В реакторах типа ВВЭР, которые являются реакторами корпусного типа, для повышения выгорания выгружаемого топлива применяют частичные перегрузки топлива. Частичные перегрузки топлива характеризуются тем, что в один прием выгружается лишь часть TBC, достигших наибольшего выгорания. При фиксированном обогащении топлива подпитки увеличение кратности перегрузки приводит к повышению выгорания топлива и снижению запаса реактивности, резервируемой в системе компенсации избыточной реактивности. Однако повышение кратности перегрузок увеличивает относительное время простоя реактора, что отрицательно сказывается на коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) [1].
С целыо повышения КИУМ предлагается внедрять удлиненные кампании вплоть до полутора-двух лет [2]. Увеличение длительности одной кампании реактора приводит к повышению запаса реактивности. Используемые в настоящее время системы компенсации избыточной реактивности основаны на поглощении нейтронов в сильных поглотителях, как, например, природный бор (жидкостная система компенсации) и гадолиний (выгорающий поглотитель [3], интегрированный в топливную матрицу). Потери нейтронов в системе компенсации в результате их бесполезного поглощения нейтронов, снижает эффективность использования топлива в этих реакторах.
Известен другой способ компенсации избыточной реактивности, так называемое спектральное регулирование, при котором в процессе выгорания топлива производится изменение водо-топливного отношения [4]. Под водо-топливным отношением мы будем понимать число ядер водорода, основного замедлителя нейтронов, приходящегося на одно ядро урана (топлива). При уменьшении водо-топливного отношения резко повышается резонансное поглощение нейтронов на ядрах ~ U, что приводит к снижению К&bdquoрешетки твэлов в TBC. Поэтому изменяя водо-топливное отношение в реакторе можно поддерживать его критичность. Следовательно, для свежей топливной за4 грузки при спектральном регулировании избыточные нейтроны будут в основном поглощаться ядрами «U, что приведет к повышению наработки ~ Ри в топливе. В дальнейшем с увеличением водо-топливного отношения и приближением его к оптимальному значению происходит выжигание этого плутония, что позволяет надеяться на повышении удельной энерговыработки топлива.
Таким образом, если создать техническое устройство, позволяющее изменять водо-топливное отношение в процессе эксплуатации реактора, то начальный запас реактивности может быть скомпенсирован уменьшением водо-топливного отношения. В дальнейшем по мере выгорания топлива и снижения реактивности необходимо увеличивать водо-топливное отношение и тем самым поддерживать критичность реактора.
Концепция реакторов с регулируемым спектром нейтронов исследуется значительное время, так как физические основы такого способа организации работы реактора вытекают напрямую из зависимости коэффициента размножения среды от вероятности избежать резонансного поглощения нейтронов. Значительная часть научных исследований в области спектрального регулирования посвящена повышению энергоиспользования топлива легководных реакторов. Имеются способы реализации спектрального регулирования запаса реактивности, как механическим путем применения специальных вытеснителей, так и путем разбавления замедлителя (воды) материалами с худшими свойствами замедления нейтронов.
Для применения вытеснителей в качестве регулятора водо-топливного отношения в TBC необходимо осуществить модернизацию конструкции существующей TBC. В работе [5] описаны модернизированные конструкции TBC с различным количеством вытеснителей и предлагалось уменьшать диаметр твэла. В данной диссертационной работе так же рассмотрены модернизированные конструкции TBC с различными количествами как циркониевых, так и урановых вытеснителей, но при сохранении диаметра твэла.
Рассмотрен вариант смеси тяжелой и легкой воды, так что по мере выгорания топлива содержание тяжелой компоненты уменьшается. В этом варианте температура и давление теплоносителя практически не меняются, что является положительным фактором, но требуются большие расходы тяжелой воды. Концепция реакторов типа ВВЭР с микротвэлами позволяет использовать спектральное регулирование запаса реактивности путем изменения па-росодержания в теплоносителе-замедлителе в процессе выгорания топлива в реакторе.
В работе [6] описано преимущество использования микротвэлов в легководных реакторах с точки зрения безопасности. Основное преимущество использования микротвэлов (сфера диаметром 1−2 мм), непосредственно омываемых легководным теплоносителем, в сравнении с традиционным таблеточным топливом в оболочке из циркониевого сплава является более чем в 10 раз большая удельная поверхность теплообмена. При большой удельной поверхности почти отсутствуют ограничения, связанные с кризисом теплообмена. Это позволяет допустить объемное кипение теплоносителя с большим массовым теплосодержанием в тепловыделяющих сборках (TBC) со «свежим» топливом для осуществления спектрального регулирования запаса реактивности на выгорание.
В работе рассмотрен способ реализации спектрального регулирования запаса реактивности в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах с шаровыми твэлами. В этих реакторах осуществляется непрерывная перегрузка топлива и отсутствует необходимость в создании системы компенсации избыточной реактивности. Однако изменение графито-топливного отношения в процессе кампании может привести к большему накоплению и использованию вторичного топлива с целью повышения выгорания.
Программа развития ядерной энергетики России на длительную перспективу предполагает замыкание ядерного топливного цикла путем переработки отработавшего ядерного топлива и вовлечение в ядерную энергетику реакторов на быстрых нейтронах. Поэтому в диссертационной работе рас6 сматривается применение спектрального регулирования запаса реактивности в реакторах типа ВВЭР в замкнутом топливном цикле. Предполагалось, что отработавшее ядерное топливо реакторов типа ВВЭР-1000 будет проходить радиохимическую переработку с выделением регенерированного урана и наработанного плутония. Регенерированный уран после добавления обогащенного урана будет возвращаться в топливный цикл реактора, а плутоний с высоким содержанием четных изотопов будет использоваться в реакторах на быстрых нейтронах.
В данной диссертационной работе создана математическая модель выгорания топлива в точечном приближении. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов математической модели и расчетов с помощью программного комплекса GETERA при спектральном регулировании запаса реактивности [7]. Поскольку точечная модель выгорания приводит к большим погрешностям то расчетный анализ производился главным образом по программному комплексу GETERA на уровне представления TBC в идее набора полиячеек. Описываются методики расчетов для TBC реактора типа ВВЭР, TBC с вытеснителями и TBC с коллекторами.
Актуальность работы.
Спектральное регулирование запаса реактивности в реакторах с частичными перегрузками топлива позволяют в открытом и замкнутом топливных циклах повысить выгорание топлива без изменения обогащения. Снижение расхода природного урана на топливо подпитки в реакторах на тепловых нейтронах является актуальной задачей для современного этапа развития ядерной энергетики.
Цель работы.
Целью настоящей работы являлось выявление нейтронно-физических особенностей различных способов организации спектрального регулирования запаса реактивности в тепловых реакторах и оценка преимуществ спек7 трального регулирования запаса реактивиости с точки зрения повышения выгорания топлива и снижения расхода природного урана в открытом и замкнутом топливном цикле ядерной энергетики.
В работе осуществлялось решение следующих прикладных задач.
• Разработка численных методов анализа нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов при использовании спектрального регулирования запаса реактивности на основе полиячеечных моделей и метода вероятности первых столкновений.
• Сравнительный анализ различных технических способов реализации спектрального регулирования в реакторах на тепловых нейтронах.
• Определение величины максимального эффекта в повышении выгорания топлива при спектральном регулировании запаса реактивности в реакторах на тепловых нейтронах с уран-плутониевым и уран-ториевым топливом при работе в открытом и замкнутом топливном цикле.
Научная новизна диссертационной работы.
• Разработана методика расчета выгорания топлива в TBC реактора типа ВВЭР-1000 с различными техническими способами осуществления спектрального регулирования на основе метода вероятности первых столкновений и с использованием программного комплекса GETERA.
• Впервые показано, что величина дополнительного выигрыша в выгорании топлива при непрерывном характере спектрального регулировании запаса реактивности в реакторе типа ВВЭР-1000 не зависит от конкретного способа реализации спектрального регулирования.
• Рассмотрено применение спектрального регулирования и получены оценки выигрыша от его применения при работе реактора типа ВВЭР-1000 в замкнутом топливном цикле с повторным использованием регенерированного урана и плутония с низким содержанием четных изотопов.
Практическая значимость работы.
• Разработанная методика расчета выгорания топлива в TBC реактора типа ВВЭР-1000 с использованием программного комплекса GETERA на основе детального описания структуры TBC с помощью полиячеек может быть использована при расчетах TBC с микротвэльной засыпкой при различных схемах частичных перегрузок топлива.
• Расчетный анализ различных технических способов осуществления спектрального регулирования может быть использован при практической реализации спектрального регулирования запаса реактивности в перспективных реакторах с ториевым топливным циклом.
• Полученные результаты расчетного анализа с повторным использованием регенерированного урана и плутония могут служить основой для проектирования реакторов с регулируемым спектром нейтронов в замкнутом топливном цикле.
Основные положения, выносимые на защиту.
• Разработанная полиячеечная модель процесса выгорания ядерного топлива в бесконечной решетке TBC, в которой критичность поддерживается за счет изменения водо-топливного отношения различными техническими способами.
• Результаты расчетно-теоретического анализа выгорания топлива при осуществлении спектрального регулирования в уран-плутониевом и уран-ториевом топливном циклах.
• Результаты и выводы использования регенерированного урана и плутония для топлива подпитки реакторов типа ВВЭР-1000 при работе в замкнутом топливном цикле со спектральным регулированием запаса реактивности.
Достоверность полученных результатов и выводов базируется на использовании широко апробированного в реакторных расчетах программного комплекса ОЕТЕЯА, совпадении результатов тестовых расчетов для известных вариантов топливных циклов ВВЭР и физической непротиворечивости результатов расчетов.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 92 страницах, содержит 30 таблицы, 18 рисунков и список цитируемой литературы из 28 наименований.
Выводы по главе IV.
1. При повторном использовании регенерированного урана кратность перегрузки топлива оказывает существенно меньшее влияние на расход природного урана для топлива подпитки при применении спектрального регулирования запаса реактивности.
2. Вовлечение качественного плутония в топливный цикл реакторов ВВЭР-1000, в количестве, не превышающей его равновесной концентрации, приводит к существенному снижению расхода природного урана (50−60%), а при использовании спектрального регулирования запаса реактивности зависимость расхода от кратности перегрузки практически отсутствует.
3. Выигрыш в глубине выгорания топлива при спектральном регулировании запаса реактивности главным образом зависит от диапазона изменения водо-топливного отношения, снижение которого на 5% по отношению к оптимальному значению приводит к сокращению выигрыша на 1.
4. При спектральном регулировании запаса реактивности температурный коэффициент реактивности по теплоносителю-замедлителю в течение всей кампании остается отрицательным при любой кратности перегрузки топлива.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Основной задачей представленной диссертационной работы являлся физический анализ возможностей повышения эффективности использования топлива в реакторах на тепловых нейтронах за счет применения спектрального регулирования запаса реактивности. Проведенный расчетный анализ различных способов организации спектрального регулирования в реакторах типа ВВЭР-1000 показал масштаб возможного эффекта в повышении выгорания, который оказался на уровне 7−12% для уран-плутониевого топливного цикла.
Применение в качестве технической основы спектрального регулирования схемы с вытеснителями требует существенного изменения конструкции TBC реакторов и создание дополнительной системы управления вытеснителями. Поэтому для внедрения такого способа повышения выгорания топлива требуется тщательный экономический анализ. Но заранее очевидно, что для современной ситуации, когда стоимость природного урана относительно невелика и топливная составляющая стоимости э/э, производимой на АЭС не превышает 15−20%, такие серьезные изменения TBC и создание дополнительной системы управления вытеснителями вряд ли окажутся выгодными.
Однако в замкнутом топливном цикле, когда стоимость топлива существенно повысится, ситуация не будет столь однозначной. В этом случае как показано в работе, выигрыш в расходе природного урана на топливо подпитки за счет применения спектрального регулирования увеличивается до 1520%. Кроме того, вариант организации спектрального регулирования на основе изменения соотношения доли тяжелой компоненты в теплоносителе может быть экономически выгодным для реакторов малой мощности, в которых требуемые объемы теплоносителя и расход тяжелой воды может быть приемлемым. При этом способе спектрального регулирования запаса реактивности не требуется кардинального изменения конструкции TBC.
Что же касается дальней перспективы, то введение ториевого топливного цикла в реакторах водо-водяного типа, дает возможность за счет применения спектрального регулирования повысить эффективность использования урана-233, накапливаемого в экранах реакторов на быстрых нейтронах, на 32−40%, что уже является существенной величиной.
