Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор с

Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор…
ВИН ТУ, В.И. САВАНДЕР
Национальный исследовательский ядерный университет ‹‹МИФИ››
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГАЗООХЛАЖДАЕМЫЙ РЕАКТОР
С ПЕРЕМЕННЫМ ГРАФИТО-ТОПЛИВНЫМ ОТНОШЕНИЕМ
В данной работе исследуется возможность повышения глубины выгорания топлива в высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе за счет применения спектрального регулирования нейтронов, путем изменения графитотопливного отношения в процессе выгорания топлива. Представлены результаты расчетных исследований повышения
выгорания топлива при дискретном и непрерывном изменении графито-топливного отношения. Для варианта с дискретным варьированием графито-топливного отношения расчеты велись для канального высокотемпературного газоохлаждаемого реактора с шаровыми твэлами и с двухзонной компоновкой активной зоны.
Проблема повышения эффективности использования ядерного топлива в реакторах имеет
особую актуальность. Это обусловлено, в первую очередь, экономией ресурсов природного урана.
Важным фактором, определяющим эффективность использования ядерного топлива, является
схема компенсации избыточной реактивности в реакторе. Увеличение концентрации выгорающего
поглотителя приводит к росту паразитного захвата нейтронов, что снижает эффективность использования ядерного топлива. Применение спектрального регулирования для компенсации избыточной реактивности путем варьирования графито-топливного отношения позволяет отказаться от
применения поглотителей нейтронов. Поэтому можно ожидать возможности повышения выгорания топлива в высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе со спектральным регулированием
резонансного поглощения нейтронов в топливе.
Для анализа схемы с непрерывным изменением графито-топливного отношения рассматривалась простейшая система на уровне элементарной ячейки, условие критичности для которой
определяются из условия K∞ = 1,0. На первом этапе были проведены расчеты критических загрузок для различных топливных циклов и при различных обогащениях. Графито-топливное отношение характеризуется величиной разбавления C  C  f , где C ,  f – усредненные по элементарной ячейке ядерные концентрации графита и топлива соответственно.
Расчеты проводились с помощью программы GETERA [1]. Критическое условие
K∞ (X, С) = 1 при уменьшении величины разбавления выполняется за счет увеличения критического обогащения Xкрит при минимальном разбавлении (C = 50). Для топливной композиции на основе тория с 233U, достигается минимальное критическое обогащение Xкрит = 4,1 % при минимально
допустимом разбавлении (C = 50). При этом разбавлении в ториевом топливе с обогащенным ураном 235U значение критического обогащения Xкрит имеет существенно большое значение, а именно
16 % из-за наличия двух резонансных поглотителей 232Th и 238U. Для топливной композиции на
основе урана минимальное обогащение составляет 14 %. Изменение критических обогащений Xкрит
от разбавления С при различных топливных циклах представлено на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость критических обогащений Xкрит от разбавления С при различных топливных циклах
Максимальное разбавление для всех рассматриваемых вариантов принималось равным
C = 300, а минимальное значение равным С = 100, поскольку при разбавлении С = 50 значительно
снижается прочность упаковки микротвэлов в шаровом твэле. Для случая дискретного изменения
разбавления мы производим расчет выгорания топлива при разбавлении С = 100, а когда K∞ достигает значения 1,05, мы увеличиваем разбавление до 300.
Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор…
В случае непрерывного изменения графито-топливного отношения для достижении условия
критичности графито-топливное отношение изменяется таким образом, чтобы коэффициент размножения K∞ равнялся 1,05, после чего продолжается расчет выгорания топлива. Конечное значение разбавления составляет 300.
Таблица 1
Результаты расчета удельной энерговыработки топлива при дискретном
и непрерывном изменении разбавления при различных топливных циклах
Тип топлива
Удельная энерговыработка [МВт  сут/кг]
При постоянном
Дискретное
Непрерывное
разбавлении
изменение
изменение
Обогащение
[%]
С = 100
С = 200
С = 300
От 100 до 300
(Th+U-233)O2
4,1
52,73
60,61
55,16
85,17
107,19
(Th+U-235)O2
12
107,92
143,60
140,15
176,54
200,36
(Th+U(90%))O2
16
97,43
154,84
153,54
184,09
203,08
(Th+Pu-239)O2
10
15,57
102,40
107,73
117,97
153,25
UO2
14
14,72
61,41
112,23
111,79
109,86
Приведенные расчетные данные показывают, что при дискретном изменении разбавления в
ториевом топливе с ураном или плутонием значение удельной энерговыработки топлива больше,
чем при разбавлении 300. Наибольший эффект достигается для ториевого топлива с 233U при непрерывном изменении разбавления. В этом случае выигрыш в выгорании выгружаемого топлива
по сравнению с вариантом без спектрального регулирования составляет 100 %. Для урановых загрузок выигрыш существенно меньше. Для повышения удельной энерговыработки в урановом
топливе при дискретном и непрерывном изменении разбавления надо повысить диапазон изменения разбавление до 500.
В качестве практической реализации схемы дискретного изменения разбавления рассматривается проект высокотемпературного газоохлаждаемого реактора канального типа с шаровыми
топливными элементами. Для расчетных исследований канального реактора использовалась программа «ГАВРОШ», которая предназначена для расчета равновесного режима выгорания топлива
в реакторах с шаровыми твэлами с насыпной активной зоной. Изменение графито-топливного отношения в каналах при перегрузке шаровых твэлов из одного канала в другой моделируется изменением диаметра шарового твэла.
Для расчета геометрических параметров канальной системы введем следующие обозначения:
С0  графито-топливное отношение в шаровом твэле;
С1  полное графито-топливное отношение в эквивалентной цилиндрической ячейке;
0 – пористость засыпки шаровых твэлов в канале;
qV – средняя энергонапряженность активной зоны;
v0 – объем одного стандартного шарового твэла.
Принимая условие того, что пористость активной зоны засыпного типа должна быть равна
пористости в канальной активной зоне, диаметр шарового твэла в различных каналах выбирается с
учетом графита, который составляет стенки каналов. В исходном шаровом твэле канального реактора графито-топливное отношение равно С0 . Число ядер топлива в этом твэле
C0 
NC
;
N топ
N топ 
NC
;
C0
NC  C  v0 .
Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор…
При изменении графито-топливного отношения количество ядер топлива не меняется
C1 
NC1
N1
 C C0 ;
N топ NC
NC1 
C1
NC .
C0
Число ядер графита определяется размерами твэла
C
NC1  C  v1; v1  1 v0 ;
C0
C  0
R1твэл  3  1   Rтвэл
.
 C0 
Для расчета размера активной зоны при заданной пористости шаровой засыпки  K и числе
K
шаровых твэлов Nтвэл
2 в каждой области активной зоны, вычислим объемы зон с различным
графито-топливным отношением. Объем шаровой массы в каждой зоне
1,2
Vшар
NК
 твэл v1,2 ;
2
V1,2 
1,2
Vшар
(1   K )
.
Подставляя нужные величины в эту формулу, получим
V1 
WАЗ
C
1
1 (1  0 ) WАЗ C1
 (1  0 ) 1 v0 
 
;
2  qV  v0
C0
(1   K ) 2 (1   K ) qV C0
V2 
WАЗ
C
1 1 (1  0 ) WАЗ C2
 (1  0 ) 2 v0 
 
.
2  qV  v0
C0
 К 2 (1   K ) qV C0
При заданной высоте активной зоны, радиусы областей в засыпной зоне будут равны
V
V V
R1   1  ;
R2   1 2 .
  H 
  H 
Пример системы перегрузки шаровых твэлов из одного канала в другой представлен на
рис. 2.
1
3
2
Рис. 2. Система перегрузки шаровых твэлов от одного канала в другой:
1 – свежее топливо; 2 – канал с суммарным разбавлением 150; 3 – канал с суммарным разбавлением 300
Для сравнительного анализа были проведены расчеты глубины выгорания ядерного топлива
при двухзонной компоновки c перегрузками от центра к периферии и наоборот. Первый и второй
вариант – это зоны с одинаковым разбавлением, а третий вариант – это когда в первой зоне каналы
с разбавлением 150, а во второй зоне каналы с разбавлением 300. Полученные результаты расчетов представлены в табл. 2.
Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор…
Таблица 2
Результаты расчета удельной энерговыработки топлива при различных разбавлениях
и схемах перегрузки шаровых твэлов
Вариант
Графито-топливное
отношение
1
150–150
2
300–300
3
150–300
Тип перегрузки
Удельная энерговыработка
[МВт  сутки /кг]
(Th+U – 90 %)O2
(Th+U – 233)O2
(x = 10 %)
(x = 4.1 %)
IN-OUT
92,06
58,63
OUT-IN
91,39
53,88
IN-OUT
101,12
65,43
OUT-IN
91,61
55,00
IN-OUT
94,00
36,72
OUT-IN
89,40
15,34
Для всех рассматриваемых топливных загрузок удельная энерговыработка ядерного топлива
при схеме перегрузок от центра к периферии (IN-OUT) больше, чем при перегрузке от периферии
к центру (OUT-IN). Более высокое значение выгорания топлива достигается при графитотопливном отношении 300 для схемы перегрузок IN-OUT. Для варианта с дискретным изменением
разбавления и в ториевом топливе с ураном 233U при перегрузке из канала с разбавлением 150 в
канал с разбавлением 300 удельная энерговыработка топлива не увеличивается, а даже уменьшается по сравнению с вариантами при постоянном разбавлении. Поэтому с точки зрения повышения глубины выгорания этот вариант не имеет преимуществ. Поскольку в модели бесконечной
решетки микротвэлов дискретное изменение разбавления позволяет повысить глубину выгорания
топлива, то эти результаты отражают сложность используемой модели для расчета канального реактора по программе ГАВРОШ.
Таким образом, наилучших результатов в повышении выгорания топлива спектральное регулирование имеет для ториевого топливного цикла с ураном 233U или обогащенным ураном. Так,
в модели непрерывного изменения графито-топливного отношения достигается повышение глубины выгорания топлива примерно в два раза. В модели дискретного изменения графитотопливного отношения глубина выгорания ядерного топлива повышается примерно на 50 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Белоусов Н.И., Савандер В.И. и др. Программа GETERA: описание пользователя.
Отчет НИЯУ МИФИ, 1993.
1.
Савандер В.И., Увакин М.А., Белоусов Н.И. // Инженерная физика. 2006.
Вып. 2. С. 12.
2.
Савандер В.И., Увакин М.А. // Атомная энергия. 2005. Т. 98. Вып. 6. С. 429.