В НИЯУ МИФИ (Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ») подходит к концу создание опытного стенда, предназначенного для неразрушающего определения количества урана в новых топливных компактах. Такие элементы нужны для высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР), на базе которого планируется построить атомную энерготехнологическую станцию (АЭТС). Работы ведёт научный коллектив, возглавляемый Татьяной Борисовной Алеевой — доцентом кафедры теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов.
Екатерина Григорьева
Фото: испытательный макет. Источник: пресс-служба НИЯУ МИФИ
Характеристики реактора ВТГР и топливных компактов
Реактор ВТГР имеет тепловую мощность 200 МВт и рассчитан на получение высокопотенциального тепла для крупнотоннажного выпуска водорода; при этом температура гелия на выходе из активной зоны доходит до 850 °C. Пока этот реактор только проектируется, но топливные элементы для него уже изготовлены. Они представляют собой оригинальные графитовые цилиндры диаметром 12,5 мм и высотой 5 см. В объёме компактов равномерно размещены микротвэлы — шарики, внутри которых находятся керны из диоксида урана, заключённые в многослойную керамическую оболочку.
«Одна из главных задач для нас — устанавливать, какое количество урана содержится в партии компактов. Изготовление топлива представляет собой непростую многостадийную инновационную технологию, поэтому диаметры микротвэлов и их число в каждом отдельном компакте варьируются. В одном компакте размещается порядка четырёх тысяч микротвэлов, причём их диаметр меньше миллиметра. Не исключены нехватка микротвэлов или отклонение количества урана в отдельном микротвэле, а обогащение урана и вовсе может не совпадать с заявленным», — разъясняет Татьяна Алеева.
Принцип работы установки: активный нейтронный метод
В основе установки, созданной в МИФИ, лежит активный нейтронный метод. Партию компактов подвергают облучению от внешнего источника нейтронов, и эти нейтроны запускают деление урана. По регистрации нейтронов деления удаётся оценить интенсивность отклика, а значит, и объём урана в партии. Поток нейтронов формируется на экспериментальной установке, в состав которой входят графитовый куб массой примерно 3 тонны и размещённый внутри него плутоний-бериллиевый радиоизотопный источник нейтронов. Нейтроны с жёстким энергетическим спектром (средняя энергия порядка 4,5 МэВ) проходят замедление в графите, после чего оказываются в измерительной полости с компактами, где и протекает реакция вынужденного деления.
Система регистрации и снижение фона
Чтобы регистрировать быстрые нейтроны, над графитовым кубом смонтирован блок детектирования, собранный из гелиевых счётчиков, которые помещены в полиэтиленовый замедлитель. В пространстве между кубом и этим блоком смонтирован кадмиевый экран; он поглощает тепловые нейтроны, идущие от внешнего источника. Благодаря этому фон становится ниже, а соотношение полезного сигнала к фоновым сигналам — лучше.
Относительный характер измерений
«Практически все измерения в наших экспериментах носят относительный характер. Отклик, который мы получаем, сопоставляется с откликом от стандартного образца — уже проверенного и аттестованного. Если в нашей измерительной системе отклик оказывается меньше, чем от эталонного образца, это означает, что урана «не доложили»», — подчёркивает исследовательница.
Подбор материалов и геометрии системы
Как рассказывает Татьяна Алеева, труднее всего при конструировании было верно подобрать материалы и геометрию измерительной системы, а также выбрать источник и определить его положение. С этой целью выполнялись предварительные нейтронно-физические расчёты и экспериментальные исследования.
Значение установки для технологической цепочки
Поскольку микротвэлы уникальны и содержат малое количество урана, измерительные системы должны обладать высокой чувствительностью и точностью. Созданная в МИФИ установка даст возможность контролировать содержание урана в партии свежих топливных компактов до того, как их поместят в тепловыделяющие сборки (ТВС). Это важный этап технологической цепочки изготовления топлива для будущего реактора ВТГР.
Ранее журнал «Химагрегаты» рассказывал о том, как «Уралхиммаш» внедрил гелевый течеискатель в программу неразрушающего контроля своей продукции. Прочитать эту статью можно по ссылке. А также читайте о безопасности реакторов и обращении с отходами.
