Передовые разработки кафедры Миллионщикова НИЯУ МИФИ

На кафедре НИЯУ МИФИ, созданной академиком Михаилом Дмитриевичем Миллионщиковым (ему 16 января исполнилось бы 105 лет), проводятся исследования и разработки, которые описаны ниже.

Учёные МИФИ выяснили, как оптимизировать заводы по обогащению урана.

Теоретики Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" показали, что при расчете конструкции разделительных заводов по обогащению урана в качестве оптимального критерия эффективности следует учитывать минимальное число разделительных элементов/газовых центрифуг в каскаде, а не минимальное количество рабочего вещества, проходящего через центрифуги.

Спроектированная при таких условиях разделительная установка будет, по словам специалистов, наименее дорогостоящей.
Необходимость обеспечения энергетических ядерных реакторов топливом на основе низкообогащенного урана требует его широкомасштабного производства. В России уран обогащают в многоступенчатых разделительных установках – каскадах, содержащих тысячи газовых центрифуг.

Сооружение и эксплуатация таких заводов очень затратны, поэтому поиск путей их оптимизации важная задача. Считается, что при проведении исследований с целью оценки оптимальных параметров каскадов газовых центрифуг необходимо учитывать "границы применимости" используемых критериев.

Ученые НИЯУ "МИФИ" сравнили характеристики каскадов, оптимизированных по критериям минимального числа разделительных элементов в них и минимального количества рабочего вещества  (гексафторида урана), проходящего через все центрифуги в единицу времени (суммарного потока питания разделительных ступеней). При этом параметры/режимы работы центрифуг на каждой ступени каскада были неодинаковы.
По словам исследователей, во многих ситуациях минимальным удельным затратам отвечает каскад, имеющий минимально возможное число разделительных элементов/газовых центрифуг.

Ученые показали, что в условиях оптимизации по величине суммарного потока найденные параметры каскада не отвечают минимуму числа центрифуг в каскаде. Из этого следует, что при различных параметрах центрифуг на ступенях каскада нельзя использовать подобный критерий оптимизации.

Он оправдан лишь в частном случае – когда все центрифуги на всех ступенях разделительного каскада работают в одинаковом режиме. На практике это означает, что спроектированная при таких условиях разделительная установка будет более дорогостоящей.

"Важно отметить, что все выводы, сделанные в этой работе, относятся не только к обогащению урана для АЭС, но и к разделению изотопных смесей других химических элементов", –
подчеркнул один из авторов исследования, ассистент кафедры молекулярной физики НИЯУ "МИФИ" Андрей Смирнов.

По его мнению, использование некорректных для решения конкретных задач критериев "может привести к тому, что будут найдены далеко не самые лучшие параметры разделительной установки/завода для получения того или иного изотопного продукта". Если учесть, что цена производимых изотопов достаточно велика, то потери в эффективности подобных установок даже на доли процента могут обернуться заметным удорожанием получаемой продукции.

При выполнении работы, результаты которой опубликованы в журнале "Nuclear Engineering and Technology", ученые использовали последние достижения теории каскадов для разделения изотопных смесей, применяли разработанные в НИЯУ "МИФИ" численные методики оптимизации параметров каскадных установок.

Источник: РИА-Новости

Российские ученые предложили новый материал для ядерных реакторов

Ученые Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" изучили возможность применения изотопомодифицированного молибдена в качестве альтернативы циркониевым сплавам, из которых изготавливаются тепловыделяющие элементы, и доказали, что таким образом можно повысить безопасность ядерных реакторов. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Research and Design.

Ядерная энергия принципиально отличается от других видов топлива, известных человечеству, чрезвычайной опасностью и сложностью в применении. В ядерных реакторах используется диоксид урана (UO2) в виде таблеток диаметром в несколько сантиметров, которые помещают в герметично закрытые тепловыделяющие элементы (твэлы).

Оболочки твэлов должны обладать хорошей коррозионной, эрозионной и термической стойкостью, а также не влиять на характер поглощения нейтронов в реакторе.

В настоящее время основной материал оболочек твэлов на большинстве коммерческих АЭС в России — циркониевые сплавы. У них высокая коррозионная стойкость в воде и низкое сечение захвата тепловых нейтронов (это такое свойство материала, которое характеризует вероятность взаимодействия элементарной частицы — нейтрона — с атомным ядром). Чем ниже сечение захвата, тем нейтроны меньше влияют на характеристики материала твэла.

Однако, как оказалось, у сплавов циркония есть и значительные недостатки. В частности, они активно реагируют с водой и генерируют тепло, производя водород и ускоряя деградацию покрытия топливных стержней. Это происходит в результате пароциркониевой реакции при температуре выше 700 градусов Цельсия, что чрезвычайно опасно при авариях на АЭС с водяным охлаждением. Именно это считается главной причиной взрывов на японской АЭС "Фукусима".

Ученые достаточно давно обсуждают возможность замены циркониевых сплавов тугоплавким металлом молибденом. Как и цирконий, он отличается высокой коррозионной стойкостью, но его теплопроводность выше.

Однако с молибденом также связаны определенные трудности. В частности, его применение требует увеличивать степень обогащения урана, что делает технологический процесс значительно дороже.
Решить эту проблему можно, изменив природный состав изотопов молибдена на каскаде газовых центрифуг, а именно удалив другие семь изотопов и оставив только один самый тяжелый изотоп (Мо-100), у которого сечение захвата нейтронов практически такое же, как у циркония.

Кроме того, с помощью центробежной технологии разделения изотопов можно модифицировать смесь изотопов молибдена так, что сечение захвата в совокупности будет близко или даже меньше, чем у циркония.
"Проведенное исследование позволило получить всю необходимую информацию для проектирования разделительной установки для крупномасштабного производства изотопомодифицированного молибдена на основе существующей в России технологии разделения неурановых изотопов на газовых центрифугах", — констатирует профессор кафедры молекулярной физики НИЯУ "МИФИ" Валентин Борисевич.

Ученые сравнили эффективность нескольких каскадных схем разделения изотопов молибдена при различных требованиях к сечению захвата нейтронов в получаемом продукте. Работы проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках сотрудничества НИЯУ "МИФИ" с инженерно-физическим факультетом Университета Цинхуа (Пекин, КНР).

Результаты показали, что наиболее эффективная схема разделения может быть реализована с помощью либо одиночного прямоугольно-секционированного каскада (ПСК), либо двойного ПСК — это зависит от задаваемого значения сечения захвата нейтронов в получаемом изотопомодифицированном молибдене.

Источник: РИА-Новости