катречко 20.10.2017

1. Докладчик: аспирант
Катречко Вячеслав Викторович
ХΙΙΙ МІЖНАРОДНА НАУКОВО-ТЕХНІЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ МОЛОДИХ ВЧЕНИХ ТА ФАХІВЦІВ «ПРОБЛЕМИ СУЧАСНОЇ
ЯДЕРНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ» 18 жовтня — 20 жовтня 2017 р. м. Харків, УКРАЇНА

2. Введение
2
Альтернативой пьюрекс–процессу, который применяется в промышленности при
переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), являются технологии,
использующие физические методы и способствующие улучшению экологии. К таким
методам относится плазменная переработка ОЯТ, не требующая химических реагентов.
Для очистки ядерного топлива (ЯТ) от продуктов деления (ПД) физическими методами
в ННЦ ХФТИ предложена магнитоплазменная переработка ОЯТ, включающая три
стадии: нагрев, ионизация и магнитоплазменное разделение ионов во вращающейся
плазме. Поскольку в качестве топлива в реакторах, в основном используется UO2,
целесообразно рассматривать физико-химические свойства окислов и других сложных
соединений, которые будут образовываться в результате остывания ТВЭЛов.
Сепарация многокомпонентного состава ОЯТ осуществляется:
на стадии нагрева – по различию физико-химических свойств,
на стадии ионизации - по различию потенциалов ионизации,
на стадии магнитоплазменного разделения ионов во вращающейся плазме – по
массам.
• На стадии нагрева до 2500С возможно выделить до 75% ПД, в результате чего при
переводе смеси в плазму уменьшается количество компонент и, соответственно,
энергозатраты.
• На стадии ионизации из оставшихся тугоплавких окислов: урана, лантаноидов,
циркония, в том числе многокомпонентных, образуются различные молекулярные
ионы.
• На стадии магнитоплазменного разделения исследуется возможность сепарации
молекулярных ионов ЯТ и ПД в плазменном фильтре масс.

3. Схема магнитоплазменной переработки ОЯТ
3

4. Состояние ПД в ОЯТ и использование SIMFUEL
4

5. Математическая модель
5
Силы, действующие на заряженную частицу в электромагнитном поле:
,    
r uur ur ur
ma qE q V B
Система уравнений в цилиндрической системе координат:
   
   
 
2
;
2 ;
.
   
   
  
&& & & &
&& && &&
& &&&
r z
r z
z r
m r r q E r B zB
m r r q E zB rB
mz q E rB r B



 
 

Начальные условия: r(0)=r0, φ(0)=φ0, z(0)=z0;
  00 ,& rr V
0 , 0, 0.  r zE E E E 0 400 В/мE
W0=5 эВ, r0=0.01 м, α =45°

6. Магнитоплазменное разделение молекулярных
ионов ОЯТ
Начальная энергия: w= 5 эВ,
Начальный частицы:  =45,
Начальный радиус: r = 0,01 м.
E= E0=400 В/м
E= Е0+
6
0.6E0sin( )

7. Плазменный сепаратор ДИС-2
Аксиальное распределение магнитного поля и секции продольного коллектора
для сбора: 1-нейтралов; молекулярных ионов многокомпонентных окислов - 2,4 ;
3- молекулярных ионов актиноидов ; 5-торцевой коллектор для сбора
молекулярных ионов продуктов деления
7
F≈ 20 т/год

8. Изменение начальной энергии молекулярных ионов ОЯТ
Траектория движения ионов с массой 270 и 400 а.е.м. при разных начальных энергиях
частицы (Er=E0+ )
δz = 11%
80.6E0sin( )

9. Изменение начального угла молекулярных ионов ОЯТ
Траектория движения ионов с массой 270 и 400 а.е.м. при разных начальных углах
молекулярных ионов, Er=
δz = 7%
90.6E 0sin( )

10. Изменение начального радиуса
молекулярных ионов ОЯТ
Траектории движения ионов с массой 270 и 400 а.е.м., с добавлением переменной
компоненты электрического поля( ), при начальной энергии в 5 эВ
и углом влета частицы 45 градусов
1 – 0,01 см
2 – 0,03 см
3 – 0,05 см
δz = 7%
10

11. Исследована возможность пространственного разделения молекулярных
ионов ЯТ и ПД в системе с вращающейся в E┴H полях плазмой при
добавлении переменной компоненты электрического поля с частотой, равной
половине циклотронной частоты вращения иона диоксида урана.
Определены области выхода молекулярных ионов с массами ЯТ и ПД в
разрабатываемом плазменном фильтре масс ДИС-2.
Оценена производительность установки ДИС-2, которая составляет ~20 т/год
рабочей смеси.
Определено влияние разброса начальной энергии w ( 1-13 эВ), начального угла α
(-60, +60) и начального радиуса r (0,01-0,05м) на пространственное
разделение молекулярных ионов с массами ЯТ и ПД в ДИС-2.
Показано, что для ионов с массами ~270 а.е.м (ЯТ) разброс по (w, r)
удовлетворяет месторасположению коллекторов в ДИС-2, а разброс по α приводит
к значительному различию в траекториях ионов при больших α (α=±60), что задает
определенные требования к плазменному источнику.
Выводы

12. Спасибо за внимание!