19959

Исследовательский реактор СМ-2- пример достижения максимально возможных значений плотностей нейтронных потоков

Лекция

Физика

Познакомить слушателей с техническими характеристиками исследовательского реактора CМ-2, устройством активной зоны и его возможностями для проведения реакторных испытаний. Рассмотреть картограмму активной зоны и распределения потоков излучений по экспериментальным каналам.

Русский

2013-08-13

214.92 KB

12 чел.

Конспект занятия 7.

Цель.

Познакомить слушателей с техническими характеристиками исследовательского реактора CМ-2,  устройством активной зоны и его возможностями для проведения реакторных испытаний. Рассмотреть картограмму активной зоны и распределения потоков излучений по экспериментальным каналам.  

План.

1.  Исследовательский реактор СМ-2- пример достижения максимально возможных значений плотностей нейтронных потоков. Направления научных исследований и возможности постановки реакторных испытаний.

2. Тепловыделяющие сборки СМ-2 и возможная их модернизация, пути повышения плотностей нейтронных потоков.

3. Картограмма, исследовательские каналы, распределения потоков излучений.

    Реактор СМ-2[6,9] предназначен для проведения научно-исследовательских работ, связанных с использованием интенсивных потоков быстрых и тепловых нейтронов. На СМ-2 предполагалось проводить следующие работы:

I) получение новых трансурановых элементов;

2) изучение делящихся и конструкционных материалов в потоках нейтронного и гамма-излучений при температурах от 20 до 2000 К в различных средах (газ, вода под давлением от 5 до 135 МПа, жидкий металл и т.д.);

3) исследование спектров промежуточных нейтронов методами спектрометрии;

4) изучение спектров n - γ реакции;

5) изучение изотопов с малым периодом полураспада;

6)исследования  по нейтронографии.

    Особенностью реактора СМ-2 является весьма высокий уровень удельного энерговыделения в его активной зоне и отражателе (среднее 1,6 МВт/л, максимальное  4,8 МВт/л). Спектр нейтронов  в активной зоне весьма жесткий, а интенсивности  высоки.

     Наблюдается всплеск потока тепловых нейтронов в центре реактора и в отражателе. Поток быстрых и промежуточных нейтронов максимален и почти постоянен в активной зоне и падает в центральной и зоне отражателя. Поток быстрых нейтронов уменьшается  по высоте активной зоны .

    Тепловыделение в материалах, связанное с поглощением гамма-квантов, постоянно в замедляющей полости и активной зоне и уменьшается в зоне отражателя. Тепловыделения по высоте  уменьшаются по логарифмическому закону.

    На рис.2.5. представлен разрез А.З. и отражателя реактора

СМ-2, кружками показаны места расположения вертикальных каналов (ВЭК), общее количество которых составляет 24 (20 из них имеют выход на верхнюю крышку реактора.) На этом же рисунке  представлены 5 горизонтальных каналов (ГЭК) диаметром 100 мм, с потоком тепловых нейтронов на выходе З.1010 н/см2 с. Центральный канал имеет диаметр 90 мм, ВЭКи отражателя имеют диаметры от 60 до 50 мм.

В таб.2.2.представлено распределение потоков тепловых нейтронов по штатным каналам реактора и заполнение каналов.

    По назначению каналы распределяются следующим образом:

- три канала используются для получения трансурановых
элементов ( центральный и два канала  в отражателе);

           - два низкотемпературных канала с водяным охлаждение используются для материаловедческих работ. Контур предусматривает охлаждение   водой при температуре 30 °С при давлении 5 МПа ;

- два высокотемпературных канала охлаждаются  водой под давлением 35 МПа с расходом 80 т/ч и температурой воды на входе  400 °С, они используются для испытания твэлов;  

- пять каналов с газовым охлаждением  для изучения делящихся материалов; охлаждение может осуществляться

гелием при давлении 3-5 МПа и расходе 350 кг/ч.;

- один канал может охлаждаться жидким гелием или водородом для изучения повреждаемости материалов при низких температурах;

- канал с газовым охлаждением для испытаний при температурах до 2000 К;

- канал с жидкометаллическим теплоносителем  для изучения поведения теплоносителей при температурах до 1000 К.

    Все каналы с автономным охлаждением имеют выход через крышку реактора в реакторный зал, через промежуточное надреакторное помещение,  отделенное от зала бетонной защитой с отверстиями под пробки. Каналы в верхней части имеют герметичное уплотнение, позволяющее автономно    извлекать устройства из каналов с помощью дистанционно-управляемого крана. Сборки могут быть помещены на выдержку в

1

15

10

18

19

17

  20   2   21   3     22     9     23     24         25

8

26

7

13

14

6

11    28   4      16        5                        12         27           

Позиции:

1-16: штатные вертикальные экспериментальные каналы (ВЭК)

17, 18,21,24,26: горизонтальные экспериментальные каналы (ГЭК)

19,25: дополнительные экспериментальные каналы (ДЭК)

20,22,27,28: местоположение бесканальных сборок (БКС)

Рис.2.5. Разрез и картограмма активной зоны реактора СМ-2.

                                                          Вид на АЗ реактора СМ-2.

1

V ~ 100 м/с

1

V ~ 100 м/с

Таб.2.2.

№ канала

или сборки

Плотность потока

нейтронов 1/см2с

Заполнение

канала

1 (центр)

(периферия)

3,7*1014

4,1*1014

Вода

Вода

2

3,1*1014

Воздух

3

2,3*1014

Воздух

4

3,7*1014

Воздух

5

3,7*1014

Воздух

6

3,7*1012

Вода

7

6,5*1012

Воздух

8

4,6*1012

Вода

9

4,6*1012

Вода

10

4,6*1012

Вода

11

3,8*1012

Вода

12

1,3*1013

Воздух

13

1,1*1014

Воздух

14

3,7*1012

Вода

15

8,4*1013

Вода

16

5,3*1012

Воздух

БКС

2,4*1012

Вода

ДЭК

1,8*1014

Вода

Фронтальный разрез СМ-2.

L

 H

δ

Δ

N

Δ

мм

δ

мм

L

мм

H

мм

qv

Мвт/л

W

м/с

N

Мвт

Ф

Тн/см2с

qF

Мвт/м2

1

0,8

0,15

280

33,4

3-5

9

50

3*1015

7

2

0,8

0,15

350

33,4

5-10

12

100

3*1016

12

3

0,45

0,1

40

1017

58

Рис. 2.7. Твэл реактора СМ-2.

хранилище с водой  или могут перебираться в защитной камере. Время перегрузки занимает от  20 до 40 минут.

    Защита реакторного зала позволяет производить перегрузки в процессе работы реактора при активности на сборках до 105 кюри.

    При проведении внутриреакторных испытаний  СМ-2 обладает следующими преимуществами:

I) интенсивные потоки нейтронного и гамма-излучения с различным спектральным составом;

2) высокие тепловыделения от гамма-излучения, что позволяет проводить испытания на конструкционных материалах без    дополнительного подогрева.

Модернизация активной зоны реактора СМ-2.

Реактор СМ-2 имеет небольшую активную зону (о.42*0.42*о.25), окруженную отражателем из окиси бериллия. Активная зона, образованная из 28 кассет сечением 70*70 мм с пластинчатыми твэлами дисперсионного типа и высокоразвитой поверхностью охлаждения, установлена в корпусе реактора и работает при давлении 50 атм. Твэлы, содержащие уран 90% обогащения, покрыты никелевыми оболочками.  В каждой кассете устанавливается 54 трёхслойных пластинчатых элемента толщиной о,8 мм( сердечник толщиной о,5 мм и оболочки по о,15 мм). В центре активной зоны при извлечении четырех кассет образуется заполненная водой полость сечением 140*140 мм, высотой 250 мм- ловушка нейтронов, в которую вставляет центральный вертикальный канал. Вода, циркулирующая сверху в низ в зазорах твэлов, служит одновременно теплоносителем и замедлителем.

Для выяснения возможности дальнейшего повышения тепловой нагрузки были успешно испытаны твэлы в центральном экспериментальном канале реактора при потоке до 12*1о6 ккал/м2ч. Максимальное выгорание топлива при этом достигло 30%.

Испытания показали, что проектная тепловая нагрузка на твэлах может быть удвоена.

При модернизации были проведены следующие изменения;

- увеличена высота активной зоны,

- усовершенствована система управления реактором,

- в отражателе окись бериллия заменена на металлический бериллий.

Увеличение объёма активной зоны обеспечило достижение проектного выгорания топлива в выгружаемых кассетах (25%) и продлило кампанию  до 20 суток.

Реактор СМ-2 стал одним из лучших в мире исследовательских реакторов для проведения реакторных испытаний в высоких нейтронных потоках. Максимальная плотность потока достигла рекордного уровня 3,3*1015 тн/см2с.

Высокая плотность потока тепловых нейтронов позволяет быстро накапливать трансураны, высокая плотность потока быстрых нейтронов позволяет проводить исследования материалов при облучении  интегральным потоком 1022 н/см2 и выше за сравнительно короткое время, несколько месяцев, на других реакторах это время составляет годы. 

В составе реактора СМ-2 три петлевых установки. Низкотемпературная водяная петля для накопления транс урановых элементов, испытания топливных композиций и макетов твэлов тепловых и быстрых реакторов. К этой петле подсоединен канал, размещен в центральной ловушке нейтронов, и шесть каналов в отражателе.

Высокотемпературная водяная петля (с двумя каналами) сооружена для испытаний макетов  твэлов и коррозионных исследований конструкционных материалов.

Газовая петля с двумя каналами – для испытаний конструкционных материалов при высоких температурах.

    Рассмотрим принципиальные возможности повышения потока нейтронов    до 3*I016  н/см2 с, эта задача разрешима на базе  реактора СМ: При этом твэл реактора конструктивно остается  тем же (рис.2.6).     Тепловая нагрузка в таком реакторе может достигать 50 МВт/л при скорости охлаждающей воды 40 м/с.

   Последнее обстоятельство является самой тяжелой задачей при реализации данного проекта, так как тонкие пластины при таких скоростях могут терять устойчивость.

    Предлагается проект реактора  циклокотел (рис.2.7).

Эта установка представляет собой тор с набором активных зон импульсных уран-графитовых реакторов,    импульс которых может      составить около 10 19 н/см 2с.

    Облучаемая мишень движется по тору, все время находясь

в максимуме потока. При числе активных зон порядка 1000 мощность реактора должна составлять 100 МВт, а время кампании - I час.

Считается, что экономически выгоден циклокотел с числом

активных зон ~ 10 000, при этом скорость перемещаемой мишени в данном устройстве составит 100 м/с.

   Другой (не менее грандиозный и фантастический) проект получения сверхинтенсивных потоков нейтронов (1020 н/см 2с) основан на технической реализации реакции типа:

D—> х*n    или    Р—> x*n

    На один дейтон и протон в этой реакции появляются до x~65 нейтронов. Реакция может происходить при энергии протонов и дейтонов около 800-1000  Мэв. Для получения интенсивных потоков нейтронов  необходимы сравнительно мощные потоки протонов и дейтонов, которые  дают реакцию при взаимодействии с тяжелой мишенью.

1. АЗ-1

2. АЗ-2

3. АЗ-3

4. Корпус

- тор

5 Мишень

V ~ 100 м/с

Рис.2.7. Реактор типа циклокотел


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10499. Фенол, визначення взаємного впливу атомів у його молекулі 50.5 KB
  Навчальна мета: ознайомити учнів з будовою фенолу визначити взаємний вплив атомів у його молекулі. Розвивати вміння прогнозувати хімічні властивості органічних сполук виходячи з їхньої будови на прикладі фенолу. Ознайомити з якісною реакцією на феноли. Обладнання: пе...
10500. Ферум: будова атома, поширення в природі. фізичні та хімічні властивості. взаємодія з киснем, сіркою 49.5 KB
  Тема уроку: Ферум: будова атома поширення в природі. фізичні та хімічні властивості. взаємодія з киснем сіркою. Вид заняття: комбінований урок урок повторення і засвоєння нових знань на якому активізування чуттєвого досвіду учнів закріплення знань умінь та навичок пр
10501. Фізичні і хімічні властивості етилену і ацетилену. Одержання етилену і ацетилену 81 KB
  Тема:Фізичні і хімічні властивості етилену і ацетилену. Одержання етилену і ацетилену. Навчальна мета: ознайомити учнів з фізичними і хімічними властивостями ненасичених вуглеводнів розкрити механізм реакції приєднання показати що реакції цього типу є характерними...
10502. Фізичні і хімічні явища. Хімічні реакції 74 KB
  Тема: Фізичні і хімічні явища. Хімічні реакції. Навчальна мета: сформувати поняття про фізичні та хімічні явища їх відмінності, розглянути зовнішні ефекти що супроводжують хімічні реакції визначити умови виникнення та перебігу хімічних реакцій, розкрити значення хім
10503. Кристалічні гратки. Атомні, молекулярні та йонні кристали 57 KB
  Тема: Кристалічні гратки. Атомні молекулярні та йонні кристали. Мета: визначити особливості будови твердих речовин та встановити залежність властивостей речовин від їхньої будови. Тип уроку: комбінований. Обладнання: періодична система хімічних елементів Д. І. Менде...
10504. Хімічний звязок та будова у неорганічних речовинах 100.5 KB
  Тема: Хімічний зв’язок та будова у неорганічних речовинах. Тип уроку: уроклекція. Навчальна мета: Узагальнити та систематизувати знання учнів про хімічний зв’язок, характеризувати взаємозв’язки між складом будовою і властивостями речовин, виробити вм...
10505. Хімічні властивості металів 68 KB
  Тема: Хімічні властивості металів. Навчальна мета: вивчити загальні хімічні властивості металів взаємодію їх з киснем галогенами сіркою кислотами солями розглянути хімічну активність металів та відповідно їх відновні властивості повторити окисно відновні реакці...
10506. Хімічні властивості алкенів: повне і часткове окиснення, приєднання Н2, Gal, НGal, полімеризація. Правило Марковнікова. Механізм реакції приєднання за подвійним зв’язком 38.5 KB
  Тема: Хімічні властивості алкенів: повне і часткове окиснення приєднання Н2 Gal НGal полімеризація. Правило Марковнікова. Механізм реакції приєднання за подвійним зв’язком. Навчальна мета: ознайомити з хімічними властивостями алкенів; розкрити механізм реакції приєднан...
10507. Хімічні властивості основ. Реакція нейтралізації 57.5 KB
  Тема: Хімічні властивості основ. Реакція нейтралізації. Навчальна мета: вивчити хімічні властивості основ лугів і нерозчинних у воді основ порівняти їх поглибити знання про індикатори і їх застосування визначити суть реакції нейтралізації. Виховна мета: виховуват...