая ядерная лаборатория Европы - Jules Horowitz Reactor
Как-то раз я рассказывал про реактор МБИР, который начали строить в Димитровграде в этом году, и про ускорительный-термоядерный источник нейтронов IFMIF. Эти установки, объединяет то, что обе они являются прежде всего мощными источниками нейтронов, а задачей лабораторий вокруг них - изучение поведения материи в нейтронном потоке. Разница только в спектре - МБИР дает быстрый делительный спектр нейтронов, а IFMIF - сверхбыстрый термоядерный спектр.
Проектное изображение JHR. Сам реактор (его активная зона) - оранжевый цилиндр в нижней правой трети кадра.
Но интересно, что одновременно в мире строятся еще два рекордно ярких источника нейтронов - реактор Julez Horowiz Reactor (JHR) с тепловым/промежуточным спектром и ускорительный источник ESS с холодным/ультрахолодным спектром.
Рендер комплекса зданий ESS
Сразу 4 мегапроекта! Прежде чем перейти к детальному изучению фишечек сегодняшнего реактора поговорим зачем это надо.
Все четыре установки имеют разную специализацию. IFMIF, как мы помним, это имитация повреждающего воздействия зверских термоядерных нейтронов на конструкционные материалы будущих термоядерных реакторов. А ESS является сверхъярким (в 10 раз более ярким, чем МБИР и в 100 - JHR) источником холодных и ультрахолодных нейтронов, которые будут использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в области физики конденсированных состояний. МБИР в свою очередь - полноценный тестовый стенд для будущих быстрых реакторов, с высокой яркостью и скоростью набора дозы. JHR выполняет такую же роль для будущих реакторов с тепловым спектром - прежде всего водяных.
Проектное изображение корпуса реактора, без активной зоны. Синие трубы - основное охлаждение, розовые - запасное.
Итак, реактор, названный в честь французского ученого и атомного функционера польского происхождения Жюля Хоровица будет весьма передовой лабораторией, которая заменит флот стареющих французских и европейских исследовательских реакторов. Этот комплекс строится в ядерном центре Кадараш, в 2 км. от ИТЭРа.
ИТЭР на переднем плане, а в верху, в центре кадра видна стройка JHR
Основой лаборатории JHR стоимостью в миллиард евро станет реактор тепловой мощностью ~100 мегаватт с плотной активной зоной, окруженной бериллиевым отражателем. Он имеет довольно необычную конфигурацию АЗ, с нерегулярной решеткой с 37 позициями для тепловыделяющих сборок (ТВС), кольцевыми твэлами (ТВС набрана из 8 концентрических цилиндров) и множеством позиций для облучения мишеней и устройств.
Разрез по активной зоне: серое - берилиевый отражатель, оранжевое - облучательные устройства, розовое - теплоноситель, черное - ТВС,
27 поглощающих гафниевых стержня могут вводиться в центр ТВС для управления мощностью и аварийного гашения цепной реакции. Топливом реактора будет служить уран, обогащенный до 20% по 235 изотопу (такое обогащение очень нравится политикам, т.к. не позволяет сделать ядерную бомбу, но снижает максимальный достижимый нейтронный поток.). Эта машина, как и основная масса исследовательских реакторов (ИР) будет работать кампаниями от 30 до 70 дней, останавливаясь на перегрузку, прежде всего облучательных устройств, в которых будут вестись эксперименты.
Все вместе: здание с лабораториями и реактором, корпус реактора, активная зона с отражетелем, сверху справа - ТВС, разрез и целиком.
Охлаждение реактора - принудительная циркуляция воды с давлением в 5-7 атм с температурой в 120 С со сбросом тепла в теплообменник второго контура. Второй контур охлаждается внешней проточной водой.
Строительство здания JHR в 2013 году.
Какие задачи будет решать этот реактор?
Поиск новых материалов с бОльшими допустимыми рабочими температурами и повреждающими дозами. Такие материалы открывают путь к совершенно новым концепциям реакторов, например “реактора-свечи”.
Исследование пределов работоспособности существующих материалов, их ресурсные испытания и поведение в аварийных ситуациях
Облучение опытных топливных композиций и твэлов - исследование химии, физики и конструктива этих новых решений. Фактически на этом реакторе можно исследовать конструктив твэлов для всех существующих реакторов.
Поведение существующего и будущего топлива в аварийных ситуациях.
Исследование в интересах будущих реакторов с неводяным теплоносителем - газовые, жидкометаллические, жидкосолевые петли с погруженными туда элементами активных зон.
Быстрые реакторы - материалы, теплоносители, даже твэлы.
Наработка до ¼ европейской потребности в регулярных изотопах и до 50% “специфических” изотопах.
Ну и разумеется методологическое и метрологическое обеспечение ядерной индустрии - константы, параметры, верификация решений и т.п.
Важнейшей характеристикой ИР является достижимые пределы по нейтронным потокам и температурам для облучаемых устройств и материалов. В этом плане JHR является роскошным универсалом, развивая приличные значения потока тепловых нейтронов в отражателе (6*1014 Н/см2*с) и одновременно быстрых нейтронов (5*1014 Н/см2*с) в центре хитро устроенных ТВС! Подобное умение работать с высокими потоками и тепловых и быстрых нейтронов дорогого стоит - фактически по многим задачам JHR заменяет собой еще один быстрый исследовательский реактор. Весьма широким является и возможный диапазон температур, при котором происходит облучение - от 100 до 1000 С, что позволяет исследовать поведение материалов для перспективных реакторов.
Вторая конфигурация АЗ - с двумя большими петлевыми устройствами, которые позволяют имитировать работу ТВС реактора с неводным теплоносителем.
Хитрая активная зона реактора может широко переконфигурироваться под разные облучательные задачи. Можно поставить два больших петлевых канала со своими теплоносителями, четыре облучательных устройства будет замещать ТВСы, а еще несколько небольших капсул диаметром 32 мм можно будет вставить внутрь других ТВС. Однако при этом снижается нейтронный поток. Если же нужены серьезные дозы, то можно 3 средних облучательных устройства диаметром 92 мм и 7 вставок в ТВС.
Точки в которых возможно облучение образцов и устройств по время работы реактора (зеленые и красные)
Независимо от этой конфигурации в отражателе вокруг АЗ есть 6 позиций в вытеснительных устройствах (о них - ниже) и 10 позиций в отражателе - для наработки изотопов, ядерно-легированного кремния и исследований, не требующих мощных потоков нейтронов и высокой температуры. Большие облучательные устройства в реакторе и отражателе можно подключать к лабораторному оборудованию вне реактора - причем как электрическими соединениями, так и трубопроводами с теплоносителем или для транспортировки какой-то химии извнутри мишени к масс-спектрографам.
Проектное изображение подключения облучательных устройств реактора к внешнему оборудованию
Вытеснительное устройство (слева), график энерговыделения в разном топливе в зависимости от удаления от АЗ и расположение ВУ в отражателе реактора.
Теперь про вытеснительные установки, являющиеся фишкой реактора. Это подвижные конструкции, способные вдвигать и выдвигать облучаемую конструкцию внутрь нейтронного потока. Такой подход позволяет, имитировать реактивносную аварию, например если поток воды каким-то чудом выдавит управляющий стержень из реактора или через реактор пройдет пробка чистого (без борной кислоты) конденсата. Тут же можно моделировать динамические процессы в топливе - разогрев, охлаждение, циклы.
Вид на реактор в рабочей конфигурации сверху. Видно, насколько реактор утыкан эксперементальными устрановками, и для чего сделан отвод теплоносителя вбок.
Герметичное отделение реактора. Виден сам реактор, теплообменники (желтые цилиндры), транспортный бассейн для ОЯТ и облученных устройств.
Тут стоит сделать небольшую остановку и пояснить, что в мире нет реакторов, способных обеспечить одновременно такое разнообразие позиций, большие потоки, и большую производительность по облучательным экспериментам. JHR в этом аспекте действительно выдающаяся машина. Типичная задача оптимизации выглядит так - необходимо обеспечить высокий нейтронный поток, а значит и литровую мощность реактора (для ТВС JHR она составить 600 кВт/литр - в пять раз больше, чем в ВВЭР-1000), при этом использовать как можно меньше воды для охлаждения (что бы повысить жесткость спектра и снизить поглощение нейтронов водой), но при этом не задирать температуру и давление охлаждающей воды по соображениям безопасности. И при этом обеспечить множество конфигураций АЗ с разными вносимыми сюда опытными материалами и конструкциями. Не забыты и горизонтальные каналы для вывода нейтронного и гамма излучения из АЗ - это позволяет делать гаммаграфию и нейтронографию (т.е. просвечивание) как для облученных конструкций, так и для любых других образцов.
Устройство для движения облученного твэла перед гамма-камерой.
Кстати, не менее высокотехнологичными машинами являются облучательные устройства, в которых можно испытывать твэлы на разрушение, изучать радиационную коррозию, проводить трансмутацию минорных актиноидов, исследовать материалы будущих реакторов при высоких температурах и нейтронной радиации и т.д. и т.п. Многие из облучательных устройств имеют инструментацию - т.е. в них установлены датчики, исполнительные механизмы (как вам машина, которая позволяет испытывать на разрыв образцы прямо в реакторе?), клапаны и прочее.
Разнообразные облучательные устройства для имитации аварийных водействий (LORELEI - потеря теплоносителя), изучения радиохимии и физики топлива, трансмутации мишенеий и т.п.
Устройство для исследования твэлов для обычных энергетических реакторов. Позволяет изучать нейтронную физику, растрескивание и другие механические изменения, радиохимию и радиолизную коррозию, термогидравлику и водно-химический режим. Снабжен теплообменником и нагревателями для задания нужного режима теплоносителя.
Однако JHR - это не только реактор. Вокруг него распологаются первоклассные радиохимические лаборатории. Здесь расположены и горячие камеры, которые позволяют исследовать неразрушающим и разрушающим способом облученные мишени, устройства, конструкции, снаряжать радиоактивными нуклидами другие мишени и твэлы.
Реактор (на заднем плане), транспортные бассейны, бассейн выдержки и горячие камеры (зеленые)
Рядом с реактором расположен так же бассейн для хранения облученного топлива, к которому опять же можно подключать датчики и линии для изучения радиохимических изменений в ОЯТ. Наконец отдельные лаборатории нужны для подключения облучательных устройств, находящихся в реакторе, о чем я говорил выше. Находящиеся здесь приборы позволят постоянно изучать химические и физические изменения в облучаемых образцах.
Горячие камеры будут снабжены разнообразным исследовательским оборудованим, в т.ч. ультразвуковыми и рентгеновскими камерами для неразрушающего контроля (оранжевые)
В целом возможности одного JHR тянут на примерно половину возможностей всего парка НИИАР (где сейчас работает 6 реакторов - СМ, МИР, БОР-60, РБТ-10/1, РБТ-6) или других сильных мировых исследовательский центров (того же Кадарааша или Саклай). Начатое в 2007 году строительство уже закончено - идет монтаж оборудования. Совсем скоро - в 2016 году ожидается загрузка топлива и физпуск, с выходом на первую облучательную кампанию в конце 2017.
Возведение здания JHR было закончено в феврале 2015 года.