В Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) завершается разработка экспериментальной установки для неразрушающего контроля содержания урана в инновационных топливных компактах. Эти элементы предназначены для высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР), который станет основой для атомной энерготехнологической станции (АЭТС). Проект реализуется научной группой под руководством доцента кафедры теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов Татьяны Борисовны Алеевой.
Реактор ВТГР тепловой мощностью 200 МВт призван обеспечивать выработку высокопотенциального тепла (температура гелия на выходе из активной зоны достигает 850 °C) для крупномасштабного производства водорода. На данный момент реактор находится на стадии проектирования, однако топливные элементы для него уже созданы и представляют собой уникальные графитовые цилиндры высотой 5 см и диаметром 12,5 мм. Внутри компактов распределены микротвэлы — шарики с кернами из диоксида урана в многослойной керамической оболочке.
«Одна из ключевых задач, стоящих перед нами, — определять, сколько урана находится в партии компактов. Производство топлива — это сложная многостадийная инновационная технология, и существует разброс по диаметрам микротвэлов и их количеству в отдельном компакте. В одном компакте находится около четырёх тысяч микротвэлов диаметром менее миллиметра. Возможен недостаток количества микротвэлов или несоответствие количества урана в отдельном микротвэле, не говоря уже про обогащение урана, которое может отличаться от заявленного», — поясняет Татьяна Алеева.
Разработанная в МИФИ установка основана на активном нейтронном методе. Партия компактов облучается внешним источником нейтронов, которые вызывают деление урана. Регистрация нейтронов деления позволяет определить интенсивность отклика и, соответственно, количество урана в партии. Для создания потока нейтронов используется экспериментальная установка, включающая графитовый куб массой около 3 тонн и расположенный в нем плутоний-бериллиевый радиоизотопный источник нейтронов. Нейтроны с жестким энергетическим спектром (средняя энергия около 4,5 МэВ) замедляются в графите и попадают в измерительную полость с компактами, где происходит реакция вынужденного деления.
Для регистрации быстрых нейтронов над графитовым кубом размещен блок детектирования на основе гелиевых счетчиков, находящихся в полиэтиленовом замедлителе. Между кубом и блоком детектирования установлен кадмиевый экран, поглощающий тепловые нейтроны от внешнего источника. Это снижает фон и улучшает соотношение полезного сигнала к фоновым сигналам.
«В наших экспериментах практически все измерения относительные. Мы сравниваем наш отклик с откликом от стандартного образца, который уже проверен и аттестован. И если отклик в нашей измерительной системе меньше, чем отклик от стандартного образца, значит, урана "не доложили"», — отмечает исследователь.
По словам Татьяны Алеевой, самым сложным этапом при конструировании было правильно выбрать материалы и геометрию измерительной системы, подобрать источник и выбрать его положение. Для этого проводились предварительные нейтронно-физические расчеты и экспериментальные исследования.
Уникальность микротвэлов, содержащих небольшое количество урана, требует измерительных систем с высокой чувствительностью и точностью. Разработанная в МИФИ установка позволит проводить контроль содержания урана в партии свежих топливных компактов перед их помещением в тепловыделяющие сборки (ТВС), что является важным этапом технологической цепочки производства топлива для будущего реактора ВТГР.
***
Из досье Сводка+:
Реакторы типа ВТГР относятся к энергетическим системам поколения IV по классификации МАГАТЭ. Топливо ВТГР представляет собой микротвэлы, состоящие из сферического топливного сердечника (керна) с многослойным защитным покрытием, размещенные в графитовой матрице и упакованные в цилиндрические топливные компакты.
На исследовательских реакторных установках научного дивизиона Росатома к концу 2025 года было испытано более 20 образцов топлива ВТГР с достижением выгорания от 3 до 13%, включая уникальные эксперименты с облучением при температурах на уровне 1600-1700 градусов Цельсия и обеспечением онлайн-контроля выхода продуктов деления.