Атомная энергетика

Энергетика
Реакторы с тяжелой водой под давлением
Проектные параметры и характеристики ВВЭР-СКД
Использование тория
реактор ВВЭР-СКД
Расчеты выгорания рабочих ТВС и ТВС с МА.
реактор БН-350
Конструкция реактора
Опыт эксплуатации РУ БН-350
Вывод из эксплуатации реактора на быстрых нейтронах БН-350
Баксанская нейтринная обсерватория
Основные типы реакторов, принятые к промышленной реализации
АЭС с уран-графитовыми канальными реакторами

Использование тория.

Рассмотрена возможность использования тория в реакторе с быстро-резонансным спектром нейтронов.

Рассмотрены топливные загрузки: смешанная (U+Pu) в центральной зоне и (U233+Th) в периферийной и когда в ЦЗ и ПЗ (U233+Th) топливо.

Все размеры твэл, ТВС и активной зоны приняты такими же как и в первом варианте. Основное отличие только в том, что в зонах с (U233+Th) топливом в ПС СУЗ используется бор обогащенный по В10 (до 80 %). Расчеты проводились без учета движения СУЗ и их результаты приведены в таблицах 2, 3.

Из приведенных результатов расчетов видно, что из-за особенностей реактора: быстро-резонансный спектр нейтронов; двухходовая схема охлаждения с более плотным теплоносителем в ПЗ, нет проблем с обезвоживанием реактора (пустотный эффект отрицателен в течение всей кампании). С компенсируемостью СУЗ при самом сложном режиме – заливе реактора холодной водой требуется использование ПС с обогащенным бором, но даже и в этом случае в варианте с (U233-Th) топливной загрузкой требуется введение гадолиния.

Рассмотрен вариант, когда во всех твэлах ЦЗ добавлен Gd в количестве 15 мг/см3, который не выгорает в процессе кампании, а при заливе холодной водой используется как сильный поглотитель нейтронов. Gd был добавлен в ~ 25 % твэлов ПЗ в количестве 0,3 г/см3, который выгорает и способствует выравниванию энерговыделения в объеме активной зоны [8]. В этом варианте в холодном состоянии получено значение Кэф = 1,195 и требуется ~ 130 ТВС СУЗ, чтобы перевести реактор в подкритическое состояние с Кэф = 0,98

Использование  безчехловых ТВС.

Во всех проведенных ранее расчетах предлагалось использование чехловых ТВС (рис. 3), а также для исключения протечек между ТВС ПЗ и ЦЗ планировалось использование выгородки разделительной (ВР). Основная часть расчетов проводилась без учета ВР. Рассматривались различные варианты ее конструкции: набранную из полых стальных блоков размером, соответствующим размеру ТВС или из сплошной конструкции, состоящей из слоев стали (2 см), теплоизоляции (4 см) и сплава циркония (4 см) [8].

Учет ВР приводит к увеличению обогащения топлива и большей неравномерности в распределении энерговыделения по ТВС. Так, для второго варианта ВР в виде слоистой конструкции при сохранении кампании топлива 5×300 эфф. суток и количества ТВС, нужно увеличить обогащение оружейным плутонием на ~ 4 % (с 0,7 г/см3 до 0,73 г/см3).

Однако, при наличии ВР можно перейти к безчехловым ТВС (как это принято в ВВЭР-1000), что позволит улучшить теплообмен в реакторе и снизить максимальную температуру теплоносителя на выходе из реактора.

Была рассмотрена топливная загрузка с отличиями от исходной (без учета ВР с γPuO2 = 0,7 г/см3 [2, 8]):

кассеты безчехловые с шагом 205 мм (вместо 207 мм),количество твэл в них, шаг их решетки без изменения;

в ЦЗ в 25 центральных ТВС обогащение топлива было принято по плутонию равным 0,6 г/см3, во всех остальных ТВС (ЦЗ, ПЗ) количество плутония было без изменения (γPuO2 = 0,7 г/см3);

количество ТВС в ПЗ было принято равным 114шт. (вместо 120), в ЦЗ количество ТВС не менялось – 121 шт.;

наличие ВР имитировались добавлением в ПЗ 18 ТВС с составом соответствующим гомогенному составу ВР, поскольку расчетный комплекс WIMS-ACADEM не позволяет проводить расчеты с ТВС различных размеров и конфигураций.

Расчеты реактора проводились в пятигрупповом транспортном приближении для трехмерной гексагональной геометрии по программному комплексу WIMS-ACADEM. Групповые константы в зависимости от выгорания и температуры топлива, плотности и температуры теплоносителя рассчитывались по модифицированной программе WIMS-D5.

Расчеты проводились без учета перемещения СУЗ и учета обратных связей по изменению теплогидравлических параметров. Активная зона делилась по высоте на шесть слоев, основным отличием являлись температуры элементов активной зоны и плотность теплоносителя (табл. 4) [8]. Для каждого из слоев были получены свои коэффициент размножения и библиотеки малогрупповых макросечений.

Таблица 4

Температуры элементов, плотности охлаждающей воды в расчетных слоях по высоте ТВС в ЦЗ и ПЗ.

Высота слоя от низа а.з., см

50

50

50

50

76

100

ПЗ

Ттопл., °С

Тоб., °С

Тt, °С

γТ, г/см3

ρН2О, ·1024 яд/см3

384

395

600

0,33

0,01097

382

405

700

0,40

0,0133

373

407

720

0,52

0,01729

350

410

740

0,62

0,02062

320

380

650

0,72

0,02323

300

320

460

0,745

0,02491

ЦЗ

Ттопл., °С

Тоб., °С

Тt, °С

γТ, г/см3

ρН2О, ·1024 яд/см3

386

395

700

0,30

0,00998

688

415

720

0,265

0,00881

392

430

900

0,22

0,007315

400

460

1030

0,17

0,00565

470

560

1100

0,0977

0,00324

535

580

950

0,090

0,00299

В таблице 5 приведены зависимости Кэфф. (t) и максимальных величин неравномерностей энерговыделений средних – Кq и максимальных – Kv по ТВС в течение межперегрузочного интервала [8].

На рисунке 4 представлены величины Кq и энерговыработки – Е МВт·сут/кг т.а. в секторе симметрии 60° в конце межперегрузочного интервала (ТВС № 15, 27, 36 имитируют наличие ВР). ТВС № 7, 11, 20, 24, 26, 31, 39 – выгружаемые [8].

Таблица 5

Т (сут.) Kq Kv Кэфф.

 0,00 1,48837 2,57961 1,01793

  40,00 1,46631 2,24024 1,01447

 70,00 1,45066 2,15141 1,01253

  90,00 1,44080 2,12144 1,01141

 130,00 1,42238 2,06745 1,00942

  170,00 1,40531 2,02258 1,00770

 210,00 1,38941 1,98498 1,00617

  250,00 1,37444 1,95013 1,00481

 290,00 1,38084 1,98981 1,00357

  330,00 1,41546 2,05101 1,00244

 350,00 1,43470 2,08095 1,00191

Из приведенных результатов расчетов видно, что переход на безчехловые ТВС позволяет сократить расход оружейного плутония на ~ 5 % и при этом увеличить кампанию ТВС на ~ 250 эфф. суток. Коэффициент воспроизводства (КВ) не изменился и средний по активной зоне равен ≈ 0,94. Потоки нейтронов увеличились в центре активной зоны в ~ 1,5 раза и составляют на конец кампании 1,14·1015 н/см2·сек(Е ≥ 0,11 МэВ) и полный – 2,26·1015 н/см2·сек(Е ≥ 0,4 эВ).

  Средние по кассетам значения:

 энерговыработка (МВт*сут/кг т.а.)

 энерговыделение (отн. ед.)

 

 42 43

 9.22 31.83

  0.79 0.39

 39 40 41

 41.86 11.12 25.94

 1.10 0.98 0.50

 35  36 37 38

 36.74 0.00 20.05 27.35

 0.82  0.00 0.99 0.52

 30 31 32 33 34

 9.64  44.71 44.91 21.58 25.78

 1.10 0.87 1.27 0.99 0.52

  24 25 26 27 28 29

 56.45 19.47 46.49 0.00 21.73 32.34

  1.28 1.13 0.89 0.00 0.97 0.48

 17 18 19 20 21 22 23

  23.59 45.47 29.20 44.45 38.53 10.92 30.30

 1.43 1.30 1.12  0.87 1.25 0.96 0.39

 10 11 12 13 14 15 16

 45.74 57.04 34.49 28.96 36.49 0.00 9.09

  1.41 1.35 1.29 1.08 0.81 0.00 0.79

 1 2 3 4 5 6 7 8 9

  11.50 22.95 34.31 11.78 10.69 19.53 45.15 20.24 27.05

 1.43  1.42 1.40 1.41 1.24 0.99 1.34 1.00 0.47

Рис. 4. Т = 350.00 суток

Ядерные реакторы