Игра в защите
ПАТЕНТЫ / #8_2021
Материал подготовил Юрий СИДОРОВ
Максимальная безопасность — главное условие работы современных реакторов. Это значит, что системы контроля должны становиться всё точнее и быстрее, а системы безопасности — всё надежнее. Перспективные проекты атомных станций по уровню саморегуляции постепенно приближаются к живым организмам, в которых любая нештатная ситуация вызывает срабатывание механизмов повышения живучести. Чем больше информации о работе реактора мы получаем, тем точнее можем настроить его работу. В III квартале самые интересные патенты сгруппировались в области безопасности и контроля.
Надежный контакт
Название: Ввод кабеля для радиоактивных сред (WO2021160442).
Автор: Оливер Фриц.
Патентообладатель: Schott (Германия).
Сфера применения: конструкционные элементы.
Узел вывода кабеля из активной зоны должен не только обеспечивать герметичное соединение, но и препятствовать выходу ионизирующего излучения из активной зоны. Устанавливаемые защитные экраны — массивные, в случае сейсмической нагрузки они могут стать причиной механических повреждений. При разработке компактных реакторов важно уменьшить объем кабельной коробки. Автор предложил использовать несколько защитных слоев с разными свойствами. Для экранировки гамма-излучения предполагается применять свинец или вольфрам, нейтроны замедлит слой с высоким содержанием водорода. Герметичность конструкции позволяет использовать токсичный кадмий в качестве поглотителя тепловых нейтронов. Если температура окажется слишком высокой, допускается применение тугоплавких гидридов металлов и соединений бора.
Автор: Оливер Фриц.
Патентообладатель: Schott (Германия).
Сфера применения: конструкционные элементы.
Узел вывода кабеля из активной зоны должен не только обеспечивать герметичное соединение, но и препятствовать выходу ионизирующего излучения из активной зоны. Устанавливаемые защитные экраны — массивные, в случае сейсмической нагрузки они могут стать причиной механических повреждений. При разработке компактных реакторов важно уменьшить объем кабельной коробки. Автор предложил использовать несколько защитных слоев с разными свойствами. Для экранировки гамма-излучения предполагается применять свинец или вольфрам, нейтроны замедлит слой с высоким содержанием водорода. Герметичность конструкции позволяет использовать токсичный кадмий в качестве поглотителя тепловых нейтронов. Если температура окажется слишком высокой, допускается применение тугоплавких гидридов металлов и соединений бора.
Полезные отходы
Название: Гибридная композитная панель на основе красного шлама с радиационной защитой и процесс ее изготовления (WO2021165988).
Авторы: Манодж Кумар Гупта, Паппу Асокан, Санджай Кумар Сингх Ратхор, Аваниш Кумар Шривастава, Тиртрадж Верма, Анит Парихар.
Патентообладатель: Council of Scientific and Industrial Research (Индия).
Сфера применения: конструкционные материалы.
Авторы проанализировали известные способы изготовления панелей, их состав и постарались исправить основные недостатки. Были улучшены механические свойства, повышены влагостойкость и экологичность. Изобретатели предложили измельчать красный шлам, смешивать его с эпоксидной смолой и формовать листы различной толщины. Из них можно делать панели, двери, кровлю. Таким образом утилизируются отходы, образующиеся при производстве алюминия. В ходящие в состав шлама железо, кремний, алюминий, титан и кальций обеспечивают достаточную степень защиты от ионизирующего излучения, избавляя от необходимости добавлять токсичный свинец. Подготовка смеси проводится при относительно низких температурах. При необходимости можно добавить армирующее стекловолокно.
Авторы: Манодж Кумар Гупта, Паппу Асокан, Санджай Кумар Сингх Ратхор, Аваниш Кумар Шривастава, Тиртрадж Верма, Анит Парихар.
Патентообладатель: Council of Scientific and Industrial Research (Индия).
Сфера применения: конструкционные материалы.
Авторы проанализировали известные способы изготовления панелей, их состав и постарались исправить основные недостатки. Были улучшены механические свойства, повышены влагостойкость и экологичность. Изобретатели предложили измельчать красный шлам, смешивать его с эпоксидной смолой и формовать листы различной толщины. Из них можно делать панели, двери, кровлю. Таким образом утилизируются отходы, образующиеся при производстве алюминия. В ходящие в состав шлама железо, кремний, алюминий, титан и кальций обеспечивают достаточную степень защиты от ионизирующего излучения, избавляя от необходимости добавлять токсичный свинец. Подготовка смеси проводится при относительно низких температурах. При необходимости можно добавить армирующее стекловолокно.
В хозяйстве пригодится
Название: Устройство и процесс рекуперации энергии из отработавшего топлива ядерных реакторов (WO2021170157).
Автор и патентообладатель: Радек Шкода (Чехия).
Сфера применения: обращение с отработавшим топливом.
Твэлы с отработавшим ядерным топливом все еще содержат значительное количество делящегося материала. Согласно замыслу автора, их можно использовать в реакторе с другой конструкцией активной зоны. Автор приводит оценочные величины снижения температуры, давления и сечения поглощения в замедлителе, а также увеличения расстояния между топливными элементами, при которых появляется возможность добиться более глубокого выгорания. Отработавшее топливо может использоваться вместе со свежими сборками. Реактор с ожидаемой мощностью 50–200 МВт предлагается использовать для получения тепла.
Автор и патентообладатель: Радек Шкода (Чехия).
Сфера применения: обращение с отработавшим топливом.
Твэлы с отработавшим ядерным топливом все еще содержат значительное количество делящегося материала. Согласно замыслу автора, их можно использовать в реакторе с другой конструкцией активной зоны. Автор приводит оценочные величины снижения температуры, давления и сечения поглощения в замедлителе, а также увеличения расстояния между топливными элементами, при которых появляется возможность добиться более глубокого выгорания. Отработавшее топливо может использоваться вместе со свежими сборками. Реактор с ожидаемой мощностью 50–200 МВт предлагается использовать для получения тепла.
Зеленое поле
Название: Мобильная установка для сжатия и плавления негорючих отходов демонтированной АЭС (WO2021172621).
Автор: Ун Чан Ли.
Патентообладатель: Orion, Seoul Machinery (Южная Корея).
Сфера применения: обращение с радиоактивными отходами, вывод АЭС из эксплуатации.
При выводе АЭС из эксплуатации необходимо перерабатывать активированные конструкционные материалы. Транспортировать их на специализированный завод дорого. Дешевле провести сортировку по степени активации на месте и постараться уменьшить объем отходов. Подобные установки уже были разработаны, но авторы сделали компактный и пригодный для перевозки на мобильной платформе аналог. Удалось повысить давление сжатия и качество остекловывания. Образующиеся летучие радиоактивные соединения улавливаются.
Автор: Ун Чан Ли.
Патентообладатель: Orion, Seoul Machinery (Южная Корея).
Сфера применения: обращение с радиоактивными отходами, вывод АЭС из эксплуатации.
При выводе АЭС из эксплуатации необходимо перерабатывать активированные конструкционные материалы. Транспортировать их на специализированный завод дорого. Дешевле провести сортировку по степени активации на месте и постараться уменьшить объем отходов. Подобные установки уже были разработаны, но авторы сделали компактный и пригодный для перевозки на мобильной платформе аналог. Удалось повысить давление сжатия и качество остекловывания. Образующиеся летучие радиоактивные соединения улавливаются.
Вкусный цезий
Название: Метод аэробного и анаэробного культивирования микроорганизмов для очистки радиоактивных жидкостей и поверхностей (WO2021170686).
Авторы: Альбина Корнилова, Владимир Высоцкий.
Патентообладатель: Сильвия Шрайбер (Австрия).
Сфера применения: обращение с РАО.
Биологические системы могут демонстрировать высокий уровень селективности при поглощении элементов, необходимых для их развития. В этом они могут даже превосходить известные химические методы. Ионообменные смолы могут повреждаться при поглощении радиоактивных элементов, их избирательность при поглощении изотопов цезия считается недостаточно высокой. При подготовке микроорганизмов к работе формируется дефицит необходимых им веществ, который они восполнят за счет поглощения радиоактивных элементов. После этого биомасса фильтруется и сжигается. Образующиеся отходы имеют существенно меньший объем и далее обрабатываются в обычном порядке.
Авторы: Альбина Корнилова, Владимир Высоцкий.
Патентообладатель: Сильвия Шрайбер (Австрия).
Сфера применения: обращение с РАО.
Биологические системы могут демонстрировать высокий уровень селективности при поглощении элементов, необходимых для их развития. В этом они могут даже превосходить известные химические методы. Ионообменные смолы могут повреждаться при поглощении радиоактивных элементов, их избирательность при поглощении изотопов цезия считается недостаточно высокой. При подготовке микроорганизмов к работе формируется дефицит необходимых им веществ, который они восполнят за счет поглощения радиоактивных элементов. После этого биомасса фильтруется и сжигается. Образующиеся отходы имеют существенно меньший объем и далее обрабатываются в обычном порядке.
Никаких проникновений
Название: Устройство и способ прецизионного измерения тепловой мощности ядерного реактора в реальном времени (WO2021140220).
Авторы: Манфред Линднер, Кристиан Бак, Янина Хакенмюллер, Герд Хойссер, Вернер Манешг, Герберт Стрекер.
Патентообладатель: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (Германия).
Сфера применения: системы измерения мощности реактора.
Применяемые в настоящее время методы измерения мощности сводятся либо к измерению нейтронного потока внутри или снаружи корпуса, либо к оценке изменения энтальпии теплоносителя. Все они довольно громоздкие, дорогие или сложные. Авторы предложили простой в установке и обращении мобильный измерительный комплекс. За основу был взят детектор гамма-излучения с чувствительным элементом из кремния или германия массой около 2 кг. Кислород при облучении нейтронами может испускать протон и превращаться в азот, который затем в результате бета-распада превращается в возбужденный атом кислорода. При этом высвобождаются гамма-кванты с энергией 6,1 МэВ, которые можно зарегистрировать. Этот метод обеспечивает высокоточное, неинвазивное, отказоустойчивое, стабильное и эффективное измерение тепловой мощности атомной электростанции в режиме реального времени.
Авторы: Манфред Линднер, Кристиан Бак, Янина Хакенмюллер, Герд Хойссер, Вернер Манешг, Герберт Стрекер.
Патентообладатель: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (Германия).
Сфера применения: системы измерения мощности реактора.
Применяемые в настоящее время методы измерения мощности сводятся либо к измерению нейтронного потока внутри или снаружи корпуса, либо к оценке изменения энтальпии теплоносителя. Все они довольно громоздкие, дорогие или сложные. Авторы предложили простой в установке и обращении мобильный измерительный комплекс. За основу был взят детектор гамма-излучения с чувствительным элементом из кремния или германия массой около 2 кг. Кислород при облучении нейтронами может испускать протон и превращаться в азот, который затем в результате бета-распада превращается в возбужденный атом кислорода. При этом высвобождаются гамма-кванты с энергией 6,1 МэВ, которые можно зарегистрировать. Этот метод обеспечивает высокоточное, неинвазивное, отказоустойчивое, стабильное и эффективное измерение тепловой мощности атомной электростанции в режиме реального времени.
Тепловой мост
Название: Ядерный реактор и метод управления (WO2021171689).
Авторы: Ватару Накадзато, Хидеаки Икеда, Такаши Хасэгава, Нодзому Мураками, Тадакацу Йодо, Шохей Оцуки, Сатору Камохара, Шота Кобаяси, Ясутака Хараи, Ютака Танака, Такафуми Нода, Казухиро Ёсида, Хидеюки Саката, Хиронори Ногути, Хидеюки Кудо, Тацуо Исигуро.
Патентообладатель: Mitsubishi Heavy Industries (Япония).
Сфера применения: перспективные реакторы.
В предложенном реакторе на периферии активной зоны располагается барабан системы управления. На одну из сторон цилиндров барабана наносят слой нейтронного поглотителя, остальная часть изготавливается из материала, отражающего нейтроны. Тепло отводится из активной зоны стержнями из материала с высокой теплопроводностью, например графена. Хладагент, используемый для вращения турбины, не проходит через активную зону и не активируется. Система управления критичностью реактора использует эффект Доплера, в результате которого увеличивается захват нейтронов в резонансной области при повышении температуры. Авторы допускают использование HALEU-топлива.
Авторы: Ватару Накадзато, Хидеаки Икеда, Такаши Хасэгава, Нодзому Мураками, Тадакацу Йодо, Шохей Оцуки, Сатору Камохара, Шота Кобаяси, Ясутака Хараи, Ютака Танака, Такафуми Нода, Казухиро Ёсида, Хидеюки Саката, Хиронори Ногути, Хидеюки Кудо, Тацуо Исигуро.
Патентообладатель: Mitsubishi Heavy Industries (Япония).
Сфера применения: перспективные реакторы.
В предложенном реакторе на периферии активной зоны располагается барабан системы управления. На одну из сторон цилиндров барабана наносят слой нейтронного поглотителя, остальная часть изготавливается из материала, отражающего нейтроны. Тепло отводится из активной зоны стержнями из материала с высокой теплопроводностью, например графена. Хладагент, используемый для вращения турбины, не проходит через активную зону и не активируется. Система управления критичностью реактора использует эффект Доплера, в результате которого увеличивается захват нейтронов в резонансной области при повышении температуры. Авторы допускают использование HALEU-топлива.
Бумага стерпит
Название: Радиационная защитная бумага на основе микровольфрама и способ ее изготовления (WO2021172760).
Автор: Сеон Чил Ким.
Патентообладатель: Industry Academic Cooperation Foundation Keimyung University (Южная Корея).
Сфера применения: защита от ионизирующего излучения.
При изготовлении защитной одежды трудно соблюсти баланс между ее весом и защитными свойствами. Тяжелая экипировка вынуждает пользователей пренебрегать мерами безопасности и отказываться от ее ношения в тех случаях, когда они считают это возможным. Традиционное использование токсичного свинца приводит к необходимости добавления дополнительных защитных слоев. Автор предложил способ изготовления тонких, легких и прочных листов материала, содержащего микрочастицы вольфрама. Получившийся материал можно резать ножом или ножницами.
Автор: Сеон Чил Ким.
Патентообладатель: Industry Academic Cooperation Foundation Keimyung University (Южная Корея).
Сфера применения: защита от ионизирующего излучения.
При изготовлении защитной одежды трудно соблюсти баланс между ее весом и защитными свойствами. Тяжелая экипировка вынуждает пользователей пренебрегать мерами безопасности и отказываться от ее ношения в тех случаях, когда они считают это возможным. Традиционное использование токсичного свинца приводит к необходимости добавления дополнительных защитных слоев. Автор предложил способ изготовления тонких, легких и прочных листов материала, содержащего микрочастицы вольфрама. Получившийся материал можно резать ножом или ножницами.
Свинцовая подстилка
Название: Вакуумный сосуд с «жидким сэндвичем» для магнитного удержания плазмы (WO2021178472).
Авторы: Джеффри Фрейдберг, Сара Ферри, Деннис Уайт, Кэролайн Соренсен, Итан Петерсон.
Патентообладатель: Massachusetts Institute of Technology (США).
Сфера применения: конструкционные элементы термоядерного реактора.
При термоядерном синтезе примерно 20% выделяющейся энергии идет на прямой нагрев стенок камеры и около 80% уносят нейтроны. Для отвода тепла авторы предложили слоистую структуру, включающую слой свинца, который плавится после начала термоядерной реакции, и жидкую соль. Для предотвращения коррозии было решено использовать стойкие материалы, например карбид кремния. При локальной потере сверхпроводимости избыточная энергия будет утилизирована в жидком свинцовом слое, сохранив при этом целостность конструкционных элементов. Предложенная схема оптимизации теплообмена позволяет уменьшить суммарную толщину конструкции по сравнению с известными аналогами.
Авторы: Джеффри Фрейдберг, Сара Ферри, Деннис Уайт, Кэролайн Соренсен, Итан Петерсон.
Патентообладатель: Massachusetts Institute of Technology (США).
Сфера применения: конструкционные элементы термоядерного реактора.
При термоядерном синтезе примерно 20% выделяющейся энергии идет на прямой нагрев стенок камеры и около 80% уносят нейтроны. Для отвода тепла авторы предложили слоистую структуру, включающую слой свинца, который плавится после начала термоядерной реакции, и жидкую соль. Для предотвращения коррозии было решено использовать стойкие материалы, например карбид кремния. При локальной потере сверхпроводимости избыточная энергия будет утилизирована в жидком свинцовом слое, сохранив при этом целостность конструкционных элементов. Предложенная схема оптимизации теплообмена позволяет уменьшить суммарную толщину конструкции по сравнению с известными аналогами.
Безопасный водород
Название: Высокотемпературный гидридный замедлитель, обеспечивающий компактность активной зоны ядерных микрореакторов с высокой удельной мощностью (WO2021178182).
Авторы: Венкатешвара Дасари, Алекс Левинский, Ясир Арафат, Юри Ван Вик.
Патентообладатель: Westinghouse Electric Company (США).
Сфера применения: перспективные конструкционные материалы.
Высокая стоимость HALEU‑топлива ограничивает его применение в гражданских проектах малой атомной энергетики. Авторы предложили конструкцию активной зоны реактора, который может использовать уменьшенное количество среднеобогащенного топлива или его вариацию с содержанием 235U, близким к 5%. Отличительная особенность проекта — использование двух типов замедлителя. В качестве первичного замедлителя может выступать материал с низким поглощением нейтронов и невысокой замедляющей способностью: графит, карбид кремния, нитрид алюминия. В качестве вторичного замедлителя предлагается использовать гидрид металла. При повышении температуры выше допустимого уровня водород диссоциирует, покидает активную зону и перестает замедлять нейтроны. Это повышает пассивную безопасность реактора.
Авторы: Венкатешвара Дасари, Алекс Левинский, Ясир Арафат, Юри Ван Вик.
Патентообладатель: Westinghouse Electric Company (США).
Сфера применения: перспективные конструкционные материалы.
Высокая стоимость HALEU‑топлива ограничивает его применение в гражданских проектах малой атомной энергетики. Авторы предложили конструкцию активной зоны реактора, который может использовать уменьшенное количество среднеобогащенного топлива или его вариацию с содержанием 235U, близким к 5%. Отличительная особенность проекта — использование двух типов замедлителя. В качестве первичного замедлителя может выступать материал с низким поглощением нейтронов и невысокой замедляющей способностью: графит, карбид кремния, нитрид алюминия. В качестве вторичного замедлителя предлагается использовать гидрид металла. При повышении температуры выше допустимого уровня водород диссоциирует, покидает активную зону и перестает замедлять нейтроны. Это повышает пассивную безопасность реактора.
Ядерная скороварка
Название: Пассивная система охлаждения защитной оболочки кипящего реактора (WO2021138248).
Автор: Гэри Энтони.
Патентообладатель: GE-Hitachi Nuclear Energy Americas (США).
Сфера применения: пассивные системы охлаждения.
Даже после останова реактор все равно нуждается в охлаждении. Распадающиеся нестабильные изотопы выделяют значительное количество тепла, которое нужно отводить с достаточной скоростью даже в том случае, если системы принудительной прокачки теплоносителя вышли из строя. Автор предложил конструкцию охлаждающего бассейна вокруг защитной оболочки реактора, который способен сдержать выброс пара и небольшого объема газов из реактора. Для этого в состав системы пассивного охлаждения входят трубы, способные перемещаться в вертикальном направлении, если нужно скомпенсировать возникшее избыточное давление. В описании патента приводятся предпочтительные размеры труб и их количество.
Автор: Гэри Энтони.
Патентообладатель: GE-Hitachi Nuclear Energy Americas (США).
Сфера применения: пассивные системы охлаждения.
Даже после останова реактор все равно нуждается в охлаждении. Распадающиеся нестабильные изотопы выделяют значительное количество тепла, которое нужно отводить с достаточной скоростью даже в том случае, если системы принудительной прокачки теплоносителя вышли из строя. Автор предложил конструкцию охлаждающего бассейна вокруг защитной оболочки реактора, который способен сдержать выброс пара и небольшого объема газов из реактора. Для этого в состав системы пассивного охлаждения входят трубы, способные перемещаться в вертикальном направлении, если нужно скомпенсировать возникшее избыточное давление. В описании патента приводятся предпочтительные размеры труб и их количество.
Пончик с теплоносителем
Название: Интегрированная конструкция пассивного охлаждения контейнмента ядерного реактора (WO2021133785).
Автор: Дэвид Хайндс.
Патентообладатель: GE-Hitachi Nuclear Energy Americas (США).
Сфера применения: пассивные системы аварийного охлаждения.
Автор предложил расположить вокруг защитной оболочки реакторного отделения кольцевой зазор, который можно заполнить теплоносителем. Внутреннее пространство может быть изготовлено из самоуплотняющегося бетона, покрыто нержавеющей сталью или сталью с антикоррозионным покрытием. Предусмотрена возможность установки каналов теплоносителя для поступления охлаждающей жидкости из внешнего резервуара. Описывается несколько вариантов построения силовой схемы создаваемой конструкции.
Автор: Дэвид Хайндс.
Патентообладатель: GE-Hitachi Nuclear Energy Americas (США).
Сфера применения: пассивные системы аварийного охлаждения.
Автор предложил расположить вокруг защитной оболочки реакторного отделения кольцевой зазор, который можно заполнить теплоносителем. Внутреннее пространство может быть изготовлено из самоуплотняющегося бетона, покрыто нержавеющей сталью или сталью с антикоррозионным покрытием. Предусмотрена возможность установки каналов теплоносителя для поступления охлаждающей жидкости из внешнего резервуара. Описывается несколько вариантов построения силовой схемы создаваемой конструкции.
Надежность револьвера
Название: Барабан управления мобильным ядерным реактором (WO2021138254).
Автор: Деннис Нельсон.
Патентообладатель: GE-Hitachi Nuclear Energy Americas (США).
Сфера применения: перспективные конструкционные элементы.
Для управления реактивностью в малогабаритном реакторе удобнее использовать барабанную схему движения поглотителя и отражателя. Входящие в состав барабана подвижные элементы представляют собой наборы трубок, организованных в цилиндрические сборки с дистанционирующими решетками. Часть трубок заполняется поглотителем, часть — отражателем. При этом автор предложил отказаться от использования твердых материалов и заменить их порошком. Это решает проблему радиационного распухания и теплового расширения, удешевляет процесс производства. Барабаны управляются магнитным приводом. Безопасность может быть обеспечена даже в случае его отказа, допускается работа в горизонтальном положении.
Автор: Деннис Нельсон.
Патентообладатель: GE-Hitachi Nuclear Energy Americas (США).
Сфера применения: перспективные конструкционные элементы.
Для управления реактивностью в малогабаритном реакторе удобнее использовать барабанную схему движения поглотителя и отражателя. Входящие в состав барабана подвижные элементы представляют собой наборы трубок, организованных в цилиндрические сборки с дистанционирующими решетками. Часть трубок заполняется поглотителем, часть — отражателем. При этом автор предложил отказаться от использования твердых материалов и заменить их порошком. Это решает проблему радиационного распухания и теплового расширения, удешевляет процесс производства. Барабаны управляются магнитным приводом. Безопасность может быть обеспечена даже в случае его отказа, допускается работа в горизонтальном положении.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #8_2021