Семинары

Проверенное временем в новом проекте

18 января в ЛНФ состоялся общелабораторный семинар, на котором Ю.Н.Пепелышев представил предварительные расчеты коллектива авторов (Ю.Н.Пепелышев, А.В.Виноградов, А.Д.Рогов, Д.Сумхуу) по импульсному реактору "ИБР-4".

Обсуждение вариантов проекта нового источника нейтронов, который планируется создать в ЛНФ до того, как завершится эксплуатация ИБР-2, началось несколько лет назад. Сотрудники группы ядерной безопасности ЛНФ предложили после вывода реактора ИБР-2 из эксплуатации не создавать абсолютно новый источник нейтронов, что потребует масштабных опытно-конструкторских работ, а использовать в значительной степени технические решения, апробированные на ИБР-2 и других ядерных установках (МБИР, БОР-60 и другие).

- Это наше концептуальное видение проекта, - начал свое выступление Юрий Николаевич. Оно может уточняться при последующей разработке. В данном случае специальное внимание было уделено вопросам устойчивой динамики реактора. В предыдущих наших публикациях эта задача не выделялась. Сейчас при подготовке настоящего предложения мы учли соответствующие экспериментальные данные, полученные на реакторах ИБР-2 и ИБР-2М. Особое внимание уделено вопросу стабильности в работе реактора: снижению влияния ряда факторов, вызывающих колебания энергии импульсов.

В концепции нового реактора авторы предлагают использовать конфигурацию реактора МБИР с модулятором реактивности типа ПО-3, который в настоящее время успешно эксплуатируется на ИБР-2. Существенное конструктивное отличие предлагаемой концепции от реакторов ИБР-2 и ИБР-2М состоит в перемещении органов системы управления и защиты внутрь активной зоны, как это реализовано в исследовательских реакторах БОР-60, МБИР и энергетическом реакторе БН-600. Это позволяет приблизить замедлители к корпусу реактора и поднять плотность потока тепловых и холодных нейтронов без увеличения средней мощности реактора. В "ИБР-4" предполагается использовать в качестве топлива уже опробованный диоксид плутония, мощность ограничить 5 МВт (ограничение связано с ростом колебаний энергии импульсов с увеличением мощности), органы системы управления и защиты предполагается выполнить из карбида бора, обогащенного бором-10. Авторы предлагают повторить корпус реактора МБИР, изменив гео­метрию активной зоны, охлаждение проводить жидким натрием, активную зону окружить водяными замедлителями.

Приводя некоторые характеристики активной зоны базового варианта "ИБР-4", автор подчеркнул, что большой расчетный запас на выгорание топлива (10%) является значительным эксплуатационным преимуществом. Некоторые нейтронно-физические параметры предлагаемого варианта реактора: средняя мощность - 5 МВт, частота импульсов 10 в секунду, топливо - диоксид плутония, длительность импульса быстрых нейтронов 200 мкс, мощность в импульсе 1900-2370 МВт, фон между импульсами 8,5%. Если заменить диоксид плутония на нитрид плутония, то активная зона станет меньше, мощность можно увеличить; соответственно увеличится плотность потока тепловых нейтронов на поверхности замедлителя. Но такой путь создания нейтронного источника с топливом в виде нитрида плутония авторами подробно не рассматривался, поскольку предполагал длительные дополнительные исследования, что выходило за рамки концепции "ИБР-4". Для продления ресурса активной зоны авторы предлагают рассмотреть новую радиационно-стойкую оболочечную сталь ЭК164.

Говоря о колебательной нестабильности импульсных реакторов вообще, автор привел некоторые примеры из практики работы ИБР-2 и ИБР-2М. Далее он рассказал о модификации базовой компоновки "ИБР-4" с целью уменьшения низкочастотных колебаний энергии импульсов. Чтобы понять частотные свойства реактора, была построена модель динамики "ИБР-4" как импульсной системы автоматического регулирования с обратными связями. Обратные связи по изменению мощности были получены экспериментально на реакторе ИБР-2 и его модернизированной версии ИБР-2М и адаптированы к реактору "ИБР-4". Модель проверена экспериментально и хорошо описывает динамику импульсных реакторов уже более 25 лет. Авторы определили общий критерий устойчивости "ИБР-4", зависящий от мощностной обратной связи, которая, в свою очередь, зависит от параметров твэлов. Расчетно-экспериментальным путем с использованием трех вариантов твэлов МБИР, ИБР-2 и БН-1200 показано, что для снижения резонансных явлений в "ИБР-4" необходимо в его активной зоне выравнивать энерговыделение. С этой целью в конструкцию твэлов внесены изменения: предложено вставить вольфрамовые или урановые стержни в центральные твэлы некоторых топливных кассет и дополнительно усилить их жесткость.

Выводы авторов: композиция "ИБР-4" на основе максимального использования референтных технических решений позволяет реализовать представленный вариант нейтронного источника при меньших затратах по сравнению с другими вариантами; колебательная динамика "ИБР-4" по сравнению с ИБР-2М существенно уменьшена; при мощности 5 МВт плотность потока тепловых нейтронов на поверхности плоского водяного замедлителя в 1,5-1,75 раз выше, чем на ИБР-2М, а на поверхности гребенчатых замедлителей - выше в 2,5-3,1 раза. Длительность топливной кампании для "ИБР-4" составляет 20 лет.

Авторы выразили большую благодарность всему персоналу реактора ИБР-2 и всем сотрудникам группы ядерной безопасности ЛНФ за помощь, поддержку и плодотворные дискуссии.

Выступление вызвало многочисленные вопросы и комментарии собравшихся в конференц-зале и онлайн сотрудников ЛНФ и НИКИЭТ имени Н.А.Доллежаля.

Ольга ТАРАНТИНА