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), kurioje tradiciniai dideli branduoliniai valdymo strypai pakeisti 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. Vis dėlto būgnų mechanika sudėtingesnė: tenka įvertinti 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 keičiant branduolinės reakcijos intensyvumą.
Nors tokios sistemos laikomos patikimomis, joms reikia nemažai vertikalios erdvės. Būtent dėl šios priežasties jos nėra tinkamos kompaktiškiems mikroreaktoriams, tokiems kaip „MARVEL“.
„MARVEL“ – 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 lengviau transportuoti ir greičiau įdiegti įvairiose vietose.
Siekiant išlaikyti kompaktišką, modulinį sprendimą, tradiciniai vertikalūs valdymo strypai buvo pakeisti keturiais besisukančiais valdymo būgnais. Jie tapo pagrindine reaktoriaus galios reguliavimo priemone.
Valdymo būgnai įrengiami reaktoriaus šerdies periferijoje ir turi dvi funkcines puses. Viena jų padengta neutronus atspindinčia medžiaga, kuri grąžina neutronus atgal į aktyviąją zoną ir taip didina reaktoriaus galią.
Kita būgno pusė padengta neutronus sugeriančia medžiaga. Ji sugeria neutronus, todėl grandininė reakcija sulėtinama arba sustabdoma. Sukdami būgnus operatoriai gali labai tiksliai reguliuoti reaktoriaus darbą.
Avarinėse situacijose naudojamas vadinamasis „scram“ režimas – itin greitas reaktoriaus stabdymas. Tokiu atveju sistema suprojektuota taip, kad atleidus sankabą spyruoklės akimirksniu persuktų būgnus į neutronus sugeriančią padėtį.
Tačiau pereinant nuo teorinių projektų prie realių prototipų išryškėjo techniniai iššūkiai. Bandymų metu paaiškėjo, kad tikroji mechaninė trintis yra didesnė, nei prognozavo kompiuteriniai modeliai.
Dėl to būgnai „scram“ režimu nepasiekdavo reikiamo sukimosi greičio. Siekiant išspręsti problemą, mechaninę sistemą teko iš esmės pertvarkyti.
Inžinieriai sumontavo didesnius reduktorius ir iš naujo suprojektavo slopinimo mechanizmus. Taip pat buvo įvertintas vadinamasis „backlash“ – nedidelis mechaninis laisvumas, atsirandantis judančiose dalyse.
Branduolinėje technologijoje net ir vieno laipsnio mechaninis nuokrypis gali turėti didelę reikšmę, todėl tokie tikslumo aspektai yra kritiškai 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. Vis dėlto jo paskirtis bus gerokai platesnė nei vien energijos gamyba.
Reaktorius bus naudojamas kaip eksperimentinė platforma, skirta tirti energijos tiekimo sprendimus atokioms bendruomenėms. Jis taip pat galės tiekti šilumą pramoniniams procesams be anglies dioksido emisijų.
Be to, „MARVEL“ bus pasitelkiamas vandenilio ir įvairių cheminių medžiagų gamybos technologijų tyrimams.
Pasak Entonio Kroufordo, reaktyvumo valdymo sistemos parametrai gali būti koreguojami jau eksploatacijos metu. Tai leidžia kompensuoti kuro išdegimą ir medžiagų savybių pokyčius laikui bėgant.
Toks lankstumas padeda greitai prisitaikyti prie skirtingų darbo sąlygų. Be to, šie sprendimai gali būti pritaikomi ne tik „MARVEL“, bet ir kituose ateities branduolinių reaktorių projektuose.
