Нейтронно-физические параметры систем долговременного «сухого» хранении ОЯТ

Нейтронно-физические параметры камеры пролетом 12 м СХОЯТ. Случай «свежего» топлива

Мировой опыт проектирования «сухих» хранилищ позволяет прогнозировать значительно более высокий, чем в бассейнах с водой, уровень ядерной безопасности, что достигается конструкцией прочных и герметичных гнезд хранения и пеналов, способных выдержать различные проектные и запроектные аварии, и отсутствием замедлителей нейтронов (воды) в камерах и пеналах.

Хранение ОЯТ в России предусматривается в специальных гнездах, в которых размещаются в два яруса герметичные пеналы с ОЯТ. Каждая камера хранения имеет 242 гнезда для герметичных пеналов с ОТВС РБМК-1000, расположенных в гнезде в два яруса. В каждом гнезде размещается 3,503 т (по урану) ОЯТ реактора РБМК-1000 (или 2,4 тонны ОЯТ реактора ВВЭР-1000).

Гнезда размещаются по квадратной решетке с шагом 1000 мм (диаметр гнезда 720 мм, толщина 7 мм). Пенал представляет собой стальную трубу размером 630 ^х 7 мм, длина пенала 4,1 м и сделан из стали марки 10ХСНД. В каждом пенале размещены по 31 ампулы с ОТВС РБМК-1000.

Диаметр ампул 92×2 мм, расположенных с шагом 96 мм по треугольной решетке. Пеналы в гнезде размещаются в два яруса друг над другом.

Сегодня в реакторах РБМК используются следующие виды топлива:

• • урановое, при содержании диоксида урана с обогащением от 1,6% до 2,8%;
• • уран-эрбиевое, при содержании смеси диоксида урана с обогащением 2,0, 2,4, 2,6 и окиси эрбия с массовой концентрацией эрбия в уране 0,41%;
• • уран-эрбиевое, при содержании смеси диоксида урана с обогащением 2,8% и окиси эрбия с массовой концентрацией эрбия в уране 0,6%.

Основные характеристики твэл, используемые в расчетах, приведены в табл. 6.7. Для расчета значений Лг_эфф расчетная модель в максимальной степени приближается к реальному хранилищу по геометрии (см. рис. 6.3). Рассмотрены варианты проектных (заполнения хранилища водой, при отсутствии воды в самом гнезде с пеналом) и запроектных аварий (заполнение всего хранилища водой и всех ампул, находящихся в герметичных пеналах в гнезде хранилища).

Дополнительно были сделаны следующие консервативные приближения:

• • Топливо в пеналах «свежее» (проектная авария).
• • Объем пенала полностью гомогенизирован.
• • Анализ ядерной безопасности для запроектных аварий произволен с учётом глубины выгорания.
• • Система является ядерно-безопасной только в том случае, если *эф_Ф<0,95.

Рис. 6.3. Схемы размещения гнезд в хранилище камерного типа для ОЯТ реакторов

РБМК-1000

Основные характеристики твэл

Таблица 6.7.

Необходимо отметить следующее — попадание воды возможно с очень малой вероятностью и только между гнездами хранения. Возникновение самоподдерживающейся цепной реакции деления возможно в случае заполнения водой всего хранилища и всех ампул, находящихся в пеналах, однако вероятность этого события пренебрежимо мала из-за герметичности пеналов.

Рис. 6.4. Гнездо (ячейка) СХОЯТ и её эквивалентная ячейка (unit)

Для расчетов &_эфф хранилища использован программный комплекс SCALE 4.4.a. SCALE используется для расчётов задач, связанных с ядерной и радиационной безопасностью хранилищ и транспортных контейнеров с ОЯТ, ядерными делящимися материалами и свежим ядерным топливом. Также с его помощью возможно проведение нейтроннофизических расчётов, расчётов изотопного состава ОЯТ, анализа защиты контейнеров с ядерным топливом. Есть примеры успешного применения данного кода при проведении критических нейтроннофизических расчётов активной зоны реакторов типа PWR и BWR.

Камера СХОЯТ имеет 242 гнезда для герметичных пеналов, каждое гнездо в расчетной модели представляет собой ячейку. Для описания одной ячейка СХОЯТ в ППГ1 SCALE создается эквивалентная ячейка, называемая в SCALE unit (см. рис. 6.4). Из таких юнитов формируется массив размеров 22×11 (всего 242 юнита), который обрабатывается SCALE.

Пример заполнения массива юнитами (SCALE) приведен на рис. 6.5 и 6.6.

Рис. 6.6. Элементарная ячейка (юнит) массива 1 (SCALE)

Рис 6.5. Массив 1 размером 22×11, состоящий из юнитов одного типа (SCALE)

При расчете к_эфф СХОЯТ использовалось урановое топливо с обогащением 1,6, 2,0, 2,4, 2,6 и 2,8%.

Результаты расчета к, фф СХОЯТ с ОЯТ (начальное обогащение 1,6%) для 5-ти различных загрузок:

• 1. В СХОЯТ находиться одно гнездо с пеналом, размещенное в центре
• -?эфф = 0,1252 ±0,0004.
• 2. СХОЯТ полностью загружено топливом
• — hфф = 0,2829 ± 0,0008.
• 3. В СХОЯТ находиться одно гнездо с пеналом, размещенное в центре. СХОЯТ полностью заполнено водой, вода везде кроме самого гнезда с пеналом
• -?_эфф = 0,3572 ±0,0010.
• 4. СХОЯТ полностью загружено топливом. СХОЯТ полностью заполнено водой, вода везде кроме гнезд с пеналом
• — ^{^эфф = 0,3867 ± 0,0009.}
• 5. СХОЯТ полностью загружено топливом. Рассмотрена запроектная авария, при которой происходит заполнение всего хранилища водой и всех ампул, находящихся в герметичных пеналах в гнезде хранилища
• — Аг_эфф = 0,8146 ± 0,0014.

Результаты расчета &, фф для топлива с другим обогащением сведены в табл. 6.8. Цифры 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют рассмотренным выше схемам загрузок.

Таким образом, возникновение самоподдерживающейся цепной реакции деления возможно для топлива с обогащением 2,6 и 2,8% и только в случае запроектной аварии, когда происходит заполнения хранилища и отдельных его зон водой. Однако данное событие маловероятно. Кроме того, в соответствии с ПНАЭ-Г-14−029−91 ядерная безопасность запроектных аварий должна быть обоснована с учётом глубины выгорания, так реально храниться выгоревшее топливо.

Таблица 6.8.

Расчетные значения к_эфф СХОЯТ для топлива различного обогащения

Использование глубины выгорания ОЯТ в качестве параметра ядерной безопасности возможно, только после проведения ряда мероприятий, исключающих ошибки при определении глубины выгорания ОТВС.