Наработка 238Pu в США - экспериментальная программа

Форум Контакты RSS		ENGLISH

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 01.09.2019

В феврале 2019 года в Ричланде (США) прошла конференция американского ядерного общества, посвящённая различным вопросам применения ядерных технологий в космосе.

Один из докладов (авторы - J.L.McDuffee и др.) был посвящён вопросам разработки нептуниевых мишеней для наработки пдутония-238.

Выбор материала мишени

Для наработки ²³⁸Pu - изотопа, активно применяющегося в космических радиоизотопных генераторах - в Окриджской национальной лаборатории (США) применяются керметные мишени (таблетки) из NpO₂-алюминия.

Первыми в США такую технологию освоили на комплексе "Саванна-Ривер", и там же был накоплен значительный технологический опыт.

К преимуществам использования керамических мишеней относится их высокая теплопроводность, что позволяет поддерживать более низкую температуру при облучении мишени, а также упрощает процесс удаления химическими способами алюминия.

Недостатком таких мишеней считается низкая температура плавления алюминия по сравнению с температурой плавления диоксида нептуния. На практике это приводит к ограничениям по загрузке нептуния в мишень. Кроме того, с удаляемым алюминием необходимо обращаться как с радиоактивными отходами, а это приводит к дополнительным финансовым затратам.

Авторы доклада остановились на исследованиях по применению мишеней из чистого NpO₂. Переход на такие мишени позволит увеличить наработку плутония-238 и сократит объёмы РАО, однако потребуется устранить технические сложности, связанные с низкой теплопроводностью и высокой теплопроизводительностью диоксида нептуния

Работы, о которых было рассказано в докладе, включали в себя как теоретическую подготовку, так и практическую часть - облучение мишеней на реакторе HFIR. Кроме того, как отмечено в докладе, к экспериментальной программе подключится и реактор ATR.

Первый этап

Авторы отмечают, что документальные материалы об опыте облучения таблеток с чистым NpO₂ отсутствуют. Поэтому экспериментальная программа была разбита на два этапа. На первом (Phase I) проект мишени был разработан, исходя из консервативного подхода. На втором этапе (Phase II) часть консерватизма удалось снять по мере набора экспериментальных результатов.

Мишень на первом этапе представляла собой трубку (rodlet assembly) из циркалоя-4, внутрь которой помещались четыре таблетки из NpO₂. Диаметр трубки близок к диаметрам твэлов легководных реакторов.

Нептуниевые таблетки с двух сторон ограничены таблетками из гафния. Нижняя часть трубки заполнена молибденовым вытеснителем, верхняя - пружиной из нержавеющей стали. Контроль температурного режима осуществлялся при помощи melt wire из Ir-40Pt, имеющей хорошо известную температуру плавления. Между нептуниевыми таблетками и оболочкой предусмотрен небольшой зазор.

Для дополнительной защиты мишень помещалась в трубку большего диаметра (capsule assembly), выполненную из алюминиевого сплава. Также были предприняты инженерные меры для недопущения потерей нептуния в случае расплавления таблеток мишени.

Rodlet assembly

Capsule assembly

Нейтронно-физические расчёты мишеней проводились с использованием кодов MCNP и ORIGEN, а также ряда вспомогательных программ. Данные по сечениям брались из файла ENDF/B-VII.1. Расчёты показали значительный градиент тепловыделения по радиусу нептуниевой таблетки - от 50 Вт/г в центральной части до 640 Вт/г на периферии.

Теплофизические расчёты мишеней проводились с использованием ранее полученных экспериментальных данных для чистого NpO₂. Учёт изменения свойств с выгоранием был сделан, опираясь на аналогичные модели для диоксида урана.

Расчётные значения тепловыделения в нептуниевой таблетке
при облучении в реакторе HFIR
на протяжении четырёх кампаний

Всего в рамках первого этапа экспериментальной программы было изготовлено и поставлено в реактор HFIR четыре мишени. Одна из них была извлечена после двух кампаний, две - после трёх кампаний и последняя после четырёх кампаний.

На момент проведения конференции все четыре мишени отстаивались после извлечения из реактора. Авторы уточнили, что для постреакторных исследований мишени в 2019 году будут отправлены в ORNL.

Предполагается, что одну из мишеней вскроют для измерения количества и качества наработанного плутония-238, остальные три будут использованы для изучения таких параметров, как выход газообразных осколков, изменения в микроструктуре таблеток, а также для поиска признаков плавления материала таблеток.

Второй этап

На втором этапе программы исследований были внесены определённые изменения как в конструкцию мишеней, так и в процесс их облучения.

В ходе первого этапа стало понятно, что статическое положение мишеней в реакторе приводит к значительным неравномерностям в накоплении делящихся изотопов и, соответственно, в тепловыделении в таблетках, что на практике означает малые запасы до плавления. Поэтому экспериментаторы попросили разрешения у персонала HFIR вручную поворачивать мишени между кампаниями, подставляя под приходящий поток нейтронов менее выгоревшие её части.

Внешняя трубка (capsule assembly) мишени, введённая на первом этапе по соображениям безопасности и по причине больших неопределённостей в поведении диоксида нептуния под облучением, оказалась ненужной. Более того, её наличие означало присутствие в мишени второго газового зазора, что оборачивалось ростом температур в нептуниевых таблетках. Поэтому на втором этапе внешнюю трубку убрали.

Диаметр нептуниевых таблеток на первом этапе был выбран из диапазона значений диаметров урановых таблеток легководных реакторов, что позволило использовать в конструкции мишени коммерчески доступные циркалоевые трубки.

Однако для наработки плутония-238 желательно использовать нептуниевые таблетки меньших диаметров для снижения температур в таблетках и для упрощения радиохимической переработки таблеток после облучения. Поэтому на втором этапе были задействованы нептуниевые таблетки меньших диаметров - в качестве примера, авторы говорят о таблетке, уменьшенной на 23% по сравнению с первым этапом.

На момент конференции в Ричланде облучательные эксперименты с мишенями второго этапа ещё не были завершены, однако авторы считают, что как минимум с точки зрения температурных режимов их результаты окажутся обнадёживающими.

Ключевые слова: Радиоизотопы, США, Статьи, Нептуний, Плутоний

Другие новости:

Финансирование программы развития ядерных технологий до 2025 года составит 88,5 млрд рублей

Программа стартует в январе 2020 года.

Росатом подал заявку на участие в процедуре выбора стратегического инвестора по проекту АЭС "Белене"

Заявка принята.

Корпус МБИР прошёл гидроиспытания

Далее корпусу реактора предстоит пройти вакуумные испытания и сборку с кожухом.

Герой дня

Янко Янев: надо быть прагматичным реалистом

Прежде всего, я рассматриваю перспективы нашей отрасли с точки зрения наличия компетентности и знаний. Во-вторых, нужно учитывать, существует ли политическое понимание того, что такое атомная энергетика, и знают ли правительства, что им нужно делать, чтобы быть ответственными хозяевами ядерно-энергетического комплекса.

ИНТЕРВЬЮ

Йордан Йорданов
Надеюсь, что мы сможем увидеть своими глазами массовое строительство малых реакторов. Если бы это зависело от меня, то я бы приступил к нему уже сегодня.

МНЕНИЕ

SinoAtom.Ru
Корпорация CNNC, будучи ещё министерством, стояла у истоков китайской атомной программы. Сегодня это корпорация с более чем 60-летним опытом работы в атомной области, она эксплуатирует более 20 блоков АЭС, в её состав входит свыше 100 дочерних фирм и предприятий, а общая численность работников CNNC превышает 140 тысяч.