МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ТОЛСТЫМ ВРАЩАЮЩИМСЯ СЛОЕМ МИКРОТВЭЛОВ ДЛЯ ТРАНСМУТАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

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.

1. Артисюк, 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.

2. Gudowski, W. Nuclear Waste Management. Status, Prospects and Hopes / W. Gudowski // Nuclear Physics A. – 2005. – Vol. 752. – P. 623–632.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Гольдштик, М. А. Процессы переноса в зернистом слое / М. А. Гольдштик. – Новосибирск : Институт теплофизики, 2005. – 358 с.

8. 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.

9. Дементьев, Б. А. Ядерные энергетические реакторы / Б. А. Дементьев. – М. : Энергоатомиздат, 1984. – 280 с.

10. Kaviany, M. Principles of Heat Transfer in Porous Media / M. Kaviany. – NY : Springer-Verlag, 1991. – 626 p.

11. 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.