ИСТИНА

Актуальность работы обусловлена развивающейся в настоящее время концепцией замкнутого ядерного топливного цикла, что в будущем может позволить существенно увеличить эффективность использования природного ядерного топлива, а также в немалой степени решить проблему радиоактивных отходов. Помимо эффективности, внимание исследователей направлено на повышение ядерной и радиационной безопасности разрабатываемых реакторов. Перспективными как с точки зрения эффективности, так и безопасности являются реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическими, в частности, свинцовыми теплоносителями. Помимо целого ряда нерешённых общих физических и технологических вопросов, важной является проблема контроля состояния тепловыделяющих элементов, сгруппированных в тепловыделяющие сборки (ТВС). В широко распространённых в мире на данный момент водо-водяных ядерных реакторах применяется простая и эффективная система телевизионного контроля, позволяющая удалённо отслеживать состояние ТВС как в процессе эксплуатации, так и во время перегрузки ядерного топлива. Очевидно, что в реакторах с жидкометаллическими теплоносителями оптическая визуализация состояния ТВС и других узлов и элементов активной зоны реактора невозможна в силу поглощения электромагнитных волн в высокопроводящих средах. Тем не менее, аналогичный принцип визуализации, но с использованием волн другого типа, оказывается возможным. В силу того, что жидкие металлы являются упругими средами, в них может распространяться акустическая волна. Исходя из литературных данных о вязкости жидких металлов, можно заключить, что она не влияет кардинальным образом на поглощение акустических волн (оценки дают значения коэффициента поглощения 0.2 дБ/м на частоте 1 МГц и 5 дБ/м на частоте 5 МГц для жидкого свинца при температуре 400 С). Это делает возможным применение ультразвуковых волн для диагностики объектов в активной зоне реакторов с разрешением до долей мм. Следует отметить, что появление первых энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями произошло еще в 1950-х гг, в основном для оснащения подводных лодок, где не требовалась перегрузка ТВС, а сами установки по сути являлись одноразовыми. Во время развития ядерной энергетики появлялось большое количество проектов реакторов с жидкометаллическими теплоносителями, но распространение получили водо-водные реакторы как более простые, но тем не менее более опасные и менее эффективные. В последнее время мировой интерес к реакторам с жидкометаллическими теплоносителями возрос, и проблема акустической визуализации в агрессивных средах получила развитие. Были разработаны пьезоэлектрические материалы с высокой точкой Кюри (до 900 С), предложен ряд приёмо-излучающих систем для работы в активных зонах реакторов. Из основных можно выделить работы групп из Литвы и Бельгии [1], Франции [2], США [3], Японии [4] и др. Примечательно, что из целого ряда разработок прошли апробацию и нашли применение в реакторах лишь единицы, обладая при этом рядом существенных ограничений. Некоторые не имеют функции получения изображений (одноканальные системы), некоторые обладают низкой чувствительностью, многоканальные системы имеют узкий сектор обзора. В настоящем проекте будет развит недавно предложенный [5] способ получения акустических изображений объектов, расположенных в жидком металле. Суть его заключается в использовании набора акустических волноводов в виде твердотельных стержней для создания многоэлементной приемной антенной решётки. Использование таких волноводов позволит осуществить перенос пространственного распределения акустических сигналов, рассеянных на визуализируемых объектах и достигших торцов погруженных в жидкий металл стержней-волноводов, из области жидкого металла в менее нагретую газовую среду, где эти сигналы могут быть считаны путём измерения колебаний противоположных торцов стержней, например, методом оптического интерферометра. Это позволит создать перспективную многоканальную систему ультразвуковой визуализации, лишённую недостатков существующих систем. В рамках настоящего проекта предполагается решить вопросы о характере распространения упругих колебаний в волноводах в виде стержней постоянного сечения с учётом резонансных особенностей, наличия сдвиговых и продольных упругих компонент, а также сдвиговой и объёмной вязкости. Важной задачей будет являться поиск параметров для минимизации взаимного влияния волноводов путём проведения численного моделирования упругих процессов в системе связанных волноводов, не имеющих для исследуемых конфигураций аналитических решений. Предполагается создать макет многоканальной волноводной системы для экспериментальной проверки и верификации используемых численных алгоритмов. Экспериментальные исследования планируется на первом этапе проводить в воде или нефтепродуктах, которые близки по характеру термоакустических свойств к жидкометаллическим средам. Для построения изображений предполагается использовать мощный и перспективный экспериментальный метод акустической голографии, широко применяемый автором настоящей заявки в биомедицинских приложениях диагностического и мощного ультразвука. Планируется рассчитать и экспериментально измерить частотный отклик волноводной системы на импульсный сигнал, что позволит осуществлять деконволюцию регистрируемых сигналов и ожидать высокого качества получаемых ультразвуковых изображений с продольным и поперечным разрешением вплоть до дифракционного предела. На втором этапе также методом акустической голографии или, при возможности доступа к многоканальному или перестраиваемому одноканальному лазерному виброметру, оптическим методом планируется проведение экспериментальных измерений акустического изображения. Все предполагаемые задачи являются новыми и до сих пор не решались. Цитируемая литература: [1] Kazys R, A Voleisis, R Sliteris, B Voleisiene, L Mazeika, PH Kupschus and HA Abderrahim. “Development of Ultrasonic Sensors for Operation in a Heavy Liquid Metal.” IEEE Sensor J 2006 6(5):1134-1143. [2] Baque F. 2005. “Review of In-Service Inspection and Repair Technique Developments for French Liquid Metal Fast Reactors.”Nucl. Tech. 150(1):67-78. [3] Bond LJ, SR Doctor, KJ Bunch, MS Good and AE Waltar. “Instrumentation, Monitoring and NDE for New Fast Reactors.” Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems (GLOBAL 2007). September 9-13, 2007. Boise, Idaho. American Nuclear Society, La Grange Park, Illinois. pp. 1274-1279. [4] Ando M, S Kubo, Y Kamishima and T Iitsuka. “Study on In-Service Inspection Program and Inspection Technologies for Commercialized Sodium-Cooled Fast Reactor.” Proceedings of ICONE14 International Conference on Nuclear Engineering. Miami, Florida. ASME. 2006. Paper #89558 [5] Петросян С. А., Цысарь С. А., Свет В.Д. и др. “Метод оптической регистрации акустических полей в жидкостях.” Учен. зап. физ. фак-та Моск. ун-та. 2015. № 4. С. 154348

The urgency of the work is due to the currently developing concept of a closed nuclear fuel cycle, which in the future can significantly increase the efficiency of the use of natural nuclear fuel, as well as to solve the problem of radioactive waste to a considerable extent. In addition to efficiency, the attention of researchers is aimed at increasing the nuclear and radiation safety of the reactors being developed. Promising in terms of efficiency and safety are fast neutron reactors with liquid metal, in particular lead coolants. In addition to a number of unresolved common physical and technological issues, it is important to monitor the status of fuel elements grouped in fuel assemblies (fuel assemblies). In widely used in the world at the moment, water-water nuclear reactors use a simple and effective television control system that allows to remotely monitor the state of fuel assemblies both during operation and during nuclear fuel transhipment. It is obvious that in the reactors with liquid-metal coolants optical visualization of the state of fuel assemblies and other units and elements of the reactor core is impossible due to absorption of electromagnetic waves in highly conducting media. Nevertheless, a similar principle of visualization, but using waves of a different type, is possible. Due to the fact that liquid metals are elastic media, an acoustic wave can propagate in them. Based on the literature data on the viscosity of liquid metals, it can be concluded that it does not fundamentally affect the absorption of acoustic waves (estimation give values ​​of the absorption coefficient of 0.2 dB/m at a frequency of 1 MHz and 5 dB/m at a frequency of 5 MHz for liquid lead at a temperature of 400 C). This makes it possible to use ultrasonic waves to image the objects in the reactor core with resolution up to fractions of mm. It should be noted that the emergence of the first power plants with liquid-metal coolants occurred back in the 1950s, mainly for equipping submarines, where no overloading of fuel assemblies was required, and the plants themselves were in fact disposable. During the development of nuclear power, a large number of projects of reactors with liquid-metal coolants appeared, but the spread of water-cooled reactors was simpler, but nevertheless more dangerous and less effective. Recently, the world interest in reactors with liquid metal coolants has increased, and the problem of acoustic visualization in aggressive media has developed. Piezoelectric materials with a high Curie point (up to 900 C) have been developed, and a number of receiving-emitting systems have been developed for operation in reactor core areas. Of the main, one can single out the work of groups from Lithuania and Belgium [1], France [2], the USA [3], Japan [4], etc. It is noteworthy that a number of developments have been tested and only a few have been used in reactors, This number of significant restrictions. Some do not have image acquisition function (single-channel systems), some have low sensitivity, multi-channel systems have a narrow viewing sector. In this project, a recently proposed [5] method for obtaining acoustic images of objects located in a liquid metal will be developed. Its essence consists in using a set of acoustic waveguides in the form of solid-state rods to create a multi-element receiving antenna array. The use of such waveguides will allow carrying out the spatial distribution of acoustic signals scattered on the objects to be visualized and reaching the ends of the submerged waveguide rods immersed in liquid metal from the liquid metal region to the less heated atmosphere, where these signals can be read by measuring the oscillations of the opposite ends of the rods, for example , By the optical interferometer method. This will create a promising multichannel ultrasound imaging system without the drawbacks of existing systems. Within the framework of this project it is supposed to solve questions about the nature of the propagation of elastic oscillations in waveguides in the form of rods of constant cross section, taking into account resonance features, the presence of shear and longitudinal elastic components, and shear and bulk viscosity. An important task will be to search for parameters to minimize the mutual influence of waveguides by performing numerical simulation of elastic processes in a system of coupled waveguides that do not have analytic solutions for the investigated configurations. It is supposed to create a model of a multichannel waveguide system for experimental verification and verification of the numerical algorithms used. Experimental studies are planned at the first stage to be carried out in water or oil products, which are close in character to thermoacoustic properties to liquid metal environments. To construct the images, it is proposed to use a powerful and promising experimental method of acoustic holography, widely used by the author of this application in biomedical applications of diagnostic and powerful ultrasound. It is planned to calculate and experimentally measure the frequency response of the waveguide system to a pulse signal, which will allow deconvolution of the detected signals and expect high quality of the ultrasound images obtained with longitudinal and transverse resolution up to the diffraction limit. In the second stage, also by the method of acoustic holography or, with the possibility of access to a multichannel or tunable single-channel laser vibrometer, an optical method is used to perform experimental measurements of the acoustic image. All the proposed tasks are new and have not yet been addressed.

Планируется получить следующие результаты: 1. Построить численную модель для решения методами конечных элементов и конечных разностей задачи о распространении упругих колебаний в волноводах в виде стержней постоянного сечения с учётом резонансных особенностей, наличия сдвиговых и продольных упругих компонент, а также сдвиговой и объёмной вязкости, провести сравнение со случаями, имеющими аналитическое решение. 2. Расширить численную модель на решение задачи о распространении упругих волн в системе связанных волноводов. Определить диапазон параметров, минимизирующих взаимодействия волноводов. 3. На основе полученных в пп. 1 и 2 результатов создать макет многоканальной волноводной системы для экспериментальной проверки и верификации используемых численных алгоритмов с возможностью акустического согласования с различными средами. Методами акустической голографии провести экспериментальные исследования по построению первых изображений рассеивателей в воде и/или нефтепродуктах, близких по термоакустическим свойствам к жидкометаллическим средам. 4. Рассчитать и экспериментально измерить частотный отклик волноводной системы на импульсный сигнал, что позволит осуществлять деконволюцию измеряемых сигналов. 5. Получить экспериментальное изображение акустического излучателя или известного рассеивателя с помощью макета многоканальной волноводной системы в воде и/или масле методом акустической голографии или, при возможности доступа к многоканальному или перестраиваемому одноканальному лазерному виброметру, оптическим методом. Предполагаемые результаты позволят сформулировать требования для создания реальной многоканальной волноводной системы для визуализации объектов, в том числе ТВС, в активной зоне реакторов с жидкометаллическими теплоносителями. Помимо этого, такая система имеет большой потенциал использования в качестве акустооптической системы регистрации акустического поля в задачах акустической голографии.