Татьяна Алеева: количество топлива измеряется по нейтронному «отклику»

В России планируется построить высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (Реактор ВТГР), который станет основой для атомной энерготехнологической станции (АЭТС). Реакторная установка ВТГР (тепловая мощность - 200 МВт) призвана обеспечить выработку высокопотенциального тепла (температура гелиевого теплоносителя на выходе из активной зоны составляет 850 °C) для крупномасштабного производства водорода. Среди уникальных элементов ВТГР – топливные компакты, содержащие микротвэлы. В МИФИ разрабатывается установка для контроля содержания урана в этих инновационных топливных элементах. О том, как идет эта работа, мы беседуем с доцентом кафедры теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов Татьяной Алеевой.

Интервью взято для рубрики «Голос науки»

–  Татьяна Борисовна, расскажите, чем занимается ваша научная группа?

– Мы разрабатываем установку, которая предназначена для неразрушающего контроля содержания урана в партии свежих топливных компактов реактора ВГТР. Реактор ещё не создан, он на стадии проектирования. Топливные элементы для него представляют из себя так называемые компакты.

– Можете пояснить – как это выглядит?

– Компакты выглядят как графитовые цилиндры высотой 5 см и диаметром 12,5 мм. Компакты наполнены микротвэлами – то есть шариками с кернами  из диоксида урана в многослойной керамической оболочке, и эти микроотвэлы распределены по графитовой матрице.  Одна из задач, стоящих перед нами,  — определять, сколько урана находится в партии компактов.

– На какой стадии должен проходить этот контроль?

– По результатам технологической цепочки по производству топлива. То есть перед тем, как эти компакты будут помещать в ТВС.

– На каких принципах это устройство работает?

– Устройство основано на активном нейтронном методе. То есть партия компактов будет облучаться внешним источником нейтронов. Нейтроны будут вызывать деление урана, и мы будем регистрировать нейтроны деления. В зависимости от того, какая будет интенсивность ответа, вы увидите, сколько там урана. Могут быть варианты, что его, условно, «не доложили».

– А почему такие ситуации возникают?

–  Потому что производство топливных компактов  — сложная многостадийная инновационная технология, и есть разброс по диаметрам микротвэлов и их количеству в отдельном компакте. Ведь внешний диаметр микротвэла составляет менее миллиметра, а диаметр керна из диоксида урана – 0,5 мм. В одном компакте находится около четырёх тысяч микротвэлов. И, соответственно, возможен недостаток количества микроотвэлов, а возможно, количество будет соответствовать, но не будет соответствовать количество урана в отдельном микроотвэле. Я уже не говорю про обогащение урана, которое может отличаться от заявленного.

Экспериментальная установка

– А каким образом будет получаться поток нейтронов?

– У нас собрана экспериментальная установка. Она включает в себя графитовый куб массой около 3 тонн и расположенный в нем плутоний-бериллиевый источник нейтронов. Это радиоизотопный источник нейтронов, основанный на альфа-n-реакции. Испускаются нейтроны с жёстким энергетическим спектром, средняя энергия нейтрона около 4,5 МэВ.  Для увеличения вероятности реакции  деления 235U нейтроны необходимо замедлить. Графит – известный замедлитель нейтронов. Нейтроны летят по графиту, при рассеянии на ядрах углерода теряют свою энергию,  после чего попадают в измерительную полость, где находится партия компактов. Дальше происходит реакция вынужденного деления, и из урана, из партии компактов, вылетают быстрые нейтроны.

– А как происходит их замер?

– Над этим графитовым кубом находится блок детектирования. В качестве детекторов выбраны 3He-счётчики нейтронов, которые находятся в полиэтиленовом замедлителе. Плюс между графитовым кубом и блоком детектирования находится кадмиевый экран, который поглощает тепловые нейтроны, чтобы уже замедлившиеся нейтроны от нашего радиоизотопного источника не попали в блок детектирования. Это снижает фон от внешнего источника, и мы улучшаем отношение эффект/фон, то есть соотношение полезного сигнала к фоновым сигналам.

– Можно ли сказать, что есть некоторый норматив, какова должна быть мощность ответа от партии компактов?

–  В наших экспериментах практически все измерения относительные. То есть мы сравниваем наш отклик с откликом от стандартного образца, который уже проверен и аттестован, на который есть паспорт. И если отклик в нашей измерительной системе меньше, чем отклик от стандартного образца, значит, урана «не доложили».

–  Какие научные или технические трудности пришлось преодолеть по мере конструирования? Что было самое сложное?

–  Самое сложное было правильно выбрать материалы, геометрию нашей измерительной системы, подобрать источник и выбрать его положение. То есть оптимизировать систему по материалам и по геометрии, чтобы добиться требуемой точности результатов. Для этого проводились предварительные нейтронно-физические расчеты и экспериментальные исследования.

–   Сам вопрос о появлении такого устройства связан с тем, что данные микротвэлы уникальны?

–  В общем-то, да. В них достаточно небольшое количество урана, и для них нужны измерительные системы с высокой чувствительностью и высокой точностью.

Беседовал Константин Фрумкин

Новость о данной разработке опубликована на портале «Научная Россия»