Энергетика

Может ли оболочка ТВЭЛа из карбида кремния повысить безопасность и производительность?

07.07.2020
Рубрика: Энергетика

Обсудить на форуме

Информация предоставлена: ЭНЕРГОСМИ.РУ

Время чтения ≈ 12 мин
10039

Забота общественности о безопасности атомных станций побуждает к исследованиям способов сделать топливные стержни более способными пережить своего рода неожиданные бедствия типа Фукусимы в 2011 году. 

В 2011 году атомная энергетика столкнулась с одной из самых серьезных своих проблем. Отключение трех ядерных реакторов АЭС «Фукусима-Дайити» в результате вызванного землетрясением цунами, которое привело к глобальной гонке за решениями по повышению ядерной безопасности — гонке, сосредоточенной на устойчивом к авариям топливе (ATF), чтобы предотвратить будущие поломки реактора.

Исследователи в Соединенных Штатах приняли вызов, в том числе  Корих Ширван, доцент кафедры ядерной науки и техники Массачусетского технологического института. После серии исследований по концепциям ATF, которые могут быть развернуты в ближайшем будущем в сотрудничестве с ядерной промышленностью, Ширван взялся за инновационную концепцию ядерного топлива, которая решает ключевые вопросы безопасности, предлагая потенциальные улучшения в работе реактора.

«Применяя комплексный, системный мультидисциплинарный подход, мы ускорили НИОКР и уже через несколько лет получили новый дизайн и демонстрационные результаты», — говорит Ширван. 

Он описывает эту ядерную технологию в статье, опубликованной в журнале Applied Energy от 15 апреля — специальном выпуске журнала, посвященном конференции с важными результатами исследований. Его соавторами являются Вэй Ли, а также Джозеф Пегна и Шей Харрисон. Исследования группы были профинансированы серией исследовательских грантов Департамента энергетики по инновациям малого бизнеса.

Улучшение сдерживания

С самого начала команда Ширвана искала как топливные, так и облицовочные альтернативы. 

«В Фукусиме произошли взрывы водорода из-за взаимодействия между обычной оболочкой топлива на основе циркония (внешний слой топливных стержней) и высокотемпературным паром, полученным при выходе из строя системы безопасности и нагреве охлаждающей воды», — говорит он.

Водород просочился из активной зоны и взорвался в самом реакторном корпусе. 

«Наша цель состояла в том, чтобы придумать топливо, которое может работать дольше во время потенциальных событий нагрева, и материалы для оболочки реактора, которые не будут генерировать много горючего водорода так же быстро, как цирконий».

Прорывы, описанные в статье, произошли в результате сотрудничества с компанией Free Form Fibers, соучредителем которой является бывший ученый-материаловед Стэнфордского университета Пегна, пионер аддитивного производства. Компания обратилась к Ширвану несколько лет назад с идеей использования их запатентованной технологии лазерной печати 3D для создания нового топлива . 

«Они предложили использовать химическое осаждение из паровой фазы (CVD) для создания топливных волокон, в которых защитный материал покрывает каждое волокно, слой за слоем», — говорит Ширван. — «Это позволяет топливу служить в качестве его собственной оболочки».

«Переоснащение» существующих атомных станций

Концепция заключалась в том, чтобы упаковать эти CVD-изготовленные, цилиндрические топливные частицы в пучок, который вписывается в типичный топливный стержень, и заменить обычную оболочку циркониевого топливного стержня композитом из карбида кремния, чтобы замедлить образование водорода . Это гипотетически позволило бы «переоснастить» нынешние атомные станции новыми и более безопасными материалами.

«США и другие страны с ядерной энергетикой хотят избежать остановки действующих реакторов и ищут замену топливу и материалам, которые могут быть сертифицированы в разумные сроки», — говорит Ширван. 

Во всем мире существует около 450 коммерческих реакторов (почти 100 в Соединенных Штатах), и подавляющее большинство из них охлаждаются водой.

От концепции до демонстрации

В то время как нынешнее топливо из диоксида урана обычно представляет собой цилиндрические гранулы диаметром и высотой около 1 сантиметра, Free Form Fibers изобрели керамическое топливо, изготовленное по их запатентованной технологии CVD, напоминающей тонкие цилиндрические волокна.

Но основная идея Free Form Fibers потребовала некоторых существенных доработок, говорит Ширван. И у него были идеи о конкретных геометриях, размерах и топливном материале, которые дали бы этой концепции самый высокий потенциал, чтобы быть осуществимыми. Один из его критических вкладов включает в себя схему изготовления, которая, кажется, нарисована прямо из медицинского санатория.

«Представьте себе лысину на голове, где вы хотите отрастить волосы», — говорит Ширван. — «Ты фокусируешь лазерное излучение на эту лысину, и цилиндрические волосы начинают расти прямо вверх в этой области, и ты продолжаешь делать волосы, пока не получишь пучок, покрывающий всю область».

Аварийно-устойчивая конструкция топлива способна обеспечить дополнительный слой защитной оболочки при одновременной упаковке в три-четыре раза больше массы топлива на объем по сравнению с конкурирующими формами топлива с аналогичными характеристиками безопасности.  Первоначальное изготовление на основе урана задокументировано в недавнем выпуске Applied Energy.  В настоящее время испытания нейтронного облучения запланированы на исследовательском реакторе MIT.
Аварийно-устойчивая конструкция топлива способна обеспечить дополнительный слой защитной оболочки при одновременной упаковке в три-четыре раза больше массы топлива на объем по сравнению с конкурирующими формами топлива с аналогичными характеристиками безопасности. 
Первоначальное изготовление на основе урана задокументировано в недавнем выпуске Applied Energy. 
В настоящее время испытания нейтронного облучения запланированы на исследовательском реакторе MIT.

Очень высокая температура плавления карбида кремния

Основание каждого «волоска» изготовлено из уранового нитридного топлива, которое покрыто мягким буферным слоем из пористого углерода, за которым следует более плотный углерод, а затем карбид кремния — материал с очень высокой температурой плавления. Пространства заполняются большим количеством карбида кремния, с пучками, уложенными друг на друга вертикально, а затем помещаются внутри оболочки, также изготовленной из карбида кремния или другого материала ATF.

Сотрудники компании Free Form Fibers смогли продемонстрировать этот метод изготовления 3D-лазера с использованием урана в лаборатории материалов и химии, Inc. (MCLinc) в Ок—Ридж, штат Теннесси — редкая возможность в полевых условиях внедрить свою концепцию в реальность производства.

Эти урановые и углеродные топливные цилиндры, завернутые в карбид кремния, вставленные в топливный стержень, покрытый карбидом кремния, теоретически могут выдерживать температуры до 1800 градусов по Цельсию, что может позволить ядерным реакторам работать на более высоких уровнях мощности.

Существуют и другие надежные виды топлива, которые снижают вероятность высвобождения продуктов деления при высоких температурах, используя аналогичные многослойные схемы изготовления, такие как Triso (TRi-структурные изотропные частицы).  Но эти виды топлива в основном предназначены для перспективных реакторов, поскольку они ограничены руководящими принципами упаковки топлива в обычных реакторах с водяным охлаждением. И, как отмечает Ширван, «3D-техника позволяет нам упаковывать больше волокон в наши пучки, что означает  увеличение расхода топлива на единицу объема». Большая плотность топлива означает более эффективное использование топлива.

«Исследования группы определенно продвигают поиск топлива, устойчивого к авариям, добавляя дополнительный барьер для продуктов деления, в то же время поддерживая высокую плотность топлива», — говорит Николас Браун, доцент кафедры ядерной инженерии в Университете Теннеси в Ноксвилле, который не участвовал в этом исследовании. — «Их основная инновация заключается в создании технологичной концепции топлива, которая добавляет слой защиты от выброса радиоактивных продуктов деления в результате аварии».

Но будут ли ядерные операторы без средств инвестировать в безопасность?

В то время как это покрытое карбидом кремния топливо и оболочка могут привести к повышению как безопасности, так и производительности для коммерческих реакторов с водяным охлаждением текущего поколения, Ширван не видит возможности внедрения своих ядерных инноваций в этой области в ближайшем будущем. 

«Атомные станции в настоящее время испытывают экономические трудности, и маловероятно, что они будут инвестировать в эти новые технологии, если это не приведет к прямой экономии», — говорит он.

Но эта концепция остается чрезвычайно жизнеспособной для других применений. 

«Исходя из предварительных результатов, наше топливо потенциально меняется для микрореакторов, ядерных космических двигателей и других перспективных реакторов, которые нуждаются в надежном, устойчивом к авариям топливе», — говорит Ширван.

Поскольку коммерческие поставщики в этих областях уже стучатся в дверь, исследовательская группа готовится к радиационным исследованиям топлива в Лаборатории ядерных реакторов MIT. 

«ATF основаны на концепциях, которым по меньшей мере 30 лет, но наш новый дизайн топлива невероятно быстро достигает точки испытания на облучение», — говорит Ширван. — «При очень небольшом бюджете и очень коротком временном масштабе мы можем это сделать, потому что наша команда интегрировала материаловедение и атомную энергетику, что действительно ускоряет процесс достижения технологической готовности».

Обсудить на форуме

Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно