В основу концепции БКЭР положены ... принципа «естественной безопасности» /1/, принятые в проекте БРЕСТ-ОД-300.

Нейтронно-физические особенности быстрого канального реактора БКЭР,
охлаждаемого водой СКД
Баринов С.В., Викулов В.К., Гмырко В.Е., Гроздов И.И., Черепнин Ю.С.,
НИКИЭТ, Москва
В основу концепции БКЭР положены подход и основные решения для реализации
принципа «естественной безопасности» /1/, принятые в проекте БРЕСТ-ОД-300.
1. Описание особенностей конструкции, исходные данные для расчета
При разработке концепции предпочтения отданы керметному топливу с трубчатым типом конструкции твэла, в котором теплоноситель СКД несет центральная трубка каждого
твэла. Основные усилия разработчиков пришлись на конструирование твэлов и ТВС, обеспечивающих в активной зоне минимальную долю воды и максимальную – топлива, что удалось
благодаря трубчатой конструкции твэла квадратного сечения, свойствам воды СКД и керметному топливу высокой теплопроводности.
Применение кермета имеет целью реализовать дополнительный физический барьер безопасности, которым
служит металлическая матрица. Керметный твэл, изготовленный по технологии НПО «Луч», позволяет снизить перепад температур между внутренней и внешней оболочками твэла, повысить выгорание топлива, существенно
снизить выход продуктов деления за пределы твэла даже
при повреждении оболочек твэла. Конструкция твэла с
внутренним каналом, несущим давление, полностью исключает выход активности в контур теплоносителя, даже
при разрушении твэла (доказано опытом эксплуатации реакторов типа АМБ), что принципиально для одноконтурной РУ.
В предложенной конструкции ТВС (см. рис. 1) объемная доля воды составляет 4.2%, газовых зазоров – 7.5%,
конструкционных материалов (сталь ЭИ-847) – 14.3%,
Рис.1. Поперечное сечение ТВС
топливной композиции – 74%, из них: гранул (UPu)O2 – 41.5%, топливной матрицы – 32.5%.
При выборе конфигурации и размеров ТВС учитывалось соблюдение следующих условий:
 количество «холодных» твэлов, в которые подается теплоноситель (помечено черным),
равно количеству «горячих», из которых теплоноситель покидает зону;
 поперечные размеры ТВС по активной зоне должны быть достаточно широкими для разводки трубопроводов ниже активной зоны (см. /2/);
 должно быть предусмотрено место под размещение канала СУЗ на стыке четырех ТВС.
Рассматривалась возможность использования в твэлах двух вариантов кермета, отличающихся матрицей: (UPu)O2 + CuMg и (UPu)O2 + Сr. Первый вариант матицы обладает повышенной теплопроводностью, но относительно высоким поглощением нейтронов, второй –
худшей теплопроводностью, но примерно в пять раз меньшим поглощением нейтронов. Для
ТВС средней мощности получено:
для «холодного» твэла
для «горячего» твэла
- средняя температура воды
ТН2О = 617 К;
ТН2О = 711 К;
- средняя плотность воды
γН2О = 0.541 г/см3;
γН2О = 0.139 г/см3;
- средняя температура оболочек
Тоб = 630 К;
Тоб = 758 К;
- средняя температура топлива*
Ттопл = 676 / 798 K
Ттопл = 793 / 896K
* значения Ттопл в числителе относятся к 1-му варианту, в знаменателе – ко 2-му
1
Проект БКЭР ориентирован на замкнутый топливный цикл с использованием смешанного уран-плутониевого топлива. Для стартовой загрузки активной зоны предполагается использовать переработанный плутоний из хранилищ ПО «Маяк» и отвальный уран разделительных производств. Для определенности в расчетах использовался изотопный состава топлива, принятый в проекте БРЕСТ-ОД-300 для стартовой загрузки и представленный в табл. 1.
Таблица 1 –Изотопный состав топлива для стартовой загрузки при содержании Np, Pu, Am
в сумме актиноидов Х= 14.6%
235
Изотоп
U 234U 236U 237Np 238U 238Pu 239Pu 246Pu 241Pu 242Pu 241Am
Содержание
по массе, % 0.09
0.0
0.01 0.01 85.31 0.17 9.21 3.14 0.59 0.60 0.86
Предварительными расчетами ячейки твэла с обогащением по плутонию Х=14.6% и вариантом CuMg-матрицы, выполненными методом Монте-Карло по программе MCU-REA,
был засвидетельствован быстрый спектр нейтронов как в горячем, так и в холодном состояниях, а также оценен КВ ≥1. Данные расчеты кроме того показали возможность обеспечить
(по К∞) эффект реактивности от захолаживания реактора (переход от горячего состояния к
холодному) на уровне 1%, что явилось обнадеживающими предпосылками для обеспечения
в данном реакторе принципов «естественной безопасности».
КВ вычислялся, как отношение суммы реакций захвата нейтронов на изотопах 238U,
240
Pu и 242Pu к сумме реакций захвата и деления на изотопах 235U, 239Pu, 241Pu, 241Am и 243Am.
В соответствии с описанием конструкции твэла и ТВС предполагалось использовать
топливную композицию на основе диоксидного микротоплива, в первом приближении с объемной долей 0.6 и металлической матрицей с объемной долей 0.4, в двух вариантах: медномагниевой эвтектики (Cu – 93%, Mg – 7%), испытанной в перегревательных каналах АМБ
Белоярской АЭС, и более жаростойкого металлического хрома. Обогащение топлива по Pu и
другим актиноидам варьировалось в диапазоне 13≤ Х≤ 17 %.
2. Исследование нейтронно-физических свойств реактора
2.1 Для пространственных расчетов БКЭР по аналогии с проектом БРЕСТ-ОД-300
предполагалось использовать методологию, принятую для расчетов быстрых реакторов на
основе гомогенного константного обеспечения CONSYT/ABBN с константами БНАБ-93,
разработанную в ФЭИ, и созданную (и верифицированную) в НИКИЭТ для технического
проекта БРЕСТ-ОД-300 сеточную диффузионную программу FACT-BR /3/, позволяющую
вести трехмерные расчеты выгорающего реактора.
Однако в отличие от реактора БРЕСТ активная зона данного реактора из-за использования в каналах водяного теплоносителя может обладать существенно большей гетерогенностью. В связи с этим исследовался вопрос о влиянии гомогенизации гетерогенных ячеек на
результаты расчетов важнейших характеристик Кэф и КВ. В табл. 2 приведены результаты
оценок погрешности гомогенизации ∆Кэф и ∆КВ, полученных сравнением с гетерогенными
расчетами ячеек ТВС по коду MCU-REA в зависимости от «обогащения» Х.
Таблица 2 – Оценка погрешности расчета Кэф (σ = ± 0.001) и КВ по гомогенизированной
модели
Сост. Характеристика Х= 13% Х= 14% Х= 14.6% Х= 15% Х= 16% Х= 17%
Хол.
Δ Кэф, %
-1.7
-1.7
-1.7
-1.7
-1.8
-1.6
Δ Кэф, %
-0.8
-0.8
-0.75
-0.75
-0.8
-0.7
Гор.
ΔКВ
0.021
0.017
0.015
0.016
0.013
0.009
2
Из табл. 2 следует, что использование для нейтронно-физического проектирования
БКЭР технологии расчетов, принятых для быстрых реакторов, охлаждаемых жидким металлом, т.е. системы CONSYST/ABBN + диффузионные 26-групповые программы пространственного расчета, могут приводить к систематическому занижению Кэф (в холодном состоянии на 1.7%, в горячем на 0.8%) и завышению КВ примерно на 1.5%.
Исследовалась также зависимость от обогащения эффекта реактивности при изменении
теплотехнических параметров реактора от холодного состояния до горячего. Расчеты выполнялись по гомогенной и гетерогенной моделям. Результаты расчетов для стартовой загрузки
представлены в табл.3.
Таблица 3 – Эффект реактивности (Δρtot, %) от полного разогрева реактора с топливом
(UPu)O2 + CuMg в зависимости от обогащения, %
Модель
Х= 13%
Х= 14%
Х= 14.6%
Х= 15%
Х= 16%
Х= 17%
Гом.
-2.44
-1.62
-1.33
-1.02
-0.50
-0.08
Гет.
-3.41
-2.63
-2.33
-2.01
-1.42
-0.94
Из представленных в табл. 3 результатов видно, что при разогреве реактора, обусловленном подъемом мощности и выводом РУ на номинальную нагрузку, реактивность падает
во всем рассмотренном диапазоне обогащения стартовой загрузки. При этом эффект реактивности по гомогенной модели расчета, оказывается заниженным (по абсолютной величине) примерно на 1% по сравнению с более точным гетерогенным расчетом. Данный вывод
справедлив и для топлива (UPu)O2 + Cr.
Из табл.3 также следует, что нормальное расхолаживание реактора при остановке,
обеспечиваемое подачей воды в каналы ТВС системой нормального расхолаживания, приводит к положительному эффекту реактивности. Это обстоятельство может вызывать опасение
дальнейшего роста реактивности при вынужденном или намеренном увеличении количества
воды в активной зоне при заполнении водой технологических (газовых) зазоров. Зависимость этого эффекта от Х представлена на рис.2, где dRo – искомый эффект.
Рисунок 2 - Изменение реактивности холодного реактора при заливе РП водой
в зависимости от Х
Результаты расчетов, представленные на рис. 2 позволяют сделать следующие выводы:
 залив водой реакторного пространства, приводящий к заполнению всех технологических
зазоров между ТВС, уменьшает реактивность реактора в случае применения топливной
композиции (UPu)O2 + CuMg при обогащении топлива Х > 14%; в случае топливной
композиции (UPu)O2 + Cr – во всем рассматриваемом диапазоне 13 ≤ Х ≤ 17 %;
3
 данный отрицательный эффект реактивности на топливе (UPu)O2 + Cr более, чем на 1%
по абсолютной величине, оказывается большим по сравнению с топливом (UPu)O2 +
CuMg;
 обнаруженный эффект реактивности является важным для ядерной безопасности свойством, облегчающим перевод реактора в подкритическое состояние и позволяющим
упростить системы нормального и аварийного расхолаживания;
 обнаруженное свойство безопасности может быть также использовано при проектировании системы перегрузки топлива.
2.2 Выбор обогащения топлива для стартовой загрузки БКЭР
Выбор начального обогащения топлива для стартовой загрузки реактора должен удовлетворять определенным критериям. Такими критериями, как минимум, являются КВ ≥ 1 и
минимально возможный эффект реактивности при нормальном расхолаживании реактора от
номинальных параметров (горячего состояния) до холодного состояния. Первый характеризует способность к воспроизводству делящегося материала, второй определяет наибольший
запас реактивности и необходимую эффективность органов СУЗ. На рис. 3 построены графики соответствующих зависимостей от Х, позволяющие сделать необходимый выбор.
Рисунк 3 - Зависимости КВ и эффекта реактивности при нормальном расхолаживании
реактора от обогащения топлива стартовой загрузки
Из рис. 3 следует, что для топлива (UPu)O2 + CuMg при Х≈16 % важный для задачи
компенсации реактивности реактора эффект нормального расхолаживания (dRo) оказывается
примерно равным 1.4%, при этом КВ остается чуть больше 1. Повышение Х в сторону 17%
позволяет снизить dRo, но приводит к КВ < 1, что не желательно. Для топлива (UPu)O2 + Cr
благодаря меньшему паразитному поглощению нейтронов удается уменьшить обогащение
топлива до примерно Х=15%, при этом заметно увеличивается КВ до примерно 1.06 и несколько уменьшается dRo примерно до 1.3%.
Таким образом, в первом приближении, для топлива (UPu)O2 + CuMg наиболее приемлемым обогащеним для стартовой загрузки является Х=16%. Для топлива (UPu)O2 + Cr таким обогащением может быть Х= 15%. При этом следует отметить, что эффект залива РП
4
холодного реактора (см. рис. 2) в первом случае составит примерно -1.16%, во втором – примерно
-2.1%.
2.3 Влияние на реактивность изменения загрузки микротоплива и матричного
материала в составе топливной композиции твэла
Существенным достоинством технологии изготовления твэлов является возможность
варьирования материала матрицы и ее объемной доли в топливной композиции. Благодаря
этому не только расширяется возможность выбора матрицы, но и появляется возможность
придать твэлам новое качество - обеспечение необходимого профилирования загрузки топлива по высоте без изменения обогащения. Это же относится и к фабрикации ТВС для зон
профилирования по радиусу реактора.
В связи со сказанным, исследовалось влияние на запас реактивности реактора технологической возможности изменения состава топливной композиции твэла по загрузке (объемным долям) микротоплива и матричного материала. Цель исследования состоит, во-первых, в
оптимизации выбора этого состава для минимизации запаса реактивности стартовой загрузки, во-вторых, в получении доказательств возможности решения задачи пространственного
профилирования загрузки с целью выравнивания энерговыделения в активной зоне.
Результаты гетерогенных расчетов Кэф и К∞ стартовой загрузки в холодном и горячем
состояниях в зависимости от изменения объемного состава исследуемых вариантов топливной композиции представлены в табл.4-5.
Таблица 4 – Зависимость Кэф и К∞ стартовой загрузки с топливом (UPu)O2+CuMg при Х=16%
от изменения в композиции доли vCuMg
Состояние Характеристика vCuMg =0.35 vCuMg=0.38 vCuMg =0.40 vCuMg =0.42 vCuMg =0.45
Хол.
Кэф
1.0521
1.0315
1.0192
1.0072
0.9871
К∞ (±0.0004)
1.0790
1.0580
1.0460
1.0340
1.0140
Гор.
Кэф
1.0389
1.0183
1.0051
0.9902
0.9681
К∞ (±0.0003)
1.0710
1.0500
1.0370
1.0220
1.0000
Таблица 5 – Зависимость Кэф и К∞ стартовой загрузки с топливом (UPu)O2+Cr при Х=15% от
изменения в композиции доли vCr
Состояние Характеристика vCr =0.40 vCr =0.43 vCr =0.45 vCr =0.46 vCr =0.50
Хол.
Кэф
1.0547
1.0403
1.0300
1.0240
1.0017
К∞ (±0.0004)
1.0860
1.0720
1.0620
1.0570
1.0350
Гор.
Кэф
1.0396
1.0236
1.0122
1.0069
0.9831
К∞ (±0.0003)
1.0780
1.0630
1.0520
1.0470
1.0250
По результатам расчетов, представленных в табл.4-5, оказывается, что наименьшие запасы реактивности достигаются для стартовой загрузки с топливом (UPu)O2+CuMg при доле
vCuMg =0.40(в среднем по активной зоне), для варианта топлива (UPu)O2+Cr – при vCr =0.46.
Также видно, что при варьировании параметров vCuMg и vCr около их средних значений размножающие свойства ТВС могут быть изменены как в большую, так и в меньшую стороны.
Это подтверждает возможность профилирования размножающих свойств по пространству
активной зоны без применения различного обогащения в зонах профилирования, что упрощает задачу изготовления топливной загрузки в условиях замкнутого топливного цикла.
2.4 Эффекты реактивности, зависящие от температуры теплоносителя и топлива
Наиболее значимыми (основными) для физики активной зоны являются эффекты реактивности, непосредственно зависящие от параметров теплоносителя и топлива. В связи с
этим для их оценки представляет интерес дифференциальные составляющие этих эффектов в
5
зависимости от температуры теплоносителя и топлива. Уместно напомнить, что температура
и плотность воды при СКД имеют однозначную зависимость.
Расчеты этих эффектов для обоих вариантов топливной композиции с выбранными
выше значениями обогащения и объемной доли матричного материала выполнялись по гетерогенной модели по программе MCU-REA. Результаты расчетов представлены на рис. 45.(Статистическая погрешность расчетов составляет ±0.06%)
Рисунок 4 - Эффекты реактивности в зависимости от изменения температуры теплоносителя
для стартовых загрузок на (UPu)O2+CuMg и (UPu)O2+Cr вариантах топлива
Рисунок 5 - Эффекты реактивности в зависимости от изменения температуры топлива для
стартовых загрузок на (UPu)O2+CuMg и (UPu)O2+Cr вариантах топлива
Следует заметить, что с ростом температуры воды сверхкритического давления (и
уменьшением ее плотности) коэффициент размножения нейтронов К∞ монотонно растет. Но
при этом возрастает также и площадь миграции нейтронов, приводящая к увеличению их
утечки из реактора. В результате разнонаправленных процессов, действующих на баланс
нейтронов, зависимость Кэф (и реактивности) от температуры теплоносителя имеет выраженный провал (см. рис.4) для обоих вариантов топлива. Но более важно, что эти плотностные
6
эффекты реактивности малы (заметно менее βэф) по абсолютной величине, что важно для
устойчивости реактора при возможных пульсациях расхода теплоносителя.
Что касается эффектов реактивности от роста температуры топлива (эффекты Допплера), то они, как и следовало ожидать, отрицательны для обоих вариантов топливной композиции и монотонно снижаются. Следует добавить, что именно эффекты Допплера являются
определяющими в формировании полного эффекта реактивности от разогрева реактора до
параметров номинальной мощности.
2.5 Эффекты реактивности, связанные с попаданием воды в РП на мощности
При работе на мощности заполнение РП холодной водой исключено конструкцией реактора. Однако в случае разрыва отдельных твэльных трубок и разгерметизации кожуха соответствующей ТВС возможно заполнение РП водяным насыщенным паром при давлениях
чуть больше атмосферного с температурой не выше 108°С и плотностью не более 0.79 кг/м3 в
зазорах.
Расчеты таких эффектов реактивности (ΔρГА) в результате аварийного попадания воды
в РП для рассматриваемых вариантов загрузок представлены в табл.6, где для полноты приведены также значения эффектов (ΔρХА) от холодного залива РП.
Таблица 6 – Эффекты реактивности от аварийного заполнения РП теплоносителем в холодном и горячем состояниях
Варианты топлива (UPu)O2 + CuMg, Х=16%; vCuMg=0.4 (UPu)O2 +Cr, Х=15%; vCr=0.46
Состояние
Кэф
КэфА
ΔρА, %
Кэф
КэфА
ΔρА, %
Холодное
1.0192(3) 1.0078(3) -1.2±0.06 1.0240(3) 1.0024(3) -2.1±0.06
Горячее
1.0051(2) 1.0049(2) -0.02±0.04 1.0069(2) 1.0072(2) 0.03±0.04
Примечание: расчеты проводились по программе MCU-REA; в скобках указана статистическая погрешность
расчета, относящаяся к четвертому десятичному знаку результата.
Из табл. 6 видно, что в горячем состоянии аварийный эффект реактивности от заполнения РП водяным паром практически нулевой. В холодном состоянии эффект реактивности от
залива РП водой отрицательный и составляет значительную величину - не менее 1-2 %.
3. Итоговые результаты расчетов
Результаты предварительных расчетов основных нейтронно-физических характеристик БКЭР-300, полученных на простейшей модели непрофилированной стартовой загрузки
реактора, представлены в табл. 7, где они даны для двух вариантов стартовой загрузки в
сравнении с характеристиками БРЕСТ-ОД-300.
Представленные в табл. 7 результаты позволяют констатировать, что в предлагаемой
концепции БКЭРС-300 удается не только получить КВ > 1, но и обеспечить приемлемые для
компенсации органами СУЗ запасы и эффекты реактивности, а также отрицательную реактивностную обратную связь по температуре топлива и мощности реактора. Важным результатом для обеспечения ядерной безопасности следует отметить также свойство пассивного
перехода реактора в подкритическое состояние при заполнении водой (в том числе аварийном) газовых зазоров в РП.
Из двух рассчитанных вариантов топливной композиции предпочтение следует отдать
варианту (UPu)O2 +Cr, как обладающему меньшим паразитным поглощением нейтронов, более сильным отрицательным эффектом реактивности при заполнении водой РП в холодном
состоянии, а также большей жаростойкостью.
7
Таблица 7 – Сравнение основных нейтронно-физических характеристик стартовых загрузок
реакторов БКЭР-300 и БРЕСТ-ОД-300
Характеристика
БКЭР-300,
БКЭР-300,
БРЕСТ-ОДВар.1
Вар.2
300
Тепловая мощность, МВт
675
675
700
Высота/экв. диаметр активной зоны, см
230/296.2
230/296.2
110/238.3
Количество ТВС, шт.
208
208
145
Загрузка топлива, т
68.8
61.9
15.7
Удельная мощность топлива, МВт / т
9.8
10.9
44.6
Тип топливной композиции
(UPu)O2 + Cu (UPu)O2 +Cr
(UPu)N
Объемная доля теплопроводной матрицы
0.4
0.46
Обогащение топлива Х, %
16
15
14.6
Выгорание до перегрузки, МВт.сут/кгТМ
10.5
11.6
10.7
КВ, средний за интервал работы
1.02
1.05
1.058
Макс. флюенс(Е>0.8 МэВ), 1022 / см2
≈1.0
≈1.0
1.2
Макс. запасы реактивности, %
в холодном состоянии
1.9
2.4
0.36
в горячем (ном.) состоянии
0.5
0.7
0.11
Эффекты реактивности, %:
при изотермическом разогреве *
-0.1
-0.08
0.01
при разогреве от хол. до гор. состояния
-1.4
-1.7
-3.3
при заполнении водой РП в хол. сост.
-1.2
-2.1
при заполнении паром РП в гор. сост.
±0.03
±0.03
Коэффициенты реактивности при ном. :
по температуре топлива - αд, 1/K
-1.65·10-5
-2.03·10-5
-6.0·10-6
-5
-5
по температуре теплоносителя - αH2O, 1/K
2.7·10
3.1·10
2.7·10-6
по мощности - αN, 1/%Nном
-4.0·10-5
-1.5·10-5
-1.3·10-5
Эффективность всех РО СУЗ, %
3-4
3-4
3.6
Эффективная доля запаздывающих нейтронов βэф
0.0036
0.0036
0.0036
* при нулевой мощности перед началом пуска, для БКЭР – это разогрев от 300 до 543 К, для БРЕСТ – от 653 до
693 К.
Недостатком данной концепции по сравнению с БРЕСТ-ОД-300 является большая загрузка топлива и меньшая удельная мощность. Однако эти факторы улучшают условия работы твэлов и конструкционных материалов.
Ближайшими задачами нейтронно-физического проектирования данной концепции
БКЭРС-300 являются:
- оптимизация размеров твэлов и ТВС с целью повышения удельной мощности топлива;
- изучение возможности повышения эффективности РО СУЗ;
- профилирование загрузки активной зоны по высоте и радиусу для уменьшения неравномерности энерговыделения (Kr = 1.3; Kz = 1.25);
- оптимизация и выбор режима перегрузок топлива;
- совершенствование методов расчета и константного обеспечения, учитывающих гетерогенность данного реактора.
Список литературы
1. Адамов Е.О., Габараев Б.А., Ганев И.Х. и др. Вклад НИКИЭТа в формирование стратегии развития ядерной энергетики России. - Атомная энергия, 2007, т. 103, вып. 1, с. 5-15.
2. Баринов С.В., Викулов В.К., Гмырко В.Е., Гроздов И.И., Петров А.А. Концептуальное предложение
быстрого канального энергетического реактора, охлаждаемого водой СКД. Доклад НИКИЭТ на данной
конференции, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2008.
3. Баринов С.В., Радкевич А.П. Использование системы подготовки многогрупповых нейтронных данных
CONSYT/ABBN в програмном комплексе FACT-BR для трехмерных нейтронно-физических расчетов реактора БРЕСТ-ОД-300. Сборник докладов семинара «Нейтроника –99», ГНЦ РФ ФЭИ, 1999.
8