MYRRHA ускоряется
ТЕХНОЛОГИИ / #1–2_2020
Текст: Ирина ДОРОХОВА / Фото: Karfidovlab.com
Проект MYRRHA перешел к стадии реализации: заказано проектирование зданий и сооружений для ускорителя «Миневра». К 2036 году MYRRHA планирует построить исследовательский реактор с жидкометаллическим теплоносителем, «включать» его ускорителем, изучать на нем быстрые нейтроны, новые материалы и нарабатывать медицинские изотопы.
Что такое MYRRHA?
Название расшифровывается так: «многоцелевой гибридный исследовательский реактор для высокотехнологичных применений» (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications). Административно MYRRHA — это проект бельгийского центра ядерных исследований SCK CEN, расположенного в городе Мол.
MYRRHA — технологически уникальный объект. Это реактор на быстрых нейтронах. Но в самóм реакторе недостаточно нейтронов для запуска и поддержания реакции деления. Необходимые нейтроны поступают из протонного ускорителя: пучок протонов бомбардирует мишень из тяжелого металла, создавая их. Когда нейтроны перестают поступать в реактор, цепная реакция гаснет буквально за секунду. Опасность запуска неконтролируемой цепной реакции и аварии исключается. В качестве теплоносителя в реакторе будет использована жидкометаллическая смесь свинца (44,5%) и висмута (55,5%).
У MYRRHA четыре основные задачи.
Первая — исследование и практическое применение трансмутации. (Трансмутация — утилизация долгоживущих минорных актинидов (Np, Am, Cm) за счет ядерных реакций с нейтронами путем возврата вместе с ядерным топливом в реакторы. — Прим. ред.)
Вторая задача — производство медицинских изотопов. По данным SCK CEN, в 2018 году у 18,1 млн человек по всему миру был диагностирован рак, 9,6 млн из них умерли. Предполагается, что количество онкобольных будет расти, а вместе с ним — и спрос на радиоизотопы. «Чтобы удовлетворить этот спрос, MYRRHA возьмет на себя производство тераностических (применяемых для диагностики и терапии одновременно. — Прим. ред.) радиоизотопов», — отмечается на странице проекта в SCK CEN. Также планируется разработка новых терапевтических изотопов, которые смогут более прицельно бороться с раковыми клетками, снижая риск побочных эффектов.
Третья задача — исследование материалов, как делящихся, так и конструкционных. Участники проекта акцентируют внимание на возможности изучить поведение материалов в термоядерных реакторах.
Наконец, четвертая задача — исследования в области ядерной физики, фундаментальных взаимодействий, физики твердого тела и ядерной медицины.
В 2010 году в рамках Европейской инициативы устойчивости атомной отрасли (исследовательской платформы, цель которой — разработать и продемонстрировать технологии поколения IV на быстрых нейтронах) MYRRHA был определен как объект, вносящий основной вклад в Стратегический план энергетических технологий Евросоюза (план SET). Кроме того, Европейский комитет по сотрудничеству в области ядерной физики (NuPECC) назвал MYRRHA частью своего долгосрочного плана развития лучших объектов ядерной физики в Европе.
В 2012 году команда MYRRHA представила прототип —ускоритель мощностью 1 кВт «Гвиневра» (Guinevere).
Название расшифровывается так: «многоцелевой гибридный исследовательский реактор для высокотехнологичных применений» (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications). Административно MYRRHA — это проект бельгийского центра ядерных исследований SCK CEN, расположенного в городе Мол.
MYRRHA — технологически уникальный объект. Это реактор на быстрых нейтронах. Но в самóм реакторе недостаточно нейтронов для запуска и поддержания реакции деления. Необходимые нейтроны поступают из протонного ускорителя: пучок протонов бомбардирует мишень из тяжелого металла, создавая их. Когда нейтроны перестают поступать в реактор, цепная реакция гаснет буквально за секунду. Опасность запуска неконтролируемой цепной реакции и аварии исключается. В качестве теплоносителя в реакторе будет использована жидкометаллическая смесь свинца (44,5%) и висмута (55,5%).
У MYRRHA четыре основные задачи.
Первая — исследование и практическое применение трансмутации. (Трансмутация — утилизация долгоживущих минорных актинидов (Np, Am, Cm) за счет ядерных реакций с нейтронами путем возврата вместе с ядерным топливом в реакторы. — Прим. ред.)
Вторая задача — производство медицинских изотопов. По данным SCK CEN, в 2018 году у 18,1 млн человек по всему миру был диагностирован рак, 9,6 млн из них умерли. Предполагается, что количество онкобольных будет расти, а вместе с ним — и спрос на радиоизотопы. «Чтобы удовлетворить этот спрос, MYRRHA возьмет на себя производство тераностических (применяемых для диагностики и терапии одновременно. — Прим. ред.) радиоизотопов», — отмечается на странице проекта в SCK CEN. Также планируется разработка новых терапевтических изотопов, которые смогут более прицельно бороться с раковыми клетками, снижая риск побочных эффектов.
Третья задача — исследование материалов, как делящихся, так и конструкционных. Участники проекта акцентируют внимание на возможности изучить поведение материалов в термоядерных реакторах.
Наконец, четвертая задача — исследования в области ядерной физики, фундаментальных взаимодействий, физики твердого тела и ядерной медицины.
В 2010 году в рамках Европейской инициативы устойчивости атомной отрасли (исследовательской платформы, цель которой — разработать и продемонстрировать технологии поколения IV на быстрых нейтронах) MYRRHA был определен как объект, вносящий основной вклад в Стратегический план энергетических технологий Евросоюза (план SET). Кроме того, Европейский комитет по сотрудничеству в области ядерной физики (NuPECC) назвал MYRRHA частью своего долгосрочного плана развития лучших объектов ядерной физики в Европе.
В 2012 году команда MYRRHA представила прототип —ускоритель мощностью 1 кВт «Гвиневра» (Guinevere).
Рождение «Минервы»
"Фокус проекта сместился с НИОКР на стадию практической реализации», — говорится в релизе MYRRHA от 13 декабря 2019 года со ссылкой на директора проекта Хамида Айта Абдеррахима. Для руководства проектированием и строительством ускорителя «Минерва» (так называется фаза 1 проекта MYRRHA) учреждена отдельная компания — "Минерва Проектирование и Строительство" (Minerva Design and Build, MDB). MDB будет отвечать за создание линейного ускорителя с энергией до 100 МэВ, а также объектов, необходимых для протонных мишеней и мишеней управляемого термоядерного синтеза.
Это означает, что команда MYRRHA готовит «Минерву» к работам «на земле». По данным бельгийской L'echo, в ноябре 2019 года был подписан первый контракт, относящийся к проектированию зданий и инженерных коммуникаций для первой фазы проекта. Сумма сделки — € 7,6 млн. Исполнитель контракта — консорциум, в который вошли бельгийская Tractebel и испанская Empresarios Agrupados. Вместе они будут проектировать здания и инженерные сети (системы охлаждения, водоснабжения и электроснабжения) первой фазы ускорителя. Предполагается, что компания, которая будет отвечать за создание инфраструктуры, будет выбрана в конце 2020 года.
Строительство здания, в котором будет располагаться ускоритель, должно быть завершено в 2026 году. Оно будет представлять собой туннель длиной 150 метров, шириной 7,5 метра и высотой 3,5 метра. «Работы начнутся на площадке SCK-CEN в Моле в конце 2021 — начале 2022 года», — сообщил Х. А. Абдеррахим (цитата по L'echo).
«Сердце» «Минервы» — линейный ускоритель протонов. К нему присоединен инжектор протонов. Протоны «выплевываются» (слово из международного профессионального жаргона ядерщиков. — Прим. ред.) на сверхстойкую мишень. Затем радиоактивные ядра (однократно ионизированные атомы) отбираются и отправляются на масс-спектрометр. На фазе 1 у масс-спектрометра будет низкое разрешение — для нынешнего уровня развития технологий это рядовые параметры.
Среди последних заявок, которые команда MYRRHA разместила на сайте госзакупок enot. publicprocurement (срок подачи заявок истек 10 января 2020 года), — заявка на проектирование. В ней два лота. Первый касается предоставления технических услуг по совершенствованию проектирования компонентов и систем первого контура реактора MYRRHA, а также установок и зданий. Инженерные услуги включают анализ структурных элементов, механики разрушений, разработку вспомогательных систем охлаждения, сейсмоанализ и так далее. Второй лот этой же заявки касается проектирования быстрых реакторов, поддержки и совершенствования проектирования конкретных компонентов и систем первого контура. Работа будет касаться, в частности, хранения отработавшего топлива и обращения с ним.
"Фокус проекта сместился с НИОКР на стадию практической реализации», — говорится в релизе MYRRHA от 13 декабря 2019 года со ссылкой на директора проекта Хамида Айта Абдеррахима. Для руководства проектированием и строительством ускорителя «Минерва» (так называется фаза 1 проекта MYRRHA) учреждена отдельная компания — "Минерва Проектирование и Строительство" (Minerva Design and Build, MDB). MDB будет отвечать за создание линейного ускорителя с энергией до 100 МэВ, а также объектов, необходимых для протонных мишеней и мишеней управляемого термоядерного синтеза.
Это означает, что команда MYRRHA готовит «Минерву» к работам «на земле». По данным бельгийской L'echo, в ноябре 2019 года был подписан первый контракт, относящийся к проектированию зданий и инженерных коммуникаций для первой фазы проекта. Сумма сделки — € 7,6 млн. Исполнитель контракта — консорциум, в который вошли бельгийская Tractebel и испанская Empresarios Agrupados. Вместе они будут проектировать здания и инженерные сети (системы охлаждения, водоснабжения и электроснабжения) первой фазы ускорителя. Предполагается, что компания, которая будет отвечать за создание инфраструктуры, будет выбрана в конце 2020 года.
Строительство здания, в котором будет располагаться ускоритель, должно быть завершено в 2026 году. Оно будет представлять собой туннель длиной 150 метров, шириной 7,5 метра и высотой 3,5 метра. «Работы начнутся на площадке SCK-CEN в Моле в конце 2021 — начале 2022 года», — сообщил Х. А. Абдеррахим (цитата по L'echo).
«Сердце» «Минервы» — линейный ускоритель протонов. К нему присоединен инжектор протонов. Протоны «выплевываются» (слово из международного профессионального жаргона ядерщиков. — Прим. ред.) на сверхстойкую мишень. Затем радиоактивные ядра (однократно ионизированные атомы) отбираются и отправляются на масс-спектрометр. На фазе 1 у масс-спектрометра будет низкое разрешение — для нынешнего уровня развития технологий это рядовые параметры.
Среди последних заявок, которые команда MYRRHA разместила на сайте госзакупок enot. publicprocurement (срок подачи заявок истек 10 января 2020 года), — заявка на проектирование. В ней два лота. Первый касается предоставления технических услуг по совершенствованию проектирования компонентов и систем первого контура реактора MYRRHA, а также установок и зданий. Инженерные услуги включают анализ структурных элементов, механики разрушений, разработку вспомогательных систем охлаждения, сейсмоанализ и так далее. Второй лот этой же заявки касается проектирования быстрых реакторов, поддержки и совершенствования проектирования конкретных компонентов и систем первого контура. Работа будет касаться, в частности, хранения отработавшего топлива и обращения с ним.
Детали
Согласно заявке от MYRRHA, лазер с накачкой должен быть твердотельным импульсным, с диапазоном повторения импульсов от 1 Гц до 10 кГц и более, со средней мощностью луча не менее 100 Вт при частоте повторения импульсов 10 кГц.
Лазеры на растворе органических соединений должны иметь усилители красителя и генерацию второй гармоники и быть способными принимать входной луч мощностью не менее 100 Вт (импульсы 10 мДж при частоте повторения 10 кГц).
Лазеры на растворе органических соединений должны иметь усилители красителя и генерацию второй гармоники и быть способными принимать входной луч мощностью не менее 100 Вт (импульсы 10 мДж при частоте повторения 10 кГц).
Еще одна заявка — закупка лазеров для ионизации атомных пучков. Команда MYRRHA намерена купить один твердотельный лазер с накачкой и два лазера на растворе органических соединений. Предполагается, что «Минерва» заработает в 2027 году. С этого времени начнется не только наработка медицинских изотопов, но и изучение частиц.
Переход к проектированию и строительству стал возможен после того, как бельгийское правительство, в сентябре 2018 года выделило около € 558 млн, сообщает L’echo. Для создания «Минервы» потребуется € 300 млн € 258 млн будут использованы для проектирования фаз 2 и 3, а также пойдут на эксплуатационные расходы.
Переход к проектированию и строительству стал возможен после того, как бельгийское правительство, в сентябре 2018 года выделило около € 558 млн, сообщает L’echo. Для создания «Минервы» потребуется € 300 млн € 258 млн будут использованы для проектирования фаз 2 и 3, а также пойдут на эксплуатационные расходы.
Сдвиг на следующую фазу
Фаза 2 предполагает наращивание мощностей ускорителя до 600 Мэ В. Он будет состоять из трех блоков: двух по 100 МэВ и одного — 400 Мэ В. Для того чтобы «плевки» протонов происходили как можно чаще и максимально приблизились по характеристикам к непрерывному току, к системе подключат еще один инжектор. К ней также добавится радиочастотная система охлаждения пучка, которая даст возможность разбить его на банчи (сгустки) с небольшим разбросом энергии. Это позволит делать масс-сепарацию ионов с высоким разрешением, а измерения ионных пучков станут более точными.
На фазе 3 к системе будут подключены реактор, а также импульсный магнит. Последний необходим для того, чтобы отбрасывать в сторону один из «плевков», который необходим для нужд физиков-ядерщиков. Остальные «плевки» продолжат лететь в реактор.
Фаза 2 предполагает наращивание мощностей ускорителя до 600 Мэ В. Он будет состоять из трех блоков: двух по 100 МэВ и одного — 400 Мэ В. Для того чтобы «плевки» протонов происходили как можно чаще и максимально приблизились по характеристикам к непрерывному току, к системе подключат еще один инжектор. К ней также добавится радиочастотная система охлаждения пучка, которая даст возможность разбить его на банчи (сгустки) с небольшим разбросом энергии. Это позволит делать масс-сепарацию ионов с высоким разрешением, а измерения ионных пучков станут более точными.
На фазе 3 к системе будут подключены реактор, а также импульсный магнит. Последний необходим для того, чтобы отбрасывать в сторону один из «плевков», который необходим для нужд физиков-ядерщиков. Остальные «плевки» продолжат лететь в реактор.
Научный взгляд на реактор
Кроме работ над ускорителем, команда MYRRHA продолжает заниматься проектированием и лицензированием реактора — важнейшей составляющей всего проекта: не будет реактора — в проекте останется только ускоритель. Эту деятельность, поддерживаемую научными исследованиями, ведет Институт перспективных ядерных систем, возглавляемый Марком Шинсом.
Косвенное понимание того, какие исследования проводятся в рамках проекта, можно получить из научных работ, размещенных, например, на портале Science Direct.
Так, в 2016 году была опубликована «Оценка расширенной конфигурации системы отвода остаточных тепловыделений для реактора MYRRHA» (Assessment of the Еnhanced DHRS Сonfiguration for MYRRHA Reactor). Работа посвящена оценке инновационной системы отвода остаточных тепловыделений с использованием двух кодов. По мнению ученых, использование жидкометаллического теплоносителя чревато его переохлаждением и даже замерзанием, если в средне- и долгосрочной перспективе не будут приняты корректирующие меры. Ansaldo Nuclear предложила усовершенствованную систему отвода тепла, исключающую риск замерзания.
В 2017 году вышла работа «Оценка риска термического расслоения в исследовательском реакторе MYRRHA» (Risk Аssessment of Тhermal Striping in MYRRHA Research Reactor). Эта тема интересна исследователям потому, что разница температур теплоносителя на входе и выходе из активной зоны в жидкометаллическом реакторе выше, чем в реакторах с водяным теплоносителем, поэтому риск температурного расслоения также выше. Нужно было выяснить, каковы индуцированные тепловые нагрузки и связанные с ними повреждения именно в жидкометаллических реакторах. Результаты исследования ученые сочли удовлетворительными, хотя и признали, что некоторые аспекты придется дополнительно изучать в процессе создания реактора.
Еще одна работа того же года — "Термогидравлическое исследование топливной сборки в реакторе с жидкометаллическим теплоносителем MYRRHA: эксперименты и моделирование" (Thermal-Нydraulic Study of the LBE‑cooled Fuel Assembly in the MYRRHA Reactor: Experiments and Simulations). Конечная цель исследования — создать приемлемый режим охлаждения топливных сборок. Поскольку сценарии движения потоков, например, для отношений между турбулентным переносом момента и теплом, сложно рассчитать, используя программы для расчета гидрогазодинамики, эту задачу стали решать и математически, и экспериментально. Эксперимент, описанный в работе, проводился на 19-стержневой сборке с проволочными разделителями c использованием свинцово-висмутового теплоносителя. Геометрия и условия эксплуатации принимались как прототип условий MYRRHA, чтобы внести проверенные данные в математическую модель и оценить их пригодность для условий MYRRHA. Ученые предложили использовать разработанную ими методологию для полного комплекта сборок реактора MYRRHA (127 стержней).
В 2018 году исследования теплогидравлики процессов в реакторе MYRRHA продолжились. В работе «Совмещенный системный термально-гидравлический / вычислительный флюидодинамический анализ защищенной потери теплоносителя ядерного реактора, случайно возникающей в реакторе MYRRHA» (Coupled System Thermal-Hydraulic/CFD Analysis of a Protected Loss of Flow Transient in the MYRRHA Reactor) ее авторы отмечают, что большая проблема — сложное поле охлаждающих потоков. Оно характерно для больших открытых областей корпуса реактора и выражается в возникновении горячих и холодных областей повышенного давления с ярко выраженными трехмерными явлениями. По мнению ученых, они могут провоцировать случайные аварийные события — например, потери теплоносителя. Цель исследования — получение реалистической картины таких эффектов.
Общая сумма инвестиций на все три фазы, по нынешним оценкам, составляет € 1,6 млрд. На вопросы «АЭ» об источниках недостающей суммы, договоренностях с зарубежными партнерами, а также параметрах работы в MYRRHA не ответили, сославшись на высокую занятость. «Наша команда перезагружена работой на проекте в ближайшие месяцы, и у нее нет времени на ответы и информацию», — извинилась представитель директора проекта Аннита Джус.
Впрочем, MYRRHA планирует зарабатывать: на сайте проекта указано, что MYRRHA в течение своего срока жизни рассчитывает получить € 6,7 млрд.
Кроме работ над ускорителем, команда MYRRHA продолжает заниматься проектированием и лицензированием реактора — важнейшей составляющей всего проекта: не будет реактора — в проекте останется только ускоритель. Эту деятельность, поддерживаемую научными исследованиями, ведет Институт перспективных ядерных систем, возглавляемый Марком Шинсом.
Косвенное понимание того, какие исследования проводятся в рамках проекта, можно получить из научных работ, размещенных, например, на портале Science Direct.
Так, в 2016 году была опубликована «Оценка расширенной конфигурации системы отвода остаточных тепловыделений для реактора MYRRHA» (Assessment of the Еnhanced DHRS Сonfiguration for MYRRHA Reactor). Работа посвящена оценке инновационной системы отвода остаточных тепловыделений с использованием двух кодов. По мнению ученых, использование жидкометаллического теплоносителя чревато его переохлаждением и даже замерзанием, если в средне- и долгосрочной перспективе не будут приняты корректирующие меры. Ansaldo Nuclear предложила усовершенствованную систему отвода тепла, исключающую риск замерзания.
В 2017 году вышла работа «Оценка риска термического расслоения в исследовательском реакторе MYRRHA» (Risk Аssessment of Тhermal Striping in MYRRHA Research Reactor). Эта тема интересна исследователям потому, что разница температур теплоносителя на входе и выходе из активной зоны в жидкометаллическом реакторе выше, чем в реакторах с водяным теплоносителем, поэтому риск температурного расслоения также выше. Нужно было выяснить, каковы индуцированные тепловые нагрузки и связанные с ними повреждения именно в жидкометаллических реакторах. Результаты исследования ученые сочли удовлетворительными, хотя и признали, что некоторые аспекты придется дополнительно изучать в процессе создания реактора.
Еще одна работа того же года — "Термогидравлическое исследование топливной сборки в реакторе с жидкометаллическим теплоносителем MYRRHA: эксперименты и моделирование" (Thermal-Нydraulic Study of the LBE‑cooled Fuel Assembly in the MYRRHA Reactor: Experiments and Simulations). Конечная цель исследования — создать приемлемый режим охлаждения топливных сборок. Поскольку сценарии движения потоков, например, для отношений между турбулентным переносом момента и теплом, сложно рассчитать, используя программы для расчета гидрогазодинамики, эту задачу стали решать и математически, и экспериментально. Эксперимент, описанный в работе, проводился на 19-стержневой сборке с проволочными разделителями c использованием свинцово-висмутового теплоносителя. Геометрия и условия эксплуатации принимались как прототип условий MYRRHA, чтобы внести проверенные данные в математическую модель и оценить их пригодность для условий MYRRHA. Ученые предложили использовать разработанную ими методологию для полного комплекта сборок реактора MYRRHA (127 стержней).
В 2018 году исследования теплогидравлики процессов в реакторе MYRRHA продолжились. В работе «Совмещенный системный термально-гидравлический / вычислительный флюидодинамический анализ защищенной потери теплоносителя ядерного реактора, случайно возникающей в реакторе MYRRHA» (Coupled System Thermal-Hydraulic/CFD Analysis of a Protected Loss of Flow Transient in the MYRRHA Reactor) ее авторы отмечают, что большая проблема — сложное поле охлаждающих потоков. Оно характерно для больших открытых областей корпуса реактора и выражается в возникновении горячих и холодных областей повышенного давления с ярко выраженными трехмерными явлениями. По мнению ученых, они могут провоцировать случайные аварийные события — например, потери теплоносителя. Цель исследования — получение реалистической картины таких эффектов.
Общая сумма инвестиций на все три фазы, по нынешним оценкам, составляет € 1,6 млрд. На вопросы «АЭ» об источниках недостающей суммы, договоренностях с зарубежными партнерами, а также параметрах работы в MYRRHA не ответили, сославшись на высокую занятость. «Наша команда перезагружена работой на проекте в ближайшие месяцы, и у нее нет времени на ответы и информацию», — извинилась представитель директора проекта Аннита Джус.
Впрочем, MYRRHA планирует зарабатывать: на сайте проекта указано, что MYRRHA в течение своего срока жизни рассчитывает получить € 6,7 млрд.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #1–2_2020