Колесо технологий
ПАТЕНТЫ / #3_2021
Материал подготовил Юрий СИДОРОВ
Развитие не может постоянно быть взрывным. Нам требуется время, чтобы привыкнуть к новым технологиям. В атомной энергетике это особенно важно. Безопасность не терпит суеты, каждое действие должно быть тщательно выверено и обосновано. Значит ли это, что мы намеренно тормозим свое развитие? Опыт крупных аварий показывает, что нет. Неудачи замедляют внедрение новых технологий. К смене облика отрасли нужно готовиться очень тщательно, и время, ушедшее на дотошную проработку деталей, не может считаться потраченным напрасно. Впереди нас ждут аддитивные технологии и 3D‑печать.
Калибратор нейтронов
Название: Системы и методы использования сменных мишеней ионных пучков (WO2021003107).
Авторы: Лукас Якобсон, Тай Грибб, Росс Радел, Эван Сенгбуш, Престон Бэрроуз, Эли Молл.
Патентообладатель: Phoenix (США).
Сфера применения: источники нейтронов.
В патенте описываются системы и способы генерации моноэнергетических нейтронов. Пучок ионов направляется на мишень, которая становится их источником. Изменяя толщину и материал мишени, можно получать нейтроны разных энергий. В некоторых вариантах реализации энергии нейтронов различных мишеней могут отличаться по меньшей мере на 100−500 килоэлектронвольт. Авторы приводят список материалов, подходящих для использования в качестве мишеней. Допускаются работа с несколькими пучками ионов и замена мишеней, толщина которых может быть разной.
Авторы: Лукас Якобсон, Тай Грибб, Росс Радел, Эван Сенгбуш, Престон Бэрроуз, Эли Молл.
Патентообладатель: Phoenix (США).
Сфера применения: источники нейтронов.
В патенте описываются системы и способы генерации моноэнергетических нейтронов. Пучок ионов направляется на мишень, которая становится их источником. Изменяя толщину и материал мишени, можно получать нейтроны разных энергий. В некоторых вариантах реализации энергии нейтронов различных мишеней могут отличаться по меньшей мере на 100−500 килоэлектронвольт. Авторы приводят список материалов, подходящих для использования в качестве мишеней. Допускаются работа с несколькими пучками ионов и замена мишеней, толщина которых может быть разной.
Удержание и защита
Название: Экранирующие конструкции в плазменной среде (WO2021007058).
Авторы: Джонатон Генрих, Майкл Гаррет, Томас Макгуайр, Габриэль Иван Фонт.
Патентообладатель: Lockheed Martin (США).
Сфера применения: удержание плазмы.
Система удержания плазмы включает корпус, магнитные катушки, подвешенные внутри корпуса в области плазмы, одну или несколько опор, сконфигурированных для поддержки магнитных катушек. Каждая из них дополнительно включает электропроводящий материал, способный генерировать магнитное поле, имеющее градиент, изменяющийся вдоль опоры. Таким образом, магнитное поле можно наложить на существующее магнитное поле, уменьшая падение плазмы на компонент, опору или корпус. В одном из вариантов внутри опоры можно расположить обмотки из проводящего материала. Они могут быть сконфигурированы различными способами, в том числе так, чтобы в опоре можно было сделать прорезь для беспрепятственного прохождения плазмы.
Авторы: Джонатон Генрих, Майкл Гаррет, Томас Макгуайр, Габриэль Иван Фонт.
Патентообладатель: Lockheed Martin (США).
Сфера применения: удержание плазмы.
Система удержания плазмы включает корпус, магнитные катушки, подвешенные внутри корпуса в области плазмы, одну или несколько опор, сконфигурированных для поддержки магнитных катушек. Каждая из них дополнительно включает электропроводящий материал, способный генерировать магнитное поле, имеющее градиент, изменяющийся вдоль опоры. Таким образом, магнитное поле можно наложить на существующее магнитное поле, уменьшая падение плазмы на компонент, опору или корпус. В одном из вариантов внутри опоры можно расположить обмотки из проводящего материала. Они могут быть сконфигурированы различными способами, в том числе так, чтобы в опоре можно было сделать прорезь для беспрепятственного прохождения плазмы.
Сухая смазка
Название: Смазочное устройство, система измерительных труб ядерного энергетического реактора и способ их смазки (WO2021004634).
Авторы: Саймон Ага, Майкл Засс.
Патентообладатель: Framatome (Германия).
Сфера применения: конструкционные материалы.
Систему измерительных труб коммерческих ядерных реакторов можно использовать как для оценки нейтронного потока в реакторе, так и для производства радионуклидов путем введения мишеней для облучения в систему измерительных трубок. В этом случае мишени для облучения содержат подходящие материалы-прекурсоры, превращающиеся в желаемые радионуклиды под действием облучения в активной зоне ядерного реактора. В обоих случаях необходимо обеспечить защиту от механических нагрузок. Авторы предложили усовершенствованную версию смазочных устройств. Удалось исключить необходимость участия персонала и проводить процедуру в автоматическом режиме. Для транспортировки мишеней по трубкам планируется использовать высокочистый азот и порошкообразную сухую смазку, предпочтительно дисульфид молибдена.
Авторы: Саймон Ага, Майкл Засс.
Патентообладатель: Framatome (Германия).
Сфера применения: конструкционные материалы.
Систему измерительных труб коммерческих ядерных реакторов можно использовать как для оценки нейтронного потока в реакторе, так и для производства радионуклидов путем введения мишеней для облучения в систему измерительных трубок. В этом случае мишени для облучения содержат подходящие материалы-прекурсоры, превращающиеся в желаемые радионуклиды под действием облучения в активной зоне ядерного реактора. В обоих случаях необходимо обеспечить защиту от механических нагрузок. Авторы предложили усовершенствованную версию смазочных устройств. Удалось исключить необходимость участия персонала и проводить процедуру в автоматическом режиме. Для транспортировки мишеней по трубкам планируется использовать высокочистый азот и порошкообразную сухую смазку, предпочтительно дисульфид молибдена.
Холодный страж
Название: Конструкция энергетической защиты ядерных реакторов (WO2021007219).
Автор: Кори Стэнсбери.
Патентообладатель: Westinghouse Electric Company (США).
Сфера применения: системы охлаждения.
Автор описывает устройство поглотителя энергии, включающего цилиндрические трубки с эндотермическим материалом, например, карбаматом аммония. Сборки установлены в удлиненные корзины, окружающие периферию конструкции защитной оболочки ядерного реактора. Устройство способно поглощать избыточную энергию, выделяемую в случае проектной аварии. Ожидается, что изобретение заменит лёд герметичными или вентилируемыми эндотермическими поглотителями, что позволит устранить необходимость многочисленных проблемных компонентов и оборудования. Эту концепцию также можно реализовать в новых проектах ядерных реакторов.
Автор: Кори Стэнсбери.
Патентообладатель: Westinghouse Electric Company (США).
Сфера применения: системы охлаждения.
Автор описывает устройство поглотителя энергии, включающего цилиндрические трубки с эндотермическим материалом, например, карбаматом аммония. Сборки установлены в удлиненные корзины, окружающие периферию конструкции защитной оболочки ядерного реактора. Устройство способно поглощать избыточную энергию, выделяемую в случае проектной аварии. Ожидается, что изобретение заменит лёд герметичными или вентилируемыми эндотермическими поглотителями, что позволит устранить необходимость многочисленных проблемных компонентов и оборудования. Эту концепцию также можно реализовать в новых проектах ядерных реакторов.
Урановые соты
Название: Структура топлива из металлокерамики с функциональной решеткой (WO2021002903).
Авторы: Бенджамин Фишер, Джон Саласин, Крейг Грамлих, Джонатан Виттер.
Патентообладатель: BWXT Advanced Technologies (США).
Сфера применения: перспективные ядерные реакторы.
Авторы предложили использовать трипериодические минимальные поверхности для проектирования активной зоны реактора. Было рассмотрено несколько вариантов поверхностей с объемной плотностью от 35% до 85% с ядерным топливом с обогащением до 20% по 235U. В качестве замедлителя предполагается использовать соединения бериллия, гидрид циркония или графит. Спроектированное размещение делящегося материала по объему, а не с изменениями обогащения между тепловыделяющими элементами, позволяет оптимизировать энерговыделение не только между тепловыделяющими сборками и отдельными тепловыделяющими элементами, но также внутри сборки и твэла. Концентрацию 235U можно также увеличить за счет увеличения плотности решетки. Такой реактор можно использовать в космическом тепловом двигателе.
Авторы: Бенджамин Фишер, Джон Саласин, Крейг Грамлих, Джонатан Виттер.
Патентообладатель: BWXT Advanced Technologies (США).
Сфера применения: перспективные ядерные реакторы.
Авторы предложили использовать трипериодические минимальные поверхности для проектирования активной зоны реактора. Было рассмотрено несколько вариантов поверхностей с объемной плотностью от 35% до 85% с ядерным топливом с обогащением до 20% по 235U. В качестве замедлителя предполагается использовать соединения бериллия, гидрид циркония или графит. Спроектированное размещение делящегося материала по объему, а не с изменениями обогащения между тепловыделяющими элементами, позволяет оптимизировать энерговыделение не только между тепловыделяющими сборками и отдельными тепловыделяющими элементами, но также внутри сборки и твэла. Концентрацию 235U можно также увеличить за счет увеличения плотности решетки. Такой реактор можно использовать в космическом тепловом двигателе.
Давление и стабильность
Название: Система и способ гидрирования для реактора с водой под давлением (WO2021001036).
Авторы: Марко Бевер, Йорг Нидермейер, Мартин Бенеке.
Патентообладатель: Framatome (Германия).
Сфера применения: эксплуатация ядерных реакторов.
Авторы предложили вводить водород в контур высокого давления. С одной стороны, недостаток такого подхода — необходимость использования подающего насоса высокого давления и обеспечения высокого давления в линии подачи. С другой стороны, растворимость водорода с ростом давления возрастает, и промежуток времени от начала процедуры до фиксации результата становится меньше. Число мест в трубопроводе, где не растворившийся водород мог бы накапливаться, сокращается. Таким образом, коррекция количества растворенного в воде кислорода дает более стабильные, устойчивые к возмущениям результаты и не приводит к росту риска утечек.
Авторы: Марко Бевер, Йорг Нидермейер, Мартин Бенеке.
Патентообладатель: Framatome (Германия).
Сфера применения: эксплуатация ядерных реакторов.
Авторы предложили вводить водород в контур высокого давления. С одной стороны, недостаток такого подхода — необходимость использования подающего насоса высокого давления и обеспечения высокого давления в линии подачи. С другой стороны, растворимость водорода с ростом давления возрастает, и промежуток времени от начала процедуры до фиксации результата становится меньше. Число мест в трубопроводе, где не растворившийся водород мог бы накапливаться, сокращается. Таким образом, коррекция количества растворенного в воде кислорода дает более стабильные, устойчивые к возмущениям результаты и не приводит к росту риска утечек.
Спекать и красить
Название: Композиции и методы аддитивного производства компонентов ядерных реакторов (WO2021002902).
Авторы: Бенджамин Фишер, Джон Саласин, Брайан Виггинс.
Патентообладатель: BWXT Advanced Technologies (США).
Сфера применения: перспективные способы производства.
Разработаны различные варианты состава суспензии для изготовления сложных элементов ядерного реактора. Допускается использовать соединения урана, вольфрам или молибден, монополимерную смолу, металлокерамику. Для эффективного послойного производства необходимо выполнять требования к соотношению коэффициентов преломления компонентов. Контроль качества стереолитографического аддитивного производства предлагается проводить с помощью фотоактивируемого красителя.
Авторы: Бенджамин Фишер, Джон Саласин, Брайан Виггинс.
Патентообладатель: BWXT Advanced Technologies (США).
Сфера применения: перспективные способы производства.
Разработаны различные варианты состава суспензии для изготовления сложных элементов ядерного реактора. Допускается использовать соединения урана, вольфрам или молибден, монополимерную смолу, металлокерамику. Для эффективного послойного производства необходимо выполнять требования к соотношению коэффициентов преломления компонентов. Контроль качества стереолитографического аддитивного производства предлагается проводить с помощью фотоактивируемого красителя.
Взрывоустойчивость
Название: АЭС с улучшенной защитой от паровых взрывов (WO2021002551).
Автор: Бён Хван Бэ.
Патентообладатель: Korea Hydro & Nuclear Power (Южная Корея).
Сфера применения: системы безопасности ядерных реакторов.
Охлаждение активной зоны в случае аварии с расплавлением топливных элементов может привести к резкому испарению теплоносителя и паровому взрыву. Для обеспечения безопасности в этом сценарии необходимо исключить возможность разрушения «ловушки расплава». Авторы предложили слоистую защитную структуру. Она включает расходуемый жертвенный слой из известнякового бетона, стальной футеровочный слой и специально организованные полости. При расчетах толщин слоев учитывались механизмы и скорости эрозии, охлаждения расплава.
Автор: Бён Хван Бэ.
Патентообладатель: Korea Hydro & Nuclear Power (Южная Корея).
Сфера применения: системы безопасности ядерных реакторов.
Охлаждение активной зоны в случае аварии с расплавлением топливных элементов может привести к резкому испарению теплоносителя и паровому взрыву. Для обеспечения безопасности в этом сценарии необходимо исключить возможность разрушения «ловушки расплава». Авторы предложили слоистую защитную структуру. Она включает расходуемый жертвенный слой из известнякового бетона, стальной футеровочный слой и специально организованные полости. При расчетах толщин слоев учитывались механизмы и скорости эрозии, охлаждения расплава.
Уран под шубой
Название: Диверсифицированный способ охлаждения расплавленной активной зоны (WO2021002552).
Автор: Бён Хван Бэ.
Патентообладатель: Korea Hydro & Nuclear Power (Южная Корея).
Сфера применения: системы безопасности ядерных реакторов.
Типовой сценарий аварии с повреждением активной зоны был разбит на отдельные этапы, на которых степень разрушения топливных элементов можно контролировать с помощью измерения ключевых параметров. На каждом из этапов выбран оптимальный способ охлаждения. Оцениваются целостность корпуса реактора и целесообразность перемещения расплава в полость под реактором. При расчетах эффективности охлаждения внешней стенки учитывалось расслоение материалов активной зоны после ее полного расплавления.
Автор: Бён Хван Бэ.
Патентообладатель: Korea Hydro & Nuclear Power (Южная Корея).
Сфера применения: системы безопасности ядерных реакторов.
Типовой сценарий аварии с повреждением активной зоны был разбит на отдельные этапы, на которых степень разрушения топливных элементов можно контролировать с помощью измерения ключевых параметров. На каждом из этапов выбран оптимальный способ охлаждения. Оцениваются целостность корпуса реактора и целесообразность перемещения расплава в полость под реактором. При расчетах эффективности охлаждения внешней стенки учитывалось расслоение материалов активной зоны после ее полного расплавления.
Рентгеновский экран
Название: Диспергирующий элемент (WO2021009897).
Авторы: Такуро Идзуми, Сатоши Токуда, Сусуму Адачи, Тэцуя Йонеда.
Патентообладатель: Shimadzu (Япония).
Сфера применения: рентгеновская спектроскопия.
Цель изобретения — создание спектроскопического элемента, способного уменьшить искажение, генерируемое в спектроскопическом кристалле. Для равномерного распределения тепла используется подложка, теплопроводность которой превышает теплопроводность спектроскопического кристалла. Материалы подложек подобраны так, чтобы коэффициент теплового расширения первой подложки был больше, чем у кристалла, а второй — меньше, чем у первой. В результате жесткость системы повышается, уменьшаются напряжения в кристалле и искажения получаемого изображения.
Авторы: Такуро Идзуми, Сатоши Токуда, Сусуму Адачи, Тэцуя Йонеда.
Патентообладатель: Shimadzu (Япония).
Сфера применения: рентгеновская спектроскопия.
Цель изобретения — создание спектроскопического элемента, способного уменьшить искажение, генерируемое в спектроскопическом кристалле. Для равномерного распределения тепла используется подложка, теплопроводность которой превышает теплопроводность спектроскопического кристалла. Материалы подложек подобраны так, чтобы коэффициент теплового расширения первой подложки был больше, чем у кристалла, а второй — меньше, чем у первой. В результате жесткость системы повышается, уменьшаются напряжения в кристалле и искажения получаемого изображения.
Предсказуемый пробег
Название: Материалы делящейся мишени и методы их обработки (WO2021022179).
Авторы: Сэмюэл Моррисон, Лэнс Хаббард, Николас Унак, Брюс Макнамара, Габриэль Холл.
Патентообладатель: Battelle Memorial Institute (США).
Сфера применения: производство изотопов.
Извлечение из мишеней нужных изотопов может быть непростой задачей. Авторы решили упростить ее, добавив к мишени изолирующий и улавливающий слои. В процессе облучения мишени исходный изотоп в результате столкновения превращается в целевой и смещается в улавливающий слой на заранее известную глубину. После этого мишень можно очистить и использовать повторно. Улавливающий слой легко отделяется, его толщина подбирается так, чтобы максимально упростить извлечение целевых изотопов.
Авторы: Сэмюэл Моррисон, Лэнс Хаббард, Николас Унак, Брюс Макнамара, Габриэль Холл.
Патентообладатель: Battelle Memorial Institute (США).
Сфера применения: производство изотопов.
Извлечение из мишеней нужных изотопов может быть непростой задачей. Авторы решили упростить ее, добавив к мишени изолирующий и улавливающий слои. В процессе облучения мишени исходный изотоп в результате столкновения превращается в целевой и смещается в улавливающий слой на заранее известную глубину. После этого мишень можно очистить и использовать повторно. Улавливающий слой легко отделяется, его толщина подбирается так, чтобы максимально упростить извлечение целевых изотопов.
Умная перчатка
Название: Перчаточное устройство для защищенного вмешательства в защитную оболочку (WO2021016726).
Авторы: Кристоф Гейзер, Франк Леманн.
Патентообладатель: Skan (Швейцария).
Сфера применения: средства защиты от ионизирующего излучения.
Известно много различных конструкций перчаток для выполнения работ в герметичной линии. Авторы этого патента сосредоточились на разработке средств защиты от несанкционированного вмешательства человека в производственный процесс. Для это предусматривается установка в перчатку перезаписываемого чипа RFID. Оператор перед началом работы должен пройти биометрическую идентификацию. Все ключевые действия в перчаточном окне, включая время сеансов, дату установки перчатки, номер порта, в который была установлена перчатка, и личные данные установщика, записываются. Доступ к перчатке можно блокировать запирающим устройством, которое предотвращает несанкционированной доступ к герметичной линии.
Авторы: Кристоф Гейзер, Франк Леманн.
Патентообладатель: Skan (Швейцария).
Сфера применения: средства защиты от ионизирующего излучения.
Известно много различных конструкций перчаток для выполнения работ в герметичной линии. Авторы этого патента сосредоточились на разработке средств защиты от несанкционированного вмешательства человека в производственный процесс. Для это предусматривается установка в перчатку перезаписываемого чипа RFID. Оператор перед началом работы должен пройти биометрическую идентификацию. Все ключевые действия в перчаточном окне, включая время сеансов, дату установки перчатки, номер порта, в который была установлена перчатка, и личные данные установщика, записываются. Доступ к перчатке можно блокировать запирающим устройством, которое предотвращает несанкционированной доступ к герметичной линии.
Волны дружат с ветром
Название: Обработка поверхности, увеличивающая критический тепловой поток (WO2021034622).
Авторы: Эвелин Ван, Маттео Буччи, Олорунсола Акинсулир, Брен Филлипс, Йонгсуп Сонг, Чи Ван, Гуанью Су, Махамудур Рахман.
Патентообладатель: Massachusetts Institute Of Technology (США).
Сфера применения: конструкционные материалы.
Мощность реактора ограничивается способностью отвести необходимое количество тепла из активной зоны. Нельзя допускать перегрева топливных элементов и их оболочек. Критический тепловой поток — важная характеристика активной зоны, от нее зависят пределы безопасной эксплуатации реактора. Увеличение этого параметра может позволить поднять номинальную мощность реактора. В описании патента предлагается изменять рельеф поверхности теплообмена, внося нано- и микроразмерные возмущения. Авторы рассматривают различные варианты реализации идеи. Это могут быть покрытие из пористого оксида кремния, нанонити оксида цинка или чешуйки циркониевого сплава.
Авторы: Эвелин Ван, Маттео Буччи, Олорунсола Акинсулир, Брен Филлипс, Йонгсуп Сонг, Чи Ван, Гуанью Су, Махамудур Рахман.
Патентообладатель: Massachusetts Institute Of Technology (США).
Сфера применения: конструкционные материалы.
Мощность реактора ограничивается способностью отвести необходимое количество тепла из активной зоны. Нельзя допускать перегрева топливных элементов и их оболочек. Критический тепловой поток — важная характеристика активной зоны, от нее зависят пределы безопасной эксплуатации реактора. Увеличение этого параметра может позволить поднять номинальную мощность реактора. В описании патента предлагается изменять рельеф поверхности теплообмена, внося нано- и микроразмерные возмущения. Авторы рассматривают различные варианты реализации идеи. Это могут быть покрытие из пористого оксида кремния, нанонити оксида цинка или чешуйки циркониевого сплава.
Возмутитель потока
Название: Опорная решетка ядерного топлива (WO2021029485).
Авторы: Джу Ён Рю, Чэ Ён Нам, Хан Гиль Ву, Парк Нам Гю.
Патентообладатель: Kepco Nuclear Fuel (Южная Корея).
Сфера применения: конструкционные материалы.
Авторы предложили конструкцию опорной решетки ядерной топливной сборки, которую можно изготовить с использованием трехмерной печати без обработки листового металла или сварки. Опорная решетка ядерной тепловыделяющей сборки имеет полые ячейки с внутренней стенкой, расположенные в виде квадратной решетчатой структуры. Каждая ячейка содержит упругие опорные части, поддерживающие топливные стержни. Выступы имеют вид внутренних смесительных лопаток, верхний конец которых выполнен с возможностью выступать по спирали вдоль внутренней стенки. Изобретение позволяет изготавливать более сложные структуры с меньшими затратами.
Авторы: Джу Ён Рю, Чэ Ён Нам, Хан Гиль Ву, Парк Нам Гю.
Патентообладатель: Kepco Nuclear Fuel (Южная Корея).
Сфера применения: конструкционные материалы.
Авторы предложили конструкцию опорной решетки ядерной топливной сборки, которую можно изготовить с использованием трехмерной печати без обработки листового металла или сварки. Опорная решетка ядерной тепловыделяющей сборки имеет полые ячейки с внутренней стенкой, расположенные в виде квадратной решетчатой структуры. Каждая ячейка содержит упругие опорные части, поддерживающие топливные стержни. Выступы имеют вид внутренних смесительных лопаток, верхний конец которых выполнен с возможностью выступать по спирали вдоль внутренней стенки. Изобретение позволяет изготавливать более сложные структуры с меньшими затратами.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #3_2021