Model układu

2.2. Model układu

Geometria układu typu „Mirror” nie jest nową koncepcją podobnie, jak koncepcja układu hybrydowego. Wśród spotykanych projektów urządzeń hybrydowych istnieje duża różnorodność, zarówno typów, wymiarów, jak również detali konstrukcyjnych poszczególnych elementów, a także proponowanych materiałów konstrukcyjnych. Przykładowo spotykana rozpiętość długości takiego urządzenia mieści się w granicach od kilku do nawet kilkudziesięciu metrów [18] (blisko stu metrów, niekiedy nawet przekracza tę wartość). Przykładowy projekt urządzenia tego typu zaczerpnięty z [19] przedstawiony jest na rys. 2.1.

Jednym z istotnych założeń przyjętych podczas tworzenia modelu było zaproponowanie urządzenia o niewielkich rozmiarach, dających duże szanse na podniesienie konkurencyjności w obszarze kosztów inwestycyjnych, o czym wspomniano w rozdziale 1.2. Inną zaletą wynikającą z rozmiarów mogłaby być względna łatwość montażu oraz obsługi (w tym również prac serwisowych takich, jak wymiana elementów pierwszej ściany).

25

Znakomita większość starszych publikacji i prac badawczych np.: [13,20-23] podejmowała analizę modeli z homogeniczną strefą rozszczepieniową, lub strefa ta była podzielona na kilka obszarów (również zhomogenizowanych) o budowie dostosowanej do realizacji ściśle określonego zadania. W publikowanych w ostatnim czasie pracach najczęściej pojawiają się modele o heterogenicznej strukturze, jednak kierunek badań podejmowany w ramach tychże prac jest nastawiony na różne zagadnienia, które są zasadniczo rozbieżne z głównym celem niniejszej pracy. Stąd w sposób naturalny pojawiają się zróżnicowane propozycje np. w obszarze składu paliwa, co pociąga za sobą szereg następstw takich, jak dobór wymiarów poszczególnych elementów, materiałów konstrukcyjnych, skład paliwa itd. Proponowany model posiada budowę heterogeniczną w strefie rozszczepialnej wzorowaną na projektach reaktorów rozszczepieniowych. Rozważany komputerowy model urządzenia przeznaczony do analizy pakietem MCNP, którego wybrane przekroje pokazane są na rys. 2.2 oraz 2.3 (skala pomiędzy rysunkami nie jest zachowana, nie pokazano magnesów nadprzewodzących i innych mniej znaczących detali) posiada kilka głównych obszarów.

Rysunek 2.2. Uproszczony widok podłużnego przekroju modelu reaktora hybrydowego typu „Mirror” (wymiary podane w [cm]).

W centralnej cylindrycznej części znajduje się próżniowa komora plazmowa, w której przebiegać będzie reakcja syntezy D+T według równania 1.4.

1000 800

26

Komora ta ograniczona jest przez pierwszą ścianę, której celem jest oddzielenie części plazmowej od rozszczepieniowej oraz odbieranie ciepła emitowanego przez plazmę. Ciepło to przenoszone jest głównie w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Z faktu istnienia otworów znajdujących się w osi symetrii układu oraz kanałów pozwalających na zasilanie plazmy świeżym paliwem (które jednocześnie pozwalają na podgrzewanie plazmy), cały układ powinien znajdować się w odpowiednio wysokiej próżni. Za pierwszą ścianą (tj. pomiędzy pierwszą ścianą a zbiornikiem) znajduje się heterogeniczny obszar paliwa rozszczepialnego (z dodatkiem aktynowców). Jest on zbudowany z kaset o przekroju sześciokąta foremnego. Każda kaseta zawiera 37 prętów paliwowych o zróżnicowanym składzie wzdłuż długości pręta (model pozwala dowolnie dobierać skład oraz rozmieszczenia paliwa). Liczba prętów została przyjęta arbitralnie, jednak nawet zgrubne obliczenia cieplne dla większych mocy cieplnych urządzenia (rzędu 2,5GW lub więcej) sugerują potrzebę zwiększenia liczby prętów przy jednoczesnym zmniejszeniu ich średnicy tak, aby ilość paliwa w kasecie oraz w reaktorze pozostała niezmienna. Nie stanowi to problemu zarówno na etapie modelu, jak też w praktycznej realizacji (w takim przypadku liczba prętów w kasecie wzrosłaby z 37 do 61). Jednak ze względu na drugorzędne znaczenie szczegóły tego zagadnienia nie będą szerzej omawiane (wyniki obliczeń różnych wielkości takich, jak wartości keff wykonanych dla obydwu przypadków konstrukcji kasety paliwowej wykazują zaniedbywalnie małe różnice).

Obszar paliwa rozszczepialnego podzielony został na trzy strefy (dobrze widoczne na rys. 2.3 oraz 2.4), w których skład paliwa został odpowiednio zmodyfikowany zgodnie z zasadą: „im dalej od plazmy, tym większe wzbogacenie w izotopy rozszczepialne”. Podejście takie ma na celu wyrównanie przestrzennego rozkładu mocy w kierunku radialnym (dokładniejsze obliczenia będą miały na celu sprecyzowanie składu paliwa spełniającego to założenie).

27

Rysunek 2.3. Uproszczony widok poprzecznego przekroju modelu reaktora hybrydowego typu „Mirror” (wymiary podane w [cm]).

Wszystkie pręty w każdej strefie zostały podzielone (arbitralnie) na trzy podstrefy położone wzdłuż pręta (centralny obszar pręta oraz końcowe odcinki o długości w zakresie 0 … 150cm). Zastosowanie podanego przedziału miało na celu określenie najkorzystniejszej długości końcowych odcinków prętów, w których zmieniony skład paliwa pozwalałby na możliwie najlepsze wyrównanie rozkładu mocy wzdłuż pręta. Centralny obszar pręta zawiera paliwo, którego skład podany jest w dalszej części pracy. Pozostałe części pręta (końcowe odcinki) zawierają paliwo o odpowiednio dobranym (zmienionym) składzie względem składu proponowanego do jego centralnej części. Dobór odpowiedniego składu nastąpił poprzez zmniejszenie udziału izotopów rozszczepialnych i zastąpienie ich aktynowcami, celem otrzymania możliwie równomiernego osiowego rozkładu mocy. Takie działanie pozwala jednocześnie na poprawę bilansu wypalania aktynowców w obszarach o większym strumieniu neutronów o energiach 14MeV.

R 63 R 120

R 65 R 130

28

Rysunek 2.4. Widok poprzecznego przekroju reaktora: a) poszczególnych stref paliwowych (po lewej) oraz b) przekroju pręta paliwowego (po prawej).

Przestrzeń pomiędzy prętami oraz pomiędzy kasetami jest wypełniona chłodziwem w postaci LLE (Lithium-Lead Eutectic).

Z pozostałych cech modelu na uwagę zasługują: podział każdego pręta na 80 osobnych komórek (każda o długości 10cm), które pozwalają na śledzenie takich wielkości, jak strumień neutronów czy gęstość mocy w przeliczeniu na jednostkę długości pręta wzdłuż całej jego długości, a także na łatwą zmianę składu paliwa w poszczególnych komórkach oraz łatwą modyfikację długości końcowych odcinków prętów, w których umieszczone zostanie paliwo o zmienionym składzie (omawiane na poprzedniej stronie). Model pręta poddano wstępnej modyfikacji polegającej na odpowiednim doborze wymiarów. Taki zabieg pozwala na zredukowanie obciążeń mechanicznych konstrukcji nośnej kaset paliwowych, poprzez otrzymanie efektywnej gęstości pręta paliwowego zbliżonej do gęstości chłodziwa. Dokładne zbilansowanie gęstości nie jest możliwe ze względu na zależną od temperatury rozszerzalność cieplną materiałów, ponadto chłodziwo i pręty mają różne temperatury wzdłuż reaktora. Niemniej jednak wpływ wspomnianych czynników na rozbieżności w gęstościach jest w zasadzie niewielki i może zostać pominięty.

29

Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest większa przestrzeń wewnątrz prętów paliwowych pozwalająca na gromadzenie się gazów (głównie helu) powstałych na skutek przemian i reakcji jądrowych, zmniejszając tempo przyrostu ciśnienia wewnątrz koszulki paliwowej.

Innymi działaniami podjętymi w ramach wstępnych poprawek modelu były: wzajemne dopasowanie rozmiarów komory plazmowej, strefy paliwowej oraz rozmiarów kaset paliwowych wraz z rozłożeniem prętów w kasecie. Odpowiedni dobór proporcji paliwa oraz chłodziwa pozwolił na wstępne oszacowanie zmian temperatury chłodziwa wzdłuż reaktora, co ma istotny wpływ na chłodzenie prętów paliwowych oraz pierwszej ściany i jest jednym z głównych czynników decydujących o rozkładzie temperatur (zwłaszcza wzdłuż prętów paliwowych oraz na powierzchni pierwszej ściany od strony plazmy). Proponowany kierunek przepływu chłodziwa jest osiowy – wzdłuż prętów oraz wzdłuż linii pola magnetycznego (z pewnymi wyjątkami, jak końce reaktora, gdzie muszą znajdować się kolektory doprowadzające oraz odprowadzające chłodziwo). Pozwala to w odróżnieniu od innych rozwiązań, na znaczną redukcję sił wywieranych na pręty paliwowe. Dzieje się to dzięki ograniczeniu oporów przepływu oraz zjawisk magnetohydrodynamicznych, które występują w przewodzących prąd płynach poruszających się w polu magnetycznym, gdy iloczyn wektorowy prędkości przepływu płynu i wektora pola magnetycznego jest niezerowy. Ponadto przyjęcie osiowego kierunku przepływu pozwala na otrzymanie niemal symetrycznego rozkładu temperatur względem osi reaktora, co korzystnie wpływa na mechaniczne obciążenia konstrukcji wywołane temperaturową rozszerzalnością materiałów (temat dokładniej dyskutowany w dalszej części pracy).

Strefa paliwowa ograniczona jest zbiornikiem reaktora którego głównym zadaniem jest zapewnienie odpowiedniej sztywności oraz spójności całej konstrukcji. Kolejnym obszarem jest reflektor mający dwa zasadnicze zadania tj.: zmniejszenie ucieczki neutronów oraz ochronę przed nadmiernym promieniowaniem jądrowym (w tym głównie przed strumieniem neutronów) powodującym uszkodzenia radiacyjne oraz nagrzewanie materiałów cewek nadprzewodzących, a także aktywację materiałów cewek i otoczenia reaktora (na rysunku nie naniesiono układu cewek i innych urządzeń pomocniczych).

30

Urządzenie jest także wyposażone w cztery kanały przeznaczone do wprowadzania wiązek cząstek neutralnych. Na rys. 2.2 widoczne są dwa z nich, natomiast pozostałe dwa leżą w płaszczyźnie prostopadłej do prezentowanego przekroju. Wiązki cząstek neutralnych mogą mieć co najmniej dwojakie zastosowanie: pierwszym jest zasilanie plazmy w świeże paliwo dla podtrzymania syntezy jądrowej. Drugim zastosowaniem jest możliwość dogrzewania plazmy. Ponadto kanały te mogą również zostać wykorzystane do wstrzykiwania atomów gazów szlachetnych (np. Ar) celem „natychmiastowego” wygaszenia reakcji syntezy w sytuacji awaryjnej, a tym samym obniżenia mocy reaktora, którego szybkość działania znacznie przewyższa innego rodzaju mechanizmy (takie jak pręty sterownicze, czy wstrzykiwanie trucizn reaktorowych do chłodziwa).

Podsumowując, opracowany model składa się z następujących obszarów (wymieniono najbardziej istotne):

 przestrzeni plazmowej,

 źródła neutronów 14MeV,

 pierwszej ściany,

 4 kanałów pozwalających na wstrzykiwanie wiązek cząstek obojętnych,

 2 kanałów (w osi reaktora) pozwalających na usuwanie produktów syntezy,

 strefy rozszczepieniowej podzielonej na obszary o zróżnicowanym składzie paliwa,

 zbiornika reaktora,

 150 kaset paliwowych,

 5550 prętów paliwowych (o średnicy 0,74cm ) lub 9450 prętów (o średnicy 0,56cm) – w zależności od przyjętej mocy reaktora,

 5796 komórek zawierających eutektykę LLE,

 444000 lub 756000 komórek paliwowych pozwalających na manipulacje składem paliwa – w zależności od przyjętej mocy reaktora,

 reflektora neutronów,

Widok trójwymiarowego modelu zbiornika reaktora przeznaczony do obliczeń transportu ciepła oraz masy pokazany jest na rys. 2.5.

31

Ze względu na dużą liczbę drobnych elementów, których obecność powodowałaby pogorszenie przejrzystości (widok prętów oraz kaset paliwowych) na rysunku pokazany jest jedynie widok zbiornika.

32