energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTUenergy-858Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGМОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ТОЛСТЫМ ВРАЩАЮЩИМСЯ СЛОЕМ МИКРОТВЭЛОВ ДЛЯ ТРАНСМУТАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВSIMULATION OF THE NUCLEAR-REACTOR ACTIVE-ZONE ELEMENTS WITH THICK ROTATING LAYER OF MICRO-PARTICLE FUEL FOR RADIOACTIVE WASTE TRANSMUTATIONСорокинВ. В.SorokinV. V.

Кандидат технических наук, доцент

Associate Professor, PhD in Engineering

sorokin.npp@qmail.comБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus201510062015027280Copyright © Сорокин В.В., 20152015Сорокин В.В.Sorokin V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/858

Для эффективной трансмутации радиоактивных изотопов в стабильные с использованием нейтронов требуются высокие плотности потока нейтронов и спектр со значительной долей быстрых и резонансных нейтронов. Ряд сеансов облучения определенной длительностью по времени желательно чередовать с переделами состава отходов. Количество таких изотопов в отработанном топливе коммерческого реактора составляет порядка 1 %, массы отдельных изотопов в загрузке – до нескольких десятков килограммов. Рассматривается перспективный ядерный реактор для трансмутации радиоактивных отходов в части принципиального устройства, теплофизики и гидродинамики. Активная зона реактора сформирована подвижными микротвэлами, образующими устойчивый плотный кольцевой слой. Слой вращается внутри неподвижной вихревой камеры за счет энергии потока теплоносителя – воды. Микротвэлы охлаждаются теплоносителем непосредственно.

Расчетная оценка мощности устройства с водой под давлением 1–5 МВт на 1 л слоя. Условие отсутствия кипения устанавливает наиболее значительные ограничения на мощность. Объем слоя ограничен несколькими десятками литров, поскольку с увеличением размера камеры уменьшаются ускорение вращения и сила, удерживающая микротвэлы на свободной поверхности слоя. Для достижения критичности загрузки ядерного топлива при ограничениях на обогащение предлагается и обосновывается расчетами активная зона, составленная из нескольких слоев или слоя с большим отношением объема к площади поверхности. Вихревые камеры в случае активной зоны из нескольких слоев могут иметь объединенные выходы теплоносителя вдоль оси. Использование камер с противоположными закрутками в составных активных зонах с общим выходом позволяет уменьшить закрутку потока ниже вихревого реактора по ходу теплоносителя.

The effective transmutation of radioactive isotopes into the stable ones with the use of neutrons requires the neutron high-flux and the spectra with significant part of fast and resonance neutrons. It is advisable to alternate a range of specified-duration irradiation sessions with revamping the composition of waste. The depleted fuel of the commercial reactor comprises near 1 % of such isotopes of their individual mass in the batch loading which amounts to several tens of kilograms. The article considers a perspective nuclear reactor for radioactive waste transmutation as regards its design, thermal physics and hydrodynamics. Mobile microparticles of the fuel build up the active zone of the reactor and form a steady dense ringshaped layer. The layer rotates within immovable vortex chamber using the energy of the coolant, i.e. water. The micro particles cool down with the coolant unmediated.

The  formulaic  valuation  of  the  device  capacity  with  water  under  pressure  comes to 1–5 MW per 1 liter of the layer. The condition of avoided boiling sets the most restrictive limitations  to  the  capacity.  The  bulk  of  the  layer  constricts  to  tens  of  liters  inasmuch as enlarging the chamber dimensions reduces the rotary acceleration and the force confining the fuel micro-particles on the free surface of the layer. The author offers and substantiates with calculations the active zone composed of several layers or a layer with a large ratio of the volume to the surface area for achieving criticality of nuclear fuel load with limitations on enrichment. The vortex chambers in case of the active zone of several layers can have the joint coolant exscapes along the axis. Implementation of the chambers with reverse vortices in composite active zones with joint escapes allows reducing the flow rotation below the vortex reactor along the coolant course.

ядерный реакторслой микротвэловмоделирование элементоврадиоактивные отходыnuclear reactorfuel micro-particle layersimulation of the elementsradioactive wasteReferencesАртисюк, В. В. Развитие физико-технических основ трансмутации долгоживущих радиоактивных отходов ядерных реакторов : автореф. дис. … д-ра. техн. наук: 05.14.03 / В. В. Артисюк. – Обнинск, 2002. – 34 c.Artisyuk, V. V. (2002) Razvitie Fiziko-Tekhnicheskikh Osnov Transmutatsii Dolgozhivushchikh Radioaktivnykh Otkhodov Iadernykh Reaktorov. Avtoref. Diss. Doktora FizikoMatematicheskikh Nauk [The Evolution of the Physicotechnical Transmutation Principles of the Nuclear-Power Reactor Long-Life Radioactive Waste. Dr. phys. and math. sci. diss.]. Obninsk. 34 p. (in Russian)Gudowski, W. Nuclear Waste Management. Status, Prospects and Hopes / W. Gudowski // Nuclear Physics A. – 2005. – Vol. 752. – P. 623–632.Gudowski, W. (2005) Nuclear Waste Management. Status, Prospects and Hopes. Nuclear Physics A, 752 (1–4), 623–632. Doi: 10.1016/j.nuclphysa.2005.02.133.Status of Minor Actinide Fuel Development. Vienna : International Atomic Energy Agency, 2009. – 81 p. (IAEA Nuclear Energy Series no NF-T-4.6). – STI/PUB/1415.Status of Minor Actinide Fuel Development. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2009. 81 p. (IAEA Nuclear Energy Series no NF-T-4.6).Слабоспицкий, Р. П. Анализ особенностей различных методов трансмутации РАО / Р. П. Слабоспицкий // Вісник Харківського національного університету. Сер. фізична «Ядра, частинки, поля». – 2011. – Т. 946, вип. 1. – С. 43–49.Slabospitskiy, R. P. (2011) Peculiarity Analysis of Various Methods of RAW-Transmutation. V?snik Khark?vs'kogo Nats?onal'nogo Un?versitetu. Ser. F?zichna “Iadra, Chastinki, Polia” [Herald of Kharkiv National University. Physics Series. Nuclei, Particles, Fields], 946, 43–49 (in Russian).Сорокин, В. В. Гидравлика и теплообмен шаровых засыпок в условиях активной зоны водо-водяных ядерных реакторов с микротвэлами / В. В. Сорокин. – Минск : Беларуская навука, 2010. – 191 с.Sorokin, V. V. (2010) Hydraulics and Heat Exchange of the Globular-Covering Under Conditions of Active Zone of the Water-Moderated Water-Cooled Reactors with Minute Particles. Minsk, Science of Belarus. 191 p. (in Russian).Сорокин, В. В. Гидродинамика вращающегося плотного слоя микротвэльного ядерного топлива с водяным теплоносителем / В. В. Сорокин // IV конгресс физиков Беларуси : сб. науч. трудов. – Минск : Ковчег, 2013. – С. 35–36.Sorokin, V. V. (2013) Hydrodynamics of the Rotating Compact Layer of Minute-Particle Nuclear Fuel with Water Heat-Transfer Agent. IV Congress of Belarusian Physics. ?ollection of Scientific Papers. Minsk, Kovcheg, 35–36 (in Russian).Гольдштик, М. А. Процессы переноса в зернистом слое / М. А. Гольдштик. – Новосибирск : Институт теплофизики, 2005. – 358 с.Gol’dshtik, ?. ?. (2005) Transfer Processes in Granular Layer. Novosibirsk, Institute of Thermal Physics. 358 p. (in Russian).Сорокин, В. В. Моделирование процесса удержания толстого вращающегося слоя частиц в вихревой камере / В. В. Сорокин // Доклады НАН Беларуси. – 2009. – Т. 53, № 5. – С. 100–103.Sorokin, V. V. (2009) Simulation of the Holdup Process for Thick Rotating Layer of Particles in the Cyclone Chamber. Doklady Natsional'noi Akademii Nauk Belarusi [Reports of the National Academy of Sciences of Belarus], 53 (5), 100–103 (in Russian).Дементьев, Б. А. Ядерные энергетические реакторы / Б. А. Дементьев. – М. : Энергоатомиздат, 1984. – 280 с.Dement’ev, B. ?. (1984) Nuclear-Power Reactor. Moscow, Energoatomizdat. 280 p. (in Russian).Kaviany, M. Principles of Heat Transfer in Porous Media / M. Kaviany. – NY : Springer-Verlag, 1991. – 626 p.Kaviany, M. (1991) Principles of Heat Transfer in Porous Media. NY, SpringerVerlag. 626 p.Сорокин, В. В. Расчет параметров толстого вращающегося слоя частиц в вихревой камере / В. В. Сорокин // Известия НАН Беларуси. Сер. физ.-техн. наук. – 2013. – № 4. – С. 88–92.Sorokin, V. V. (2013) Parameter Computation of Thick Rotating Layer of Particles in the Cyclone Chamber. Izvestiia Natsional’noi Akademii Nauk Belarusi. Ser. Fiziko-Tekhnicheskikh Nauk [Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physico-Technical Series], 4, 88–92 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.