Теплогидравлический расчет облучательного устройства для наработки Мо-99 из низкообогащенного топлива в РУ РБТ

Экспериментальные устройства для размещения облучаемых материалов – непременная принадлежность любого исследовательского реактора (ИР). При разработке новых и модернизации старых облучательных устройств (ОУ) необходимо обосновывать их теплотехническую надежность. Обоснование теплотехнической надежности является неотъемлемой частью проекта создаваемого ОУ и проводится с помощью специализированных кодов и программ. Перед проведением внутриреакторых испытаний ОУ расчетным способом необходимо показать, что от устройства будет осуществляться теплоотвод, при котором не произойдет разрушения и расплавления элементов конструкции ОУ, а также будет обеспечен достаточный запас до кризиса теплоотдачи.

Целью настоящей работы является проведение расчетов по обоснованию теплотехнической надежности облучательного устройства на примере устройства для наработки Мо-99, так как одним из важных направлений деятельности АО «ГНЦ НИИАР» является производство радионуклидных источников и препаратов, в частности – наработка в реакторных установках радиоизотопа Мо-99, который используется в области ядерной медицины в качестве терапевтического препарата или диагностического сканера.

Изотоп молибден-99 – это вещество, с помощью которого сегодня проводится около 70% диагностических процедур в области онкологии, 50% – в кардиологии и около 90% – в радионуклидной диагностике. В силу сложности и дороговизны его получения, он широко доступен лишь в немногих развитых странах. Молибден-99 – не конечный продукт, который используется в ядерной медицине. Его основным назначением является получение другого радиоактивного металла – технеция-99.

Для проведения теплового расчета используется программа SolidWorks/FlowSimulation. Первоначально выполняется построение геометрической модели устройства [1].

Рассмотрим подробно геометрическую модель облучательного устройства для наработки Мо-99, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1. 3D-модель облучательного устройства

Облучательное устройство изготовлено из алюминиевого сплава и представляет собой конструкцию, состоящую из соединенных между собой стержнем верхней и нижней концевых деталей, между которыми располагаются три мишени, в центре находится вытеснитель. Мишень представляет собой две соосно-расположенные обечайки с продольными ребрами квадратного профиля, в зазоре между которыми засыпан и загерметизирован порошок интерметаллида урана U-Al₃ (обогащение – 19,7% по урану-235).

Для определения условий охлаждения ОУ, установленного в проточный канал РУ РБТ-6 (РБТ-10/2), произведем теплогидравлический расчет [1] в SolidWorks/FlowSimulation с применением 3D-геометрии ОУ и канала. Перепад давления на ОУ в расчете принимался равным перепаду давления на рабочих ТВС и составляет 5 кПа [2].

Температура теплоносителя на входе в канал составляет 60°С.

Мощность ОУ с тремя мишенями в расчете равна 100 кВт.

При анализе теплотехнической надежности вычисляют коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи [2]. Его находят как минимальное отношение критической и фактической плотностей теплового потока по высотным участкам мишеней. Формула для расчета коэффициента имеет следующий вид:

                                                                                         (1)

где: K_зап – коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи,

 – критическая плотность теплового потока на i-ом высотном участке мишени,

 – фактическая плотность теплового потока на i-ом высотном участке мишени.

Для оценки плотности критического теплового потока q_кр воспользуемся корреляцией Берната [2].

Исходные данные для расчета критического теплового потока q_кр по формуле (1) приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Исходные данные для расчета критической плотности теплового потока

Расчет q_кр будет производиться с использованием следующих формул:

Критическая плотность теплового потока:

                                 , Вт/см²;                                         (2)

Коэффициент теплоотдачи:

                     , Вт/см²;                            (3)

Температура стенки:

                , °С.                       (4)

Фактическая плотность теплового потока q_ф равна 0,6 м/с.

В результате теплового расчета в SolidWorks/FlowSimulation получено распределение температур по элементам конструкции ОУ (рисунок 2).

Рисунок 2. Распределение температур по элементам мишени в продольном и поперечном сечениях. а) поперечное сечение; б) продольное сечение

Как видно из проведенного расчета (рисунок 2), максимальная температура наблюдается на сердечнике и достигает 259°С, что находится в пределах нормы 450°С – максимально допустимая температура разогрева сердечника. Температура оболочки ~ 130°С и соответствует норме (440°С – температура формоизменения алюминия).

Значение критической плотности теплового потока, полученное с использованием формул (2), (3), (4) данной корреляции составляет q_кр = 2,00 МВт/м², фактическая плотность теплового потока q_ф = 0,6 МВт/м², коэффициент запаса до кризиса, посчитанный по формуле (1) равен K_зап = 3,3, что обеспечивает требуемый уровень теплотехнической надежности (значение коэффициента запаса до кризиса должно быть больше двух).

Требования безопасности и теплотехнической надежности при облучении устройства для накопления молибдена-99 в экспериментальном канале РУ РБТ выполняются.