Цифровой диагностический комплекс сопровождения процесса плазмооптической масс-сепарации отработавшего ядерного топлива

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-79-00037

НазваниеЦифровой диагностический комплекс сопровождения процесса плазмооптической масс-сепарации отработавшего ядерного топлива

Руководитель Казанцев Александр Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" , Иркутская обл

Конкурс №29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые слова отработавшее ядерное топливо, плазмооптическое разделение многокомпонентного пучка ионов, автоматизация эксперимента, совмещенные энерго-масс-анализаторы, обработка данных

Код ГРНТИ58.91.00; 59.01.85; 29.27.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время (февраль 2018 г.) в мировой структуре производства электроэнергии 10,6 % приходится на атомную энергетику и эта доля все время подрастает [1]. Но генерация электроэнергии на атомных станциях рождает проблему радиоактивного загрязнения отработавшим ядерным топливом (ОЯТ), так как глубина выгорания урана составляет величину (мощность реактора 1000 МВт) лишь около 60–100 кг/т урана. В ОЯТ, например реактора ВВЭР–1000, содержится около 20 кг/т делящихся нуклидов (в 3 раза больше, чем в природном уране). На 2000 год в мире выгружалось из энергетических реакторов 11–12 тысяч тонн ОЯТ в пересчете на тяжелый металл (уран и плутоний); в России – примерно 750 тонн. В настоящее время существуют 2 концепции по проблеме обращения с ОЯТ: переработка или захоронение без переработки – проблема одна из самых сложных в современной ядерной энергетике. Общее количество накопленного ОЯТ примерно в 20 раз превышает годовые мощности его переработки. Планируется, что к 2025 году объем переработанного ОЯТ не превысит 25% общего объема выгруженного топлива. Переработка ОЯТ реально осуществляется лишь радиохимическими методами (процессы PUREX, UREX, NUEX). Стоимость переработки равна 650–950 долларов/кг при экономически приемлемой цене в 50–60 долларов/кг. Переработка позволяет, в том числе, обеспечить получение Mixed Oxide (MOX = UO2 + PuO2) топлива, что в 2017 году обеспечивало 5% потребности в ядерном топливе (в России 60 тонн/год) [2]. Наряду с большой стоимостью, основным недостатком химических методов переработки является возникновение значительного количества дополнительных радиоактивных отходов. Сейчас достаточно активно обсуждается альтернативный универсальный физический метод переработки ОЯТ – с использованием плазменных технологий (плазменная масс–сепарация) [3-7]. Сутью плазменной технологии является достижение пространственного разделения ионов в различных специально подобранных конфигурациях электрических и магнитных полей. Наиболее подходящими задачами здесь считаются 1) безопасная, эффективная и рентабельная переработка ОЯТ и очистка радиоактивных отходов; 2) отделение лантаноидов от актинидов (химическими методами это сделать предельно сложно) и 3) восстановление редкоземельных элементов из магнитов Nd2Fe14B [8, 9]. Руководитель заявляемого проекта работает в группе исследователей, разрабатывающих плазмооптический метод масс–сепарации [10, 11]. К настоящему времени создан макет ПОМС–Е–3. Источником многокомпонентного пучка ионов в нем является плазменный ускоритель с анодным слоем. Ионы разделяются по массам, проходя через область поперечного к направлению движения магнитного поля, и затем пространственно распределяются (фокусируются) в сепарирующем объеме каждый на свой приемник. Траектории ионов в сепарирующем пространстве имеют «трехмерный» вид, поэтому их регистрация представляется сложной существующими средствами диагностики. В рамках выполнения заявляемого проекта предполагается устранение данного пробела. В качестве устройств диагностики будет разработана новая серия совмещенных корпускулярных энерго–масс–анализаторов с цифровой системой управления, адаптированных для решения задачи плазмооптической масс–сепарации. Актуальность Отсутствие цифрового диагностического комплекса сопровождения процесса плазмооптической масс-сепарации не позволяет увидеть результат, эффективность разделения многокомпонентного пучка ионов, что, в свою очередь, тормозит доведение макета масс–сепаратора (ПОМС–Е–3) до стадии опытно–конструкторской разработки. Научная новизна 1) В теории известны совмещенные энерго–масс–анализаторы: «гибридный» и «Вина–Юза–Рожанского» [12]. Необходима доработка теории этих устройств с учетом специфики плазмооптической масс–сепарации, разработка конструкций, изготовление и испытание приборов. 2) Есть идея нового широкоапертурного энерго–масс–анализатора как совокупности фильтра Вина и энергоанализатора с задерживающим потенциалом – необходима разработка теории, конструкции, изготовление и испытание анализатора. 3) Новизна анализаторов – значит отсутствие цифровых программ, управляющих последовательными процессами измерения функций распределения ионов многокомпонентного пучка по энергии и массовому составу; отсутствие программ, работающих с электронным блоком управления процессом энерго–масс–анализа; отсутствие цифровых программ обработки данных, расчета характеристик функции распределения и плотности ионов заданной массы в заданном диапазоне энергий – будут разрабатываться новые в процессе выполнения проекта. 4) Отсутствие блока цифрового электронного управления (работающего с аналоговыми сигналами) процессом энерго–масс–анализа – будет разрабатываться новый в процессе выполнения проекта; в качестве базовых электронных элементов будут использованы компоненты “National Instruments”.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бардаков В.М., Казанцев А.В., Строкин Н.А., Ступин А.Н. An Ion Source for a Plasma-Optic Mass Separator Instruments and Experimental Techniques, Vol. 61, No. 4, pp. 538–542 (год публикации - 2018)
10.1134/S0020441218040024

2. Бардаков В.М., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Строкин Н.А., Ступин А.Н. On performance capacity of plasma optical mass separator Physics of Plasmas, 25, 083509 (2018) (год публикации - 2018)
10.1063/1.5037852

3. Строкин Н.А., Казанцев А.В., Бардаков В.М., Нгуен Тхе Тханг, Кузьмина А.С. Jumping the anode layer in the zone of the ExB discharge Physics of Plasmas, Volume 26, Issue 7, 1 July 2019, номер статьи 073501 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5093778

4. Строкин Н.А., Казанцев А.В., Бардаков В.М., Нгуен Тхе Тханг, Кузьмина А.С. Tandem analyzer of plasma flow ions by energy, mass and charges Journal of Physics: Conference Series, Volume 1393, 2019, номер статьи 012060 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1393/1/012060

5. Строкин Н.А., Бардаков В.М., Казанцев А.В., Нгуен Тхе Тханг, Ступин А.Н., Кузьмина А.С. Discharge features in crossed electric and magnetic fields Journal of Physics: Conference Series, Volume 1393, 2019, номер статьи 012030 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1393/1/012030

6. Строкин Н.А., Казанцев А.В., Нгуен Тхе Тханг, Ступин А.Н. Working out of the plasma-optical method of division of the multicomponent stream on elements taking into account plasma effects accompaning mass separation NRNU MEPhI printing house, XVII International Scientific Conference and School of Young Scholars “Physical and Chemical Processes in Atomic Systems”. Technical Program and Abstracts. M.: NRNU MEPhI, 2019. – P. 62 (год публикации - 2019)

7. Строкин Н.A, Бардаков В.М., Тханг Нгуен Тхе, Казанцев А.В. Новый анализатор ионов по энергии, массе и заряду как комбинация линейного фильтра Вина и энергоанализатора с задерживающим потенциалом Письма в ЖТФ, 2020, том 46, вып. 10, с. 7-9 (год публикации - 2020)
10.21883/PJTF.2020.10.49422.18170

Публикации