Вин Ту. Сравнительный анализ эффективности использования различных схем спектрального регулирования запаса реактивности в реакторах на тепловых нейтронах

Краткое описание

Вин Ту. Сравнительный анализ эффективности использования различных схем спектрального регулирования запаса реактивности в реакторах на тепловых нейтронах : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.03 / Вин Ту; [Место защиты: Нац. исслед. ядерный ун-т].- Москва, 2013.- 93 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/1515

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
04201 353-21 5
«МИФИ»
На правах рукописи
Вин Ту
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ СПЕКТРАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ В РЕАКТОРАХ НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ
Специальность 05.14.03 -ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Автор:

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ кандидат физико-математических наук, доцент В. И. Савандер
Москва 2013
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ВЫГОРАНИЯ
ТОПЛИВА В РЕАКТОРАХ НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ
РЕГУЛИРОВАНИЕМ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ. ... 11
1.1. Физические основы спектрального регулирования
запаса реактивности 11
1.2. Методика расчетного анализа 13
1.3. Постановка задачи в точечном приближении 15
1.4. Схема численного решения задачи в точечном
приближении 18
1.5. Применение полиячеечных моделей для анализа различных схем спектрального регулирования
на основе программного комплекса GETERA 19
1.6. Сопоставление результаты точечной модели и расчетов
по программе GETERA 23
ГЛАВА II. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ
РЕАЛИЗАЦИИ СПЕКТРАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ В РЕАКТОРАХ НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ 26
2.1. Компенсация запаса реактивности с помощью
вытеснителей 26
2.2. Методика расчета ТВС с вытеснителями
по программному комплексу GETERA 28
2.3. Использование в качестве теплоносителя смесь
тяжелой и обычной воды 31
2.4. Регулирование плотности воды или парового
содержания в воде по высоте ТВ С 33
2.5. Нейтронно-физические характеристики проекта
реактора ВВЭР с микротвэлами 34
2.6. Способ реализации спектрального регулирования
нейтронов в высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе ВТГР 39
ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОГО АНАЛИЗА
РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ РЕАЛИЗАЦИИ СПЕКТРАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ В РЕАКТОРАХ ТИПА ВВЭР-1000. . 50
3.1. Спектральное регулирование запаса реактивности путем
изменения плотности теплоносителя 50
3.2. Обсуждение результатов 55
3.3. Расчетные исследования спектрального регулирования запаса реактивности с помощью
ТВС с вытеснителями 60
3.4. Результаты расчетных исследований спектрального
регулирования запаса реактивности путем изменения содержания легкой и тяжелой воды в теплоносителе.... 67
ГЛАВА IV. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
СПЕКТРАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ В РЕАКТОРАХ ТИПА ВВЭР
В ЗАМКНУТОМ ТОПЛИВНОМ ЦИКЛЕ 74
4.1. Методика расчетного анализа расхода природного
урана топлива подпитки при использовании регенерированного урана и плутония в условиях применения спектрального регулирования запаса реактивности 74
4.2. Результаты расчетного анализа расхода природного урана при частичных перегрузках топлива и спектральном регулировании запаса реактивности 76
4.3. Снижение диапазона изменения водо-топливного отношения за счет частичного использования выгорающих поглотителей 80
4.4. Расчетный анализ расхода природного урана топлива подпитки при использовании регенерированного урана в условиях применения спектрального регулирования в ториевом
топливном цикле 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 88
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 90
ВВЕДЕІ-ІИЕ
В реакторах типа ВВЭР, которые являются реакторами корпусного ти¬па, для повышения выгорания выгружаемого топлива применяют частичные перегрузки топлива. Частичные перегрузки топлива характеризуются тем, что в один прием выгружается лишь часть ТВС, достигших наибольшего вы¬горания. При фиксированном обогащении топлива подпитки увеличение кратности перегрузки приводит к повышению выгорания топлива и сниже¬нию запаса реактивности, резервируемой в системе компенсации избыточной реактивности. Однако повышение кратности перегрузок увеличивает относи¬тельное время простоя реактора, что отрицательно сказывается на коэффици¬енте использования установленной мощности (КИУМ) [1].
С целью повышения КИУМ предлагается внедрять удлиненные кампа¬нии вплоть до полутора-двух лет [2]. Увеличение длительности одной кампа¬нии реактора приводит к повышению запаса реактивности. Используемые в настоящее время системы компенсации избыточной реактивности основаны на поглощении нейтронов в сильных поглотителях, как, например, природ¬ный бор (жидкостная система компенсации) и гадолиний (выгорающий по¬глотитель [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 по¬глощение нейтронов на ядрах 238U, что приводит к снижению К„ решетки твэлов в ТВС. Поэтому изменяя водо-топливное отношение в реакторе мож¬но поддерживать его критичность. Следовательно, для свежей топливной за-
4
грузки при спектральном регулировании избыточные нейтроны будут в ос-
^30 <330
новном поглощаться ядрами " U, что приведет к повышению наработки ‘ Ри в топливе. В дальнейшем с увеличением водо-топливного отношения и при¬ближением его к оптимальному значению происходит выжигание этого плу¬тония, 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 размно¬жения среды от вероятности избежать резонансного поглощения нейтронов. Значительная часть научных исследований в области спектрального регули¬рования посвящена повышению энергоиспользования топлива легководных реакторов. Имеются способы реализации спектрального регулирования запа¬са реактивности, как механическим путем применения специальных вытес¬нителей, так и путем разбавления замедлителя (воды) материалами с худши¬ми свойствами замедления нейтронов.
Для применения вытеснителей в качестве регулятора водо-топливного отношения в ТВС необходимо осуществить модернизацию конструкции су¬ществующей ТВС. В работе [5] описаны модернизированные конструкции ТВС с различным количеством вытеснителей и предлагалось уменьшать диаметр твэла. В данной диссертационной работе так же рассмотрены мо¬дернизированные конструкции ТВС с различными количествами как цирко¬ниевых, так и урановых вытеснителей, но при сохранении диаметра твэла.
Рассмотрен вариант смеси тяжелой и легкой воды, так что по мере вы¬горания топлива содержание тяжелой компоненты уменьшается. В этом ва¬рианте температура и давление теплоносителя практически не меняются, что является положительным фактором, но требуются большие расходы тяжелой воды. Концепция реакторов типа ВВЭР с микротвэлами позволяет использо¬вать 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 лег¬ководных реакторах с точки зрения безопасности. Основное преимущество использования микротвэлов (сфера диаметром 1-2 мм), непосредственно омываемых легководным теплоносителем, в сравнении с традиционным таб¬леточным 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 тепло¬обмена. Это позволяет допустить объемное кипение теплоносителя с боль¬шим массовым теплосодержанием в тепловыделяющих сборках (ТВС) 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 перегруз¬ка топлива и отсутствует необходимость в создании системы компенсации избыточной реактивности. Однако изменение графито-топливного отноше¬ния в процессе кампании может привести к большему накоплению и исполь¬зованию вторичного топлива с целью повышения выгорания.
Программа развития ядерной энергетики России на длительную пер¬спективу предполагает замыкание ядерного топливного цикла путем перера¬ботки отработавшего ядерного топлива и вовлечение в ядерную энергетику
реакторов на быстрых нейтронах. Поэтому в диссертационной работе рас-
6
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 обога¬щенного 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 вы¬горания топлива в точечном приближении. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов математической модели и расчетов с помощью про¬граммного комплекса GETERA при спектральном регулировании запаса ре¬активности [7]. Поскольку точечная модель выгорания приводит к большим погрешностям то расчетный анализ производился главным образом по про¬граммному комплексу GETERA на уровне представления ТВС в идее набора полиячеек. Описываются методики расчетов для ТВС реактора типа ВВЭР, ТВС с вытеснителями и ТВС с коллекторами.
Актуальность работы
Спектральное регулирование запаса реактивности в реакторах с ча¬стичными перегрузками топлива позволяют в открытом и замкнутом топлив¬ных циклах повысить выгорание топлива без изменения обогащения. Сниже¬ние 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 регулирова¬ния запаса реактивности в тепловых реакторах и оценка преимуществ спек-
7
трального регулирования запаса реактивности с точки зрения повышения вы¬горания топлива и снижения расхода природного урана в открытом и замкну¬том топливном цикле ядерной энергетики.
В работе осуществлялось решение следующих прикладных задач.
• Разработка численных методов анализа нейтронно-физических характе¬ристик ядерных реакторов при использовании спектрального регулирова¬ния запаса реактивности на основе полиячеечных моделей и метода веро¬ятности 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 реакто¬рах на тепловых нейтронах с уран-плутониевым и уран-ториевым топли¬вом при работе в открытом и замкнутом топливном цикле.
Научная новизна диссертационной работы
• Разработана методика расчета выгорания топлива в ТВС реактора типа ВВЭР-1000 с различными техническими способами осуществления спек¬трального регулирования на основе метода вероятности первых столкно¬вений и с использованием программного комплекса GETERA.
• Впервые показано, что величина дополнительного выигрыша в выгора¬нии топлива при непрерывном характере спектрального регулировании запаса реактивности в реакторе типа ВВЭР-1000 не зависит от конкретно¬го способа реализации спектрального регулирования.
• Рассмотрено применение спектрального регулирования и получены оцен¬ки выигрыша от его применения при работе реактора типа ВВЭР-1000 в замкнутом топливном цикле с повторным использованием регенериро¬ванного урана и плутония с низким содержанием четных изотопов.
Практическая значимость работы
• Разработанная методика расчета выгорания топлива в ТВС реактора типа ВВЭР-1000 с использованием программного комплекса GETERA на ос¬нове детального описания структуры ТВС с помощью полиячеек может быть использована при расчетах ТВС с микротвэльной засыпкой при раз¬личных схемах частичных перегрузок топлива.
• Расчетный анализ различных технических способов осуществления спек¬трального регулирования может быть использован при практической реа¬лизации спектрального регулирования запаса реактивности в перспектив¬ных реакторах с ториевым топливным циклом.
• Полученные результаты расчетного анализа с повторным использованием регенерированного урана и плутония могут служить основой для проек¬тирования реакторов с регулируемым спектром нейтронов в замкнутом топливном цикле.
Основные положения, выносимые на защиту
• Разработанная полиячеечная модель процесса выгорания ядерного топли¬ва в бесконечной решетке ТВС, 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 плуто¬ния для топлива подпитки реакторов типа ВВЭР-1000 при работе в за¬мкнутом топливном цикле со спектральным регулированием запаса реак¬тивности.
Достоверность полученных результатов и выводов базируется на использовании широко апробированного в реакторных расчетах программно¬го комплекса GETERA, совпадении результатов тестовых расчетов для из¬вестных вариантов топливных циклов ВВЭР и физической непротиворечиво¬сти результатов расчетов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиогра¬фии. Работа изложена на 92 страницах, содержит 30 таблицы, 18 рисунков и список цитируемой литературы из 28 наименований.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на XVI и XVII школах-семинарах по проблемам физики реакторов «ВОЛГА-2010» и «ВОЛГА-2012»; на Научных сессиях НИЯУ МИФИ в 2010, 2011 и2012г.г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 5 работ в научных журналах и сборниках трудов конференций и семинаров, в том числе 2 статьи в рецензи¬руемых журналах.

Список литературы

Основной задачей представленной диссертационной работы являлся физический анализ возможностей повышения эффективности использования топлива в реакторах на тепловых нейтронах за счет применения спектрально¬го регулирования запаса реактивности. Проведенный расчетный анализ раз¬личных способов организации спектрального регулирования в реакторах ти¬па ВВЭР-1000 показал масштаб возможного эффекта в повышении выгора¬ния, который оказался на уровне 1-М % для уран-плутониевого топливного цикла.
Применение в качестве технической основы спектрального регулиро¬вания схемы с вытеснителями требует существенного изменения конструк¬ции ТВС реакторов и создание дополнительной системы управления вытес¬нителями. Поэтому для внедрения такого способа повышения выгорания топлива требуется тщательный экономический анализ. Но заранее очевидно, что для современной ситуации, когда стоимость природного урана относи¬тельно невелика и топливная составляющая стоимости э/э, производимой на АЭС не превышает 15-20 %, такие серьезные изменения ТВС и создание до¬полнительной системы управления вытеснителями вряд ли окажутся выгод¬ными.
Однако в замкнутом топливном цикле, когда стоимость топлива суще¬ственно повысится, ситуация не будет столь однозначной. В этом случае как показано в работе, выигрыш в расходе природного урана на топливо подпит¬ки за счет применения спектрального регулирования увеличивается до 15- 20%. Кроме того, вариант организации спектрального регулирования на ос¬нове изменения соотношения доли тяжелой компоненты в теплоносителе может быть экономически выгодным для реакторов малой мощности, в кото¬рых требуемые объемы теплоносителя и расход тяжелой воды может быть приемлемым. При этом способе спектрального регулирования запаса реак¬тивности не требуется кардинального изменения конструкции ТВС.
88
Что же касается дальней перспективы, то введение ториевого топлив¬ного цикла в реакторах водо-водяного типа, дает возможность за счет приме¬нения спектрального регулирования повысить эффективность использования урана-233, накапливаемого в экранах реакторов на быстрых нейтронах, на 32-40 %, что уже является существенной величиной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ипатов П.Л.Оценка системной эффективности АЭС с ВВЭР с учетом ре-гиональных факторов. - Атомная энергия. 2008. т. 104. № 3. с. 131-137.
2. Семченков Ю.М., Павлов В.И. И др. Использование топлива в ВВЭР- 1000: состояние и перспективы. - Атомная энергия, 2007. т. 102. вып. 3. с. 139-146.
3. Савандер В.И., Белоусов Н.И. Альдавахра С., Методика расчета и анализ применения гранулированных поглотителей в ВВЭР. - Атомная энергия. 2006. т. 100. № 1. с. 8-12.
4. Савандер В.И., Увакин М.А. Расчет глубокого выгорания ядерного топ¬лива в решетках с регулируемым спектром нейтронов. - Атомная энергия, 2005. т. 98. вып. 6. с. 429-435.
5. Духовенский А.С. Универсальный реактор. - Журнал "Росэнергоатом", сентябрь, 2009. №9. с. 26-29.
6. Гришанин Е.И., Филиппов Г.А и другие. Оценка стойкости защитных по¬крытий микротвэлов в паровой среде при взаимодействии с конструкци¬онными материалами. - Атомная энергия, 2009. т. 106. вып. 3. с. 153-158.
7. Пряничников А.В. Описание программы GETERA. - ВАНТ, сер. ФЯР, вып. 3, 2009, с. 63-77.
8. Чибиняев А.В., Алексеев П.Н., и др. Оценка влияния регулирования нейтронного спектра на глубину выгорания топлива ВВЭР-1000. - Атом¬ная энергия. 2006. т. 101. вып. 3. с. 231-233.
9. Савандер В.И.,Увакин М.А. Сравнительный анализ различных способов достижения больших глубин выгорания в реакторных системах без ис-пользования дополнительных поглотителей. - Известия вузов, сер. Ядер¬ная Энергетика, 2005, вып. 2, с. 86-91.
10. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. М.:2001. с. 363-375.
11. Список программных пакетов для численного анализа. http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_numerical_analysis_software.
12. Денисов В. П., Драгунов 10. Г. Реакторные установки ВВЭР для атомных электростанций. М.: ИздАТ, 2002. .-480 с.
13. С.Б. Выговский, Н.О. Рябов, А.А., и др, Физические и конструкционные особенности ядерных энергетических установок с ВВЭР: учебное посо¬бие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. - 376 с.
14. Белоусов Н.И., Пряничников А.В., Бычков С.А. Использование метода вероятностей первых столкновений для расчета ячеек реакторов со слож¬ной геометрией. - Инженерная физика, 2002, вып. 4.
15. Гришанин Е.И., Кухаркин Н.Е. Инновация с микротвэлами. - Журнал "Росэнергоатом", сентябрь, 2009. №9. с. 30-36.
16. Мантуров Г.Н., Николаев М.Н., Цибуля А.М. Система групповых кон¬стант БНАБ-93. Часть 1: нейтронные и фотонные ядерные константы. — ВАНТ, сер. Ядерные константы, 1996, вып. 1.
17. Савандер В.И., Вин Ту., Белоусов Н.И. Методика расчета выгорания топ¬лива при спектральном регулировании запаса реактивности в реакторах типа ВВЭР. - Вестник национального исследовательского ядерного уни¬верситета “МИФИ”, 2012, т. 1, № 2, с. 210-215.
18. Пономарев-Степной Н.Н., Кухаркин Н.Е., Хрулев А.А. и др. Перспекти¬вы применения микротвэлов в ВВЭР. - Атомная энергия. 1999. т. 86. вып.
6. с. 443-449.
19. Филиппов Г.А., Гришанин Е.И., Кондитеров М.В. и др. Эксперименталь¬ное исследование работоспособности защитных оболочек микротвэлов применительно к условиям тяжелых аварий легководных реакторов. — Атомная энергия. 2007. т. 103. № 5. с. 302-309.
20. Филиппов Г.А., Гришанин Е.И., Фальковский J1.H. и др. Оценка стойко¬сти защитных покрытий микротвэлов в парогазовой среде при взаимо¬действии с конструкционными материалами. - Атомная энергия. 2009. т. 106. №3. с. 153-158.
21. Фонарев Б.И., Гришанин Е.И., Фальковский J1.H. и др. Возможные пути создания одноконтурного энергоблока АЭС с легководным теплоносите¬лем сверхкритического давления и активной зоной на основе микротоп- ливных элементов. - Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспе¬чение безопасности АЭС. 2011. № 30. с. 146-158.