Skonstruowanie litowo-deuterowego konwertera neutronów termicznych na neutrony prędkie o energii 14 MeV w reaktorze MARIA (Etap 14, 5.1.

Transkrypt

1 Skonstruowanie litowo-deuterowego konwertera neutronów termicznych na neutrony prędkie o energii 14 MeV w reaktorze MARIA (Etap 14, 5.1.) Krzysztof Pytel, Rafał Prokopowicz Badanie wytrzymałości radiacyjnej materiałów przewidywanych do zastosowania w konstrukcjach reaktorów termojądrowych (napromienianie wybranych materiałów neutronami 14 MeV w warunkach dużych fluencji) (Etap 13, 4.3.) Ewa Hajewska 1

2 Wpływ neutronów prędkich (w tym 14 MeV) na materiały konstrukcyjne reaktora t-j Pierwsza ściana, blanket (płaszcz) i divertor poddane wysokiemu obciążeniu (~10 MW/m 2 ) gęstość strumienia neutronów ~ n/cm 2 s (ITER). W reaktorze DEMO strumienie są ~3 razy większe. Wymagania wobec materiałów konstrukcyjnych: odporność na wysokie temperatury tolerancja na wysokie dpa/fpy (ITER ~10, DEMO ~30) niski poziom indukowanej aktywności Wpływ neutronów na właściwości materiałów aktywacja i transmutacja generacja wodoru i helu defekty w metalach 2

3 Materiały konstrukcyjne reaktora t-j ulegające uszkodzeniom radiacyjnym Materiały konstrukcyjne pierwszej ścianki i blanketu: stale austenityczne, ferrytyczno-martenzytyczne, stopy na bazie niklu, metale wysokoodporne (V, W, Nb, Mo, Ti, Zr, Cr), SiC, CFC, spieki metali (Al). Spowalnianie i reflektor neutronów: beryl, grafit. Wytwarzanie trytu: Li, Li-Pb, Li 2 O, Li-Al. Osłony: B, B 4 C, Pb, SS Izolacja elektryczna: Al 2 O 3, MgO, Y 2 O 3 Magnesy nadprzewodzące: NbTi, Nb 3 Sn itp. 3

4 Urządzenia do badania wpływu neutronów prędkich na materiały konstrukcyjne reaktora t-j Budowa źródła neutronów prędkich (w tym 14 MeV) do badań materiałowych w pełnej skali (International Fusion Materials Irradiation Facility, IFMIF) jest niemal tak samo skomplikowana i droga jak ITERa Obecnie istniejące urządzenia (PF, generatory neutronów a nawet JET) nie pozwalają na osiąganie wysokich fluencji neutronów 14 MeV i wysokich dpa w rozsądnym czasie Konwertery neutronów termicznych na neutrony 14 MeV, instalowane w reaktorach jądrowych są aktualnie jedyną możliwością osiągnięcia względnie wysokich strumieni (~10 14 n/cm 2 s n. rozszczepieniowych oraz ~10 11 n/cm 2 s n. 14 MeV) Konwertery w reaktorach Triga Mark (Wiedeń, Texas TAMU, Kansas KSU), IVV-2M w Czelabińsku oraz w MURR (Missouri) 4

5 Konwerter neutronów termicznych na 14 MeV zasada działania Źródło neutronów termicznych reaktor jądrowy Reakcja (n, ) na 6 Li prowadzi do produkcji trytonu o energii 2.74 MeV: 6 Li + n th T + 4 He (Q 4.79 MeV, 940 b) Tryton oddziałuje z jądrami deuteru i litu-6: D + T 4 He + n 14 MeV (Q MeV) 6 Li + T 8 Be + n 14 MeV (Q MeV) Konkurencyjna do reakcji fuzji D-T i 6 Li-T jest strata energii trytonu na jonizację (stoping power). 5

6 Konwerter neutronów termicznych na 14 MeV założenia konstrukcyjne Grubość warstwy konwertującej dobrana tak, aby praktycznie wszystkie neutrony termiczne były pochłonięte w 6 Li (~2 mm). Zasięg trytonów w warstwie konwertującej znacznie mniejszy od grubości tej warstwy. Wydajność konwersji n. th. 14 MeV jest warst wa konwert uj ąca Konwerter cylindryczny średnica znacznie większa od grubości warstwy 6 LiD/ 6 LiOD D 2 O Gęstość strumienia n. 14 MeV w osi konwertera ~1.5 x gęstość źródła powierzchniowego. Średnia gęstość strumienia neutronów 14 MeV w obszarze konwertera ~2 x gęstość źródła Chłodzenie konwertera obiegiem chłodzenia basenu reaktora 6

7 Konwerter neutronów termicznych na 14 MeV w reaktorze MARIA Potencjalne lokalizacje konwertera w kanałach pionowych reaktora MARIA Wymiary: 30, H=600 mm, objętość załadowcza V = 270 cm 3 Analizy bezpieczeństwa przed uzyskaniem zezwolenia PDBJ na eksploatację: efekt reaktywnościowy generacja i odbiór ciepła ciśnienie gazów w konwerterze zagadnienia korozji stany nienormalne i h g f l k j e d I PB5 PK2 PAR PB1 PB6 PK3 PB2 PK1 PB3 PB4 PK5 1 PK6 V VI VII VIII IX PK4 kp 9 X 10 M L K J I H G F E D 7

8 Badanie wytrzymałości radiacyjnej materiałów konstrukcyjnych reaktora t-j Badania własności wytrzymałościowych oraz badania strukturalne dostarczonego materiału w stanie wyjściowym i po napromienieniu w konwerterze. Do badań użyte będą próbki o kształtach standardowych, ale o zmniejszonych rozmiarach (próbki miniaturowe). Wybór małych próbek i metod badania podyktowane są ograniczoną przestrzenią w konwerterze oraz koniecznością minimalizowania odpadów promieniotwórczych. Badania materiałów napromienionych będą wykonywane w laboratorium przeznaczonym dla materiałów radioaktywnych (komory gorące do 100 Ci 60 Co). Próbki materiału w stanie wyjściowym będą również badane w tych samych warunkach. Badania materiałowe napromienionych próbek będą poprzedzone pomiarami ich aktywności (spektrometria ) 8

9 Laboratorium Badań Materiałowych - 12 komór gorących z osłonnością dla 100 Ci 60 Co 9

10 Laboratorium Badań Materiałowych - 12 komór gorących z osłonnością dla 100 Ci 60 Co 10