Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Многоцелевое инновационное ядерное топливо
НТТМ-2017-0726 | Категория II

Автор:

Кнышев Владимир -

Гатаулина Альбина Равильевна

Украинец Олеся Александровна

Зорькин Андрей Игоревич

Мухнуров Илья Аликович

Научный руководитель:
Беденко Сергей Владимирович
Организация:
Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
Томская область, Томск
Цель работы
Актуальность проблемы: В настоящее времени опубликовано достаточно большое количество расчетных и экспериментальных работ, посвященных исследованию поведения микротоплива (МТ) под облучением. Известно, что достижение высоких глубин выгорания в МТ представляет собой весьма сложную научно-техническую задачу, а повышение эффективности использования ядерного топлива и достижение сверхвысоких глубин выгорания существенно усложняет данную проблему.
Одной из главных проблем повышения глубины выгорания МТ, является рост концентрации твердых и газообразных продуктов деления (ПД).
В последние годы проводится анализ различных решений, позволяющих существенно повысить эксплуатационную надежность МТ c TRISO-покрытием в процессе выгорания. Однако рост концентрации ПД создает высокое давление на покрытия керна, в результате чего может наступить момент, когда покрытие керна претерпевает разрыв.
Так же важным моментом обеспечения надежного функционирования покрытия является температурный режим эксплуатации МТ. Нарушение температурного режима работы МТ, приводит к росту давления и концентрации СО и СО2. В результате покрытие керна претерпевает разрыв с последующей утечкой продуктов деления и миграции керна.
Цель: Разработать топливный элемент, имеющий высокую эксплуатационную надежность, рассмотреть функциональные покрытия микротоплива удерживающие продукты деления при высоких глубинах выгорания, высоких температурах и больших значениях флюенса нейтронов. Провести оценку возможности использования многослойного микраскапсулированного дисперсионного ториевого топлива, типа BISO и TRISO, мультиплицирующих системах реакторных установок разного типа. Разработать концепцию высокотемпературного реактора с блоком унифицированной конструкции. Рассмотреть экономическую эффективность и целесообразность применения серийного топлива BISO и TRISO в реакторных установках разного типа, в частности ВГТРУ и ВВЭР.
Обзор предметной области
Топливные элементы для высокотемпературных реакторов выполнены в виде шаров, цилиндров, призм и представляют собой углеграфитовую матричную композицию, содержащую микрокапсулированное топливо (микротвэл, микротопливо, МТ). МТ – это топливный керн из делящегося материала со слоями защитных покрытий.
В качестве защитных покрытий используют теплостойкие материалы, такие как, углерод пиролитический PyC различной плотности, карбиды кремния SiC, циркония ZrC, титана TiC, и др. кармические композиции и наноламинаты. Основная функция защитных покрытий − удержание в процессе облучения МТ газообразных и твердых продуктов деления (ТПД). Существующие сегодня технические решения направлены на повышение ресурса эксплуатации МТ за счет увеличения числа слоев, тем самым снижая повреждаемость силовых покрытий.
Увеличение числа слоев МТ принципиально не решает проблему разгерметизации и миграции топливного керна в условиях длительного облучения и температуры. Нужны принципиально новые материалы и технологии нанесения покрытий.
В настоящее время для формирования покрытий сферического топливного керна используется технология “coated particles”. Эта технология реализована также для цилиндрических ТТ стандартной конфигурации ЛВР. Недостатки данного метода заключаются в низкой скорости осаждения покрытий (~0.001 мкм/c) и технологической сложности осаждения на поверхность топливного керна покрытий из широкого набора материалов.
Технология формирования функционального покрытия методом «псевдоожиженного слоя» разрабатывалась в течение 20 лет в Германии. Затраты на разработку составили несколько миллиардов DM. В целом этот метод очень технологичный: он обеспечивает возможность регулирования качества и толщины покрытий. Основным недостатком этой технологии является ограниченный набор материалов (С, SiC) и очень жесткие требования к постоянству термодинамических параметров среды, образованной осаждаемым на топливный элемент веществом. К нему добавилась сложность, вызванная нарушением структуры слоя на кольцевой границе между боковой и торцевой поверхностями цилиндрической ТТ. Кроме того, нанесение металлических покрытий методом “псевдоожиженного слоя” на сегодняшний день не представляется возможным.
Описание результатов проекта
В работе авторами разработана конфигурация МТ для ВТГРУ диаметром 600 мкм представляющая собой сферический топливный керн, покрытый последовательными слоями PyC и Ti3SiC2, диспергированный в графитовую матрицу цилиндрических ТТ.
Низкоплотный PyC-слой служит для локализации ГПД, компенсации несоответствия коэффициентов линейного термического расширения топливного керна и слоя из Ti3SiC2, и является первым диффузионным барьеров, защищая от повреждений ГПД второй Ti3SiC2-слой. Ti3SiC2 обладает превосходными механическими и теплофизическими характеристиками, является основным силовым покрытием и диффузионным барьером по отношению к ТПД. Ниже представлены характеристики представляемой разработки.

Характеристики Значение
Тип микротоплива BISO
Топливная композиция (Th,Pu)O2
Состав Pu/Th m%/n%
Диаметр микротоплива (мкм) 600
Диаметр топливного керна (мкм) 350
Толщина слоя внутреннего покрытия PyC (мкм) 90
Толщина слоя внешнего покрытия Ti3SiC2 (мкм) 35
Средняя плотность
Топливный керн (г/см3) 10,4
PyC (г/см3) 1,20
Ti3SiC2(г/см3) 3,70
Топливная таблетка TRISO
Высота (м) 0,0202
Диаметр (м) 0,00757
Толщина защитного покрытия SiC (мкм) 300
Средняя плотность SiC (г/см3) 3.20

Разработанное топливо позволяет сделать эффективную замену штатного топлива. Представленная топливная таблетка имеет показатели на порядок выше штатного топлива. Высокая глубина выгорания (~ 80% делящегося материала), продолжительная кампания топлива, компенсация распухания топливной таблетки, дополнительные барьеры безопасности препятствующих распространению и утечки ядерных материалов.
Изучена возможность применения одного вида ТТ в РУ разного типа, а существующие технологии позволяют применять данную концепцию.
Для реализации проекта используется уникальный метод нанесения покрытия на МТ, плазменный метод «тлеющего разряда». Данный метод разработан в Национальном исследовательском Томском политехническом университете, который позволяет добиться равномерного аморфного покрытия, препятствующие утечки ГПД из микротоплива между зернами покрытия. Снизить создаваемое продуктами деления напряжение и повысить эксплуатационную надежность при критических параметрах работы РУ.
Расчет Проекта проводиться в 3D-геометрии в диффузионном приближении и методами Монте-Карло с использованием оцененных ядерных данных (ENDF/B-VIII, JENDL-3.3, JEFF 3.0, EXFOR, РОСФОНД) и претензионного расчетного кода программ серии MCU5 и Scale 5.
По данному исследованию имеется более 25 публикаций, результаты исследования апробировались на всероссийских и международных конференциях на площадках Курчатовского института (2014), института Дубны (2014), университета МИФИ (2014-2016) и МГУ (2016). Данная работа была победителем Всероссийского инженерного конкурса ВИК-2016.
Для реализации данного проекта использовались результаты раннее проведенных грантовых исследований: 1.Минимизация резонансного поглощения нейтронов, увеличение длительности кампании топлива и уменьшение радиотоксичности ОЯТ в реакторных установках нового поколения; 2.Обоснование возможности и разработка программы использования торийсодержащих топливных материалов в ядерно-энергетических установках. А так же использовались результаты исследования цикла работ «Пороговые ядерно-физические процессы в мультиплицирующих системах» удостоенные медали РАН в 2016 году.
На данный момент проводятся совместные исследования с Национальным исследовательским центром «Курчатовский институт» г. Москва и Технологическим институтом Онтарио в Канаде (Ontario Institute of Technology. Canada)
Описание применимости
Разработанная ТТ позволяет сделать эффективную замену штатного топлива. ТТ имеет более высокие показатели выгорания, температурного режима, сниженное напряжение в МТ, компенсации распухания за счет низкоплотного пиролетического графита. Применение Th со вместо с Pu позволяет максимально эффективно использовать данное топлива, а термодинамические параметры Th улучшают показатели ТТ, в сравнение со штатным топливом. Предложенная технология нанесения покрытия повышает эксплуатационную надежность за счет аморфной структуры. Параметры ТТ (геометрию) можно изменять под разные концепции РУ. Разработана конструкция маломощной высокотемпературной газоохлаждаемой реакторной установки с блоком унифицированной конструкции.
Данное ТТ имеет высокие экономические показатели за счет покрытия типа BISO в сравнение с покрытием типа TRISO, а предложенная технология нанесения покрытия удешевляет этот процесс на ~ 15%. Данное топливо можно широко использовать в эксплуатируемых и разрабатываемых на сегодняшний день реакторных установках.
Основной пользователь данной технологии конечно же Государственная Корпорация «РОСАТОМ», со своим огромным количеством подразделений.
На сегодняшний день в России технологии, связанные с реализацией ториевого топливного цикла инновационны, технически и экономически не проработаны, и сопряжены со значительными финансовыми вложениями и рисками. Однако, учитывая потенциальные возможности ториевого ЯТЦ, длительность этапа освоения и внедрения новых ядерных технологий, существует необходимость в работах по выбору оптимального варианта использования тория как в действующих, так и в инновационных конструкциях РУ.
Организации, которые способствуют развитию исследования
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».
2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».
3 Федеральное государственное унитарное предприятие РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ.
4 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Организации, которые проводят аналогичную работу
1 Федеральное государственное унитарное предприятие РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ.
2 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
3 Forschungszentrum Julich, Germany
4 Ontario Institute of Technology. Canada
5 Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire. France
6 Joint institute for nuclear research. Germany
Дальнейшее развитие проекта
Данный проект имеет огромные преимущество и потенциал, научно-исследовательская база использования и внедрение в ЯТЦ торий прорабатывается и дополняется ежегодно. Предложенная концепция позволяет существенно повысить экономические показатели ядерной индустрии в Российской Федерации, вытеснить большинство своих конкурентов на мировом рынке и выйти на новый уровень развития ядерной энергетики.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ

E-mail: info@konkurs-nttm.ru