Исследовательский реактор HFIR в США способствует валидации новых видов ядерного топлива

Высокопоточный изотопный реактор (HFIR), расположенный в Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) Министерства энергетики США (DOE), становится ключевым объектом в системе разработки и квалификации новых видов ядерного топлива в США. В исследовательской статье, опубликованной 25 августа, отмечается, что на фоне роста потребностей в строительстве коммерческих атомных электростанций и передовых реакторов в США ресурсы исследовательских реакторов, пригодных для испытаний новых видов топлива, становятся ограниченными, и HFIR может помочь восполнить дефицит соответствующих экспериментальных возможностей.

Источник изображения: Gunes Ozcan/Ок-Риджская национальная лаборатория, Министерство энергетики США

HFIR является одним из стационарных исследовательских реакторов с самым высоким нейтронным потоком в мире и долгое время использовался для радиационных испытаний ядерного топлива и материалов. В статье отмечается, что данный реактор способен предоставлять важные данные, необходимые для валидации новых видов топлива, обеспечивая поддержку продления срока службы реакторов, повышения эффективности эксплуатации и содействия развертыванию передовых реакторных технологий.

В отношении адаптивности испытаний HFIR может охватывать различные условия тестирования и экспериментальные платформы. Реактор оснащен тремя основными зонами облучения, в которых могут размещаться небольшие «кроличьи» облучательные капсулы. Такие капсулы отличаются коротким циклом проектирования, изготовления и развертывания и могут помещаться в ловушку потока в центре реактора, обеспечивая образцам максимальный уровень нейтронного потока. Съемная и постоянная зоны бериллиевого отражателя HFIR также могут использоваться для более крупномасштабных и структурно сложных облучательных экспериментов, включая испытания с оснащением приборами, датчиками или устройствами теплового нейтронного экранирования для регулировки спектра нейтронного потока.

В области разработки топлива Ок-Риджская национальная лаборатория на протяжении длительного времени использует HFIR для проведения экспериментов по раздельным эффектам и интегральных топливных испытаний. Реактор сыграл важную роль в разработке топливных архитектур высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, особенно в исследованиях, связанных с топливными частицами триструктурного изотропного (TRISO) типа. В последнее время исследователи также проводят эксперименты на основе концепции микротоплива (MiniFuel), объектами облучения которого являются топливо, устойчивое к авариям (ATF), покрытые топливные частицы и металлическое топливо. Эти работы дополняют многочисленные эксперименты по облучению топливных оболочек, проводимые в ловушке потока HFIR.

Модернизация HFIR дополнительно расширила возможности инструментальных экспериментов. С помощью установки для облучения материалов (MIF) ORNL может регулировать температуру с использованием контролируемых продувочных газовых смесей и независимо контролировать несколько температурных зон в рамках одного эксперимента. Автоматизированная система мониторинга позволяет непрерывно отслеживать температуру, давление и состав газа, а также поддерживает возможность удаленного мониторинга и корректировки параметров эксперимента в реальном времени. Эти возможности уже использовались для испытаний по измерению выхода газообразных продуктов деления при облучении топлива TRISO, что демонстрирует способность HFIR одновременно поддерживать несколько сложных высокопоточных экспериментов.

В статье также отмечается, что данные о характеристиках топлива, полученные на HFIR, могут служить технической основой для квалификации ядерного топлива Комиссией по ядерному регулированию США (NRC). Эти данные охватывают такие ключевые показатели характеристик, как выход газообразных продуктов деления, эволюция микроструктуры и взаимодействие топлива с оболочкой, и могут использоваться для валидации характеристик топлива, обеспечения поддержки анализа безопасности и формирования основы для технических отчетов, связанных с нормативной экспертизой новых видов топлива.

На территории кампуса ORNL, где расположен HFIR, также имеется достаточно полный комплекс объектов для контроля и анализа ядерного топлива, включая лабораторию разработки топлива с покрытием, лабораторию разработки и анализа материалов с низкой активацией, лабораторию контроля облученного топлива, а также объекты для контроля и испытаний облученных материалов. Опираясь на эти объекты и многолетний опыт ORNL в области разработки топлива, HFIR сформировал комплексную экспериментальную платформу, охватывающую приготовление, облучение, контроль и анализ топлива.

В исследовании делается вывод, что по мере того как энергетические компании продвигают продление срока службы существующих реакторов, а разработчики передовых реакторов ускоряют процесс коммерциализации, HFIR продолжит играть важную роль в быстром получении высококачественных данных о топливе и продвижении топлива от концептуальной стадии к стадии нормативной сертификации. Данное исследование поддержано Программой передового топлива Управления ядерной энергетики Министерства энергетики США.