Aidaho nacionalinės laboratorijos („Idaho National Laboratory“, INL) inžinieriai pasiekė svarbų etapą kurdami mikroreaktorių „MARVEL“. Tyrėjams pavyko sėkmingai sumontuoti ir išbandyti naujovišką reaktyvumo valdymo sistemą (RCS), kuri tradicinius, didelius branduolinius valdymo strypus pakeičia itin tiksliai veikiančiais besisukančiais būgnais.
Pasak INL mechatronikos grupės inžinieriaus Entonio Kroufordo, valdymo būgnai ir valdymo strypai atlieka tą pačią pagrindinę funkciją – reguliuoja reaktoriaus galią. Skirtumas tas, kad strypai juda vertikaliai, o būgnai sukasi. Tačiau būgnų mechanika yra sudėtingesnė, nes reikia atsižvelgti į jų inerciją, guolius, mechaninius pravedimus ir sukimosi dinamiką.
Daugiau nei penkiasdešimt metų branduolinėse elektrinėse reaktoriaus galia buvo reguliuojama vertikaliai judančiais valdymo strypais. Šie strypai įstumiami arba ištraukiami iš aktyviosios reaktoriaus zonos, taip reguliuojant branduolinės reakcijos intensyvumą.
Tokios sistemos laikomos patikimomis, tačiau joms reikia nemažai vertikalios erdvės. Būtent dėl šios priežasties jos nėra tinkamos kompaktiškiems mikroreaktoriams, tokiems kaip „MARVEL“.
„MARVEL“ – tai mikroreaktorius, kurio aukštis siekia apie 4,5 metro, o skersmuo – maždaug 1,2 metro. Savo dydžiu jis primena du vieną ant kito pastatytus telefono būdelės dydžio modulius. Toks kompaktiškas dizainas leidžia reaktorių lengvai transportuoti ir greitai įdiegti įvairiose vietose.
Siekiant išlaikyti tokį kompaktišką, modulinį dizainą, tradiciniai vertikalūs valdymo strypai buvo pakeisti keturiais besisukančiais valdymo būgnais. Šie būgnai tapo pagrindine reaktoriaus galios reguliavimo sistema.
Valdymo būgnai įrengiami reaktoriaus šerdies periferijoje ir turi dvi skirtingas puses. Viena jų padengta neutronus atspindinčia medžiaga, kuri grąžina neutronus atgal į aktyviąją zoną ir didina reaktoriaus galią.
Kita būgno pusė padengta neutronus sugeriančia medžiaga. Ji sugeria neutronus ir taip sulėtina arba sustabdo grandininę reakciją. Sukdami būgnus operatoriai gali labai tiksliai reguliuoti reaktoriaus veikimą.
Avarinėje situacijoje naudojamas vadinamasis „scram“ režimas – labai greitas reaktoriaus sustabdymas. Tokiu atveju sistema suprojektuota taip, kad atleidus sankabą spyruoklės akimirksniu persuktų būgnus į neutronus sugeriančią padėtį.
Tačiau pereinant nuo teorinių projektų prie realių prototipų iškilo nemažai techninių iššūkių. Bandymų metu paaiškėjo, kad reali mechaninė trintis yra didesnė, nei prognozavo kompiuteriniai modeliai.
Dėl šios priežasties būgnai „scram“ režimu nepasiekdavo reikiamo greičio. Norint išspręsti problemą, teko iš esmės pertvarkyti mechaninę sistemą.
Inžinieriai sumontavo didesnius reduktorius ir iš naujo suprojektavo slopinimo mechanizmus. Taip pat buvo atsižvelgta į vadinamąją „backlash“ – nedidelį mechaninį laisvumą, kuris atsiranda judančiose dalyse.
Branduolinėje technologijoje net ir vieno laipsnio mechaninis nuokrypis gali turėti didelę reikšmę, todėl tokie tikslumo aspektai yra labai svarbūs.
Šiuo metu visi penki pavarų mazgai jau sumontuoti ir integruoti į bandymų stendą. Sistema bus tikrinama pagal NQA-1 standartą, kuris laikomas vienu griežčiausių branduolinės pramonės kokybės reikalavimų.
Kai mikroreaktorius „MARVEL“ pradės veikti, jis galės tiekti apie 85 kilovatus elektros energijos. Tačiau jo paskirtis bus kur kas platesnė nei vien energijos gamyba.
Reaktorius bus naudojamas kaip eksperimentinė platforma, skirta tyrinėti energijos tiekimą atokioms bendruomenėms. Jis taip pat galės tiekti šilumą pramoniniams procesams be anglies dioksido emisijų.
Be to, „MARVEL“ bus naudojamas vandenilio ir įvairių cheminių medžiagų gamybos technologijų tyrimams.
Pasak Entonio Kroufordo, reaktyvumo valdymo sistemos parametrai gali būti koreguojami kartu su reaktoriaus eksploatacija. Tokia sistema leidžia kompensuoti kuro išdegimą ir medžiagų pokyčius laikui bėgant.
Šis lankstumas leidžia greitai prisitaikyti prie skirtingų eksploatacijos sąlygų. Be to, tokie sprendimai gali būti pritaikomi ne tik „MARVEL“, bet ir kituose ateities branduolinių reaktorių projektuose.
