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.