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

Расчеты выгорания рабочих ТВС и ТВС с МА.

В расчетах по MCNP геометрия ТВС шестигранная, а по WIMS – эквивалентная цилиндрическая.

Выгорание топлива рассчитывалось до ~ 3000 эфф. суток, при этом нормировка на мощность принималась 26,575 Вт/кг т.а. или 157,79 Вт/см. Расчеты проводились для ТВС с твэлами из МОХ-топлива и для ТВС в 2-х наружных рядах которых с числом твэл (48 и 54) с Am или Am + Cm.

На рисунках 6, 7 представлены зависимости К∞ (t) и суммарное значение концентрации делящихся изотопов ΣρPu239, 241(t), усредненное по твэлам, от времени выгорания для указанных 3-х участков рабочих ТВС, отличающихся плотностью воды, полученные по программам WIMS и MCNP. На рисунке 8 представлена зависимость изменения суммарной концентрации изотопов Am – ΣAmi (t) усредненная по всем твэлам с Am. Расчеты проведены без изотопов Cm в твэлах с Am.

На рисунках 9, 10 приведены зависимости К∞ (t) и ΣρCmi (t) в расчетных ТВС с двумя рядами твэлов с МА в которых присутствуют все изотопы Am и Cm, полученные с использованием программы MCNP.

Реакторы HTGR являются еще одним усовершенствованным типом газоохлаждаемого реактора. В HTGR в качестве замедлителя используется графит, а теплоносителем является гелий. Гелий – инертный газ, который не вступает в химическое взаимодействие с графитом даже при высоких температурах. Поэтому на выходе из реактора теплоноситель может иметь более высокую температуру, чем в AGR. Разработаны два прототипа реактора – с призматическими ТВС и шаровыми твэлами.

Из приведенных результатов расчетов можно сделать следующие выводы:

Из расчетов рабочих ТВС по программам WIMS и MCNP максимальные расхождения в конце кампании ТВС (1500 эфф. суток) составляют ~ 2 % в К∞ и ~ 1 % в Σρдел.. Однако, эти расхождения существенно увеличиваются при наличии твэлов с МА с Am, и особенно с Cm;

В расчетах изолированной ТВС за две кампании ~ 3000 эфф. суток Am выгорает на 60 % по WIMS и на 40 % по MCNP, но как получено из предыдущих расчетов (п. 6.1.) выгорание Am более глубокое поскольку в реакторе существенное влияние оказывают окружающие рабочие ТВС;

Количество Cm за указанную кампанию увеличивается в ~ 7 раз и если в начале кампании доля Cm в МА была 2,1 %, то к концу кампании она стала ~ 30,1 %, что конечно будет усложнять обращение с таким МОХ ОЯТ.

 


Рис. 6. Зависимость К∞ (t) для 3-х участков ТВС с МОХ топливом, отличающихся плотностью воды по программам WIMS и MCNP

 


Рис. 7. Зависимость усредненной по ТВС суммарной концентрации делящихся изотопов плутония ΣρPu239, 241(t) от времени выгорания

 


Рис. 8. Зависимость усредненной по твэлам величины ΣρAmi (t), полученная из расчетов по программам WIMS и MCNP

 


Рис. 9. Зависимость К∞ (t) для ТВС с двумя рядами твэл с МА (Ami + Cmi), полученная из расчетов по программе MCNP

 


Рис. 10. Зависимость усредненной по твэлам величины ΣρCmi (t), полученная из расчетов ТВС по программе MCNP

Расчеты распределения энерговыделений в твэлах по сечению ТВС ПЗ.

Как уже отмечалось, что в расчетах ТВС по программе WIMS не выдаются распределения энерговыделений по твэлам в сечении ТВС. Однако этот вопрос представляет интерес, особенно, если используются в ТВС различные типы твэлов (например, с МА). Для указанной выше серии вариантных расчетов ТВС ПЗ с использованием программы MCNP были получены графики относительных энерговыделений по твэлам в сечениях ТВС в различные моменты кампании (0, 1000, 2000, 3000 эфф. суток).

На рисунках 11, 12, 13, соответственно, для ТВС с МОХ-топливом, с 2 рядами твэл с Am и с Am + Cm приводятся величины относительных распределений энерговыделений по твэлам в момент кампании, при которых неравномерности энерговыделений максимальны [8].

В результате приведенных расчетов получено, что с учетом выгорания неравномерность энерговыделения по твэлам с МОХ-топливом (рис. 11) не превышает qr ≤ 1,2 ÷ 1,3. Однако, для твэл в углах шестигранников для безчехловых ТВС по-видимому, нужно снижать обогащение топлива на 20-30%.

Увеличение qr в 1,5 раза в ТВС с Am после выгорания 1000-2000 эфф. суток (рис. 12) по-видимому, связано с образованием и накоплением Cm. Наличие и накопление Cm существенно повышает неравномерность энерговыделения до qr ≈ 1,9 (рис. 13) и в угловых твэлвх с МА нужно в ~ 2 раза уменьшить количество (Am и Cm).

 


Рис 11. Относительные энерговыделения по твэлам в ТВС с МОХ-топливом – qr на начало кампании 0 суток (γН2О = 0,745 г/см3, ТВС № 1)

 


 

  Рис. 12. 2000 суток, ТВС № 1 с Am

 

Рис. 13. 2000 суток, ТВС № 1 с (Am + Cm)

Заключение

Оценивается возможность использования реактора ВВЭР-СКД в замкнутом топливном цикле и решения проблемы с ОЯТ:

коэффициент воспроизводства средний по активной зоне 0,933;

при использовании своего ОЯТ нужно дообогащение топлива ~ 160 кг плутония (оружейного или энергетического) в год;

могут использоваться различные топливные загрузки (U-Pu-Th) без изменения конструкции элементов активной зоны;

в нем могут выжигаться все накопленные в процессе работы МА.

Обосновывается использование в этом реакторе безчехловых ТВС, что позволяет существенно экономить топливо и улучшить физические характеристики активной зоны.

Рассматриваются тестовые задачи выгорания изотопов, распределения энерговыделения по твэлам в рабочих ТВС с МОХ топливом и в ТВС с добавкой твэлов с МА с использованием различных библиотек ядерных данных и программ (WIMS, MCNP). Показано, что при расчете рабочих ТВС с МОХ-топливом различия результатов расчетов по программе WIMS с тестовыми расчетами – MCNP составляют в конце кампании ~ 2 % в К∞ и ~ 1 % Σρделi. Если же рассматривается выжигание МА, то расхождение в выжигании Am достигает 10-15 %.

Ядерные реакторы