Zasnova in izvedba naprave za obsevanje pri visoki temperaturi na reaktorju IJS TRIGA mark II
Oznaka in naziv projekta
NC-24001 Zasnova in izvedba naprave za obsevanje pri visoki temperaturi na reaktorju IJS TRIGA mark II
NC-24001 Design and deployment of a high temperature irradiation device for the JSI TRIGA mark II reactor
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Klemen Ambrožič
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Vsebinski opis projekta
Predlagamo zasnovo, izdelavo in uporabo obsevalne naprave za IJS TRIGA reaktor, ki bi omogočila testiranje komponent in senzorjev pri visoki temperaturi za napredne fisijske in fuzijske reaktorje.
In next generation of fission and fusion reactors, both structural materials and instrumentation will be subject to high radiation and high temperature environment, either in gas or submerged in liquid metal/salt. While many concepts do exist on paper, very few have been tested, mainly due to limited availability of a high temperature irradiation device. In order to advance material science and detector development for novel fission and fusion designs, we propose developing and deploying a new, high temperature irradiation device. The project will commence with WP1 by JSI & CEA reviewing the irradiation requirements in terms of temperature, neutron flux/fluence in Task 1 and review existing heated irradiation devices in Task 2, establish a conceptual design, suitable for implementation at the JSI TRIGA reactor, which will mark the end of WP1. The design phase (WP2) will involve JSI performing a computational analysis of the conceptual design in terms of its effects on neutron and gamma field inside JSI TRIGA irradiation facilities (Task 3) and the neutron activation i.e. neutron induced radioactivity of a material candidates of the heated irradiation device (Task 5). CEA will perform a numerical thermal analysis (Task 4). The last two activities will provide information required for advancing from conceptual to a final design, concluding the WP2. The final design will then undergo manufacturing (WP3), with JSI handling the manufacture of JSI TRIGA specific parts, and CEA handling the irradiation device parts and assemblies. The manufactured device will undergo a qualification phase (WP4), initially in a non-nuclear, laboratory test under representative conditions by CEA, where any potential shortcomings in the design will be identified and addressed. The device will then be qualified at the JSI TRIGA reactor by JSI and CEA, rigorously testing all aspects of its operation, with successful testing concluding the WP4. This will be followed by WP5 the actual experiments where JSI and CEA will test the performance of a miniature fission chamber and a Rayleigh optical fibre detector under heated irradiation conditions. WP6 is dedicated to management, dissemination and reporting.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
Program dela raziskovalnega projekta NC-24001 ("Zasnova in izvedba naprave za obsevanje pri visoki temperaturi na reaktorju IJS TRIGA mark II") se izvaja v skladu z zastavljeno časovnico. Večina ključnih ciljev je že uspešno realiziranih ali pa so v zaključni fazi potrditve. Stopnjo uresničitve po posameznih sklopih ocenjujemo kot visoko in zelo uspešno.
1. Konceptualna zasnova naprave Stopnja uresničitve: V celoti realizirano. Izhodiščna konceptualna zasnova je zahtevala razvoj naprave, ki bi v intenzivnem sevalnem polju omogočala testiranje materialov (za fuzijske in fisijske reaktorje) pri povišanih temperaturah. Koncept je bil uspešno razvit okoli sledečih varnostnih zahtev: Naprava ne sme ogrožati celovitosti reaktorja Inducirana radioaktivnost v napravi mora imeti kratek razpolovni čas <24h za rutinsko uporabo. Temperatura v notranjosti do 1000 °C Temperatura zunanje stene naprave zaradi varnosti reaktorja ne sme preseči 100 °C. Zasnova predvideva modularno zgradbo, ki združuje visokotemperaturni grelec, specializirano izolacijo in aktivni sistem hlajenja, kar predstavlja inovativen inženirski preboj na področju reaktorske instrumentacije. Zasnova je potekala v živo in preko video-konferenc v tesnem sodelovanju s CEA Cadarache.
2. Identifikacija tehničnih omejitev Stopnja uresničitve: V celoti realizirano. V sodelovanju s partnerji iz CEA Cadarache je bil identificiran in izbran (Tangencialni) Horizontalni obsevalni kanal št. 5, ki ustreza prostorskim zahtevam (vstavljanje cilindričnih vzorcev do premera 15 cm) in zagotavlja izjemno intenzivno sevalno polje. Prav tako smo uspešno določili in preverili zahtevane lastnosti konstrukcijskih materialov. Ti morajo izkazovati nizek presek za interakcijo z nevtroni ter kratek razpadni čas nastalih izotopov, kar je ključni pogoj za rutinska obsevanja in varno rokovanje po zaustavitvi reaktorja.
3. Izračuni temperaturnih profilov in ocena radioaktivnosti Stopnja uresničitve: V celoti realizirano. V sodelovanju s partnerji iz CEA Cadarache so bile s programom COMSOL Multiphysics izvedene termične simulacije, ki so potrdile potrebo po vsaj 300 W grelne moči. Na podlagi analiz smo izbrali toplotna izolatorja Nano-T in P1100S ter silicijev karbid (SiC) za grelni element. Z uporabo programa FISPACT-II in fizičnimi testnimi obsevanji vzorcev (ter analizo s HPGe spektrometrom) smo praktično potrdili, da je inducirana radioaktivnost minimalna. Vsebnost nečistoč ne predstavlja varnostnega tveganja, kar omogoča varno rokovanje z napravo že 3 dni po obsevanju.
4. Izdelava prototipne naprave in testiranje Stopnja uresničitve: Uspešno realizirano (z rešenimi logističnimi odstopanji). Prvi prototip je bil izdelan z uporabo natančnega laserskega razreza izolacije. Zaradi poškodbe SiC grelca pri transportu in zamud pri dobavi napajalnika so bili prvi testi izvedeni z AC napajanjem (600 W). Testi na delovni mizi, ki so potekali skupaj z partnerji iz CEA Cadarache, so potrdili ustreznost koncepta: notranjost je dosegla preko 900 °C, zunanjost pa 80 °C. Za optimalno delovanje smo sistem nadgradili s 3 kW napajalnikom ter uvedli obvezno sušenje izolacije (2 uri pri 80 °C) in dodatno kvarčno cev, da smo preprečili degradacijo materiala zaradi vlage. Instrumentacijo prototipa so priskrbeli partnerji iz CEA Cadarache.
5. Prilagoditve oblogi kanala in nadgradnja varnosti Stopnja uresničitve: V celoti realizirano. Preizkusi v realistični aluminijasti oblogi kanala so pokazali, da pasivno hlajenje ni zadostno. Sistem smo uspešno nadgradili z aktivnim vodnim hlajenjem (aluminijasta tuljava in industrijski hladilnik za vodo). Vzpostavljen je bil integralni nadzorni sistem s samodejno kalibracijo, ki avtomatsko regulira moč gretja in spremlja parametre hlajenja. Varnost je bila dodatno zvišana z integracijo detektorjev dima in temperaturnih senzorjev v odzračevalni sistem reaktorja ter z uvedbo obveznega testiranja negorljivosti vzorcev v zunanji cevni pečici.
6. Priprava dokumentacije in regulatorna presoja Stopnja uresničitve: V zaključni fazi Uspešno je bilo v sodelovanju z partnerji iz CEA Cadarache pripravljeno IJS Delovno poročilo za napravo, ki smo jo poimenovali STARSHIP. Poročilo je že potrdil Odbor za varnost reaktorja, dokumentacija pa je v presoji pri Upravi RS za jedrsko varnost. Na podlagi njihovega ogleda se že implementirajo zadnji predlagani preventivni ukrepi za maksimalno požarno varnost. Polno obratovanje naprave STARSHIP je predvideno za maj 2026.