авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Обоснование использования уран-эрбиевого топлива рбмк и сопровождение его внедрения на аэс

-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи

УДК 621.039.5

Федосов Александр Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УРАН-ЭРБИЕВОГО ТОПЛИВА РБМК И СОПРОВОЖДЕНИЕ ЕГО ВНЕДРЕНИЯ НА АЭС

Специальность 05.14.03

Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МОСКВА-2008

Работа выполнена в Институте ядерных реакторов Российского Научного Центра «Курчатовский институт».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Цибульский Виктор Филиппович (РНЦ «Курчатовский институт»)

доктор физико-математических наук,

Загребаев Андрей Маркоянович (МИФИ)

доктор технических наук

Селезнев Евгений Федорович (ИБРАЭ РАН)

Ведущая организация:

ФГУП Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ)

Защита состоится «_____»____________2008г. в _____________ на заседании диссертационного совета Д520.009.06 при РНЦ «Курчатовский институт» по адресу Москва, пл. И.В.Курчатова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт».

Автореферат разослан «____»____________2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д. т. н., профессор В.Г. Мадеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Примерно половина электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростанциях России, приходится на долю реакторов РБМК. Несмотря на масштабные планы развития ядерной энергетики на базе реакторов ВВЭР, реакторы РБМК будут играть важную роль еще в течение десятков лет. Повышение безопасности и эффективности их эксплуатации было и остается насущной необходимостью.

Хотя авария на 4-ом энергоблоке Чернобыльской АЭС в 1986 г. поставила под сомнение само существование реакторов РБМК, предпринятые сразу после аварии меры по повышению безопасности позволили продолжить их эксплуатацию. Одной из важнейших мер было снижение парового коэффициента реактивности и эффекта обезвоживания топливных каналов путем установки в активную зону дополнительных поглотителей (ДП). Безопасность была повышена ценой уменьшения выгорания топлива, т.е., в конечном итоге, снижения экономичности топливного цикла. Поиск технического решения, позволяющего повысить не только безопасность, но и экономичность реакторов РБМК, являлся актуальной задачей.

В диссертации научно обоснованы новые технические решения, внедрение которых внесло значительный вклад в развитие ядерной энергетики.

Цель работы – повышение безопасности и экономичности реакторов РБМК путем оптимизации состава топлива и режимов его использования. Для достижения поставленной цели работа велась в следующих направлениях.

  1. Поиск оптимального способа снижения парового коэффициента (эффекта) реактивности действующих реакторов РБМК, приведший к разработке уран-эрбиевого топлива.
  2. Расчетные исследования по выбору содержания эрбия, оптимального режима перехода на новое топливо, обоснованию безопасности и экономичности РБМК с уран-эрбиевым топливом. Разработка стратегии внедрения уран-эрбиевого топлива.
  3. Научное сопровождение перевода РБМК на уран-эрбиевое топливо, включающее прогнозные расчеты изменения характеристик реактора, анализ хода загрузки нового топлива, анализ и объяснение физических эффектов, связанных с внедрением уран-эрбиевого топлива.
  4. Разработка режимов эксплуатации, повышающих эффективность использования топлива на разных этапах жизненного цикла РБМК.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов





Для решения поставленных задач использовалась теория ядерных реакторов, аналитические и численные методы, математическое моделирование. Достоверность полученных результатов подтверждается опытом внедрения уран-эрбиевого топлива, сравнением предсказанных эффектов и прогнозных расчетов с результатами измерений на действующих реакторах, а также сравнением с расчетами по прецизионным программам и расчетами других авторов.

Научная новизна

Исследованы физические механизмы воздействия различных факторов на паровой коэффициент (эффект) реактивности.

Выбран выгорающий поглотитель – эрбий, позволяющий при добавлении в топливо РБМК одновременно повысить безопасность за счет уменьшения парового коэффициента (эффекта) реактивности и выравнивания энерговыделения и экономичность за счет повышения обогащения и глубины выгорания топлива. Доказано, что предложенное техническое решение является наилучшим (оптимальным) в условиях действующих реакторов РБМК.

Разработан порядок перевода реакторов на новое топливо, позволяющий поддерживать характеристики реактора в допустимых диапазонах. Разработана стратегия внедрения и дальнейшего совершенствования уран-эрбиевого топлива с учетом других мероприятий по повышению безопасности, предусматривающая поэтапное повышение обогащения.

Выполнено экономическое обоснование внедрения уран-эрбиевого топлива и повышения его обогащения.

Выполнено исследование влияния эрбия на поведение РБМК в переходных режимах.

Предложено и внедрено новое топливо, существенно улучшившее характеристики РБМК.

Исследованы характеристики РБМК-1000 с уран-плутониевым топливом и выгорающими поглотителями. Показано, что в этом случае вместо эрбия лучше использовать европий.

Поставлены и решены задачи оптимизации повторного использования (дожигания) топлива РБМК в течение всего срока службы реактора, начиная от пуска и заканчивая выводом из эксплуатации.

Разработан режим оптимального дожигания топлива из остановленного 1-го энергоблока Игналинской АЭС в реакторе 2-го энергоблока.

Сформулирована и решена задача об оптимальном использовании топлива при выводе АЭС с РБМК из эксплуатации.

Новизна предложенных технических решений подтверждается 12 авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая ценность

Предложенное автором уран-эрбиевое топливо существенно повысило безопасность и экономичность реакторов РБМК, обеспечило возможность дальнейшего совершенствования топливного цикла (повышения глубины выгорания). Применение нового топлива позволило решить целый ряд проблем реакторов РБМК, таких как:

  • уменьшение парового коэффициента (эффекта) реактивности до допустимого по безопасности уровня без ущерба для экономики;
  • снижение расхода топлива и, как следствие, уменьшение скорости заполнения хранилищ отработавшего ядерного топлива;
  • улучшение эксплуатационных характеристик реактора (увеличение запасов до лимитирующих параметров, уменьшение выхода топливных сборок из строя, смягчение последствий аварий, облегчение управления нейтронным полем при перегрузках и др.).

Разработанные автором оптимальные режимы повторного использования топлива позволяют существенно сократить расход свежего топлива.

Внедрение результатов работы

Уран-эрбиевое топливо предложенного автором состава загружается с 1995 года на Игналинской АЭС, с 1996 года на Ленинградской АЭС и с 1999 года на остальных АЭС с реакторами РБМК. В настоящее время на АЭС с РБМК-1000 загружается топливо 2-го поколения (обогащение 2.8%), а на Игналинской АЭС - уже 3-го поколения. Топливо без эрбия для РБМК больше не производится. Состав топлива всех поколений и порядок его загрузки защищены патентами.

Расчеты автора совместно с сотрудниками РНЦ «Курчатовский институт» и НИКИЭТ явились основой обоснований безопасности и решений по загрузке опытных партий и полного перевода реакторов на уран-эрбиевое топливо.

Разработанная автором последовательность перегрузки ТВС из 1-го блока во 2-ой блок Игналинской АЭС для их дожигания применяется в настоящее время. Предложенный режим перегрузки защищен патентом Литвы.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах:

  • Всесоюзные и международные семинары по проблемам физики реакторов (МИФИ, СОЛ “Волга”, 1984, 1989, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004, 2006 г.г.);
  • Международная конференция по ядерной энергетике ICONE-4, март 1996;
  • Международный научно-технический семинар Ядерного общества «Уроки Чернобыля. Технические аспекты». Десногорск, 1996 г.;
  • Международная конференция «Состояние и перспективы развития производства топлива для атомных электростанций», Усть-Каменогорск, декабрь 1997 г.;
  • Международная конференция «Атомная энергетика на пороге ХХI века», г.Электросталь, 8-10 июня 2000 г.;
  • Семинар МАГАТЭ «Вопросы безопасности реакторов РБМК», Игналинская АЭС, Висагинас, Литва, 25-29 ноября 2002 г.;
  • Ежегодная конференция ОАО «ТВЭЛ» (ВНИИНМ), 2002 г.;
  • Научно-практический семинар «Опыт эксплуатации, совершенствование и повышение эксплуатационной надежности ядерного топлива РБМК. Состояние и перспективы», г.Электросталь, 23-25 апреля 2003 г.;
  • Международная научно-техническая конференция «Канальные реакторы: проблемы и решения», Москва-Курчатов, 19-22 октября 2004 г.,

а также опубликованы в виде статей в научных журналах и сборниках докладов на конференциях.

Работа по уран-эрбиевому топливу отмечена премией им. И.В.Курчатова в области научных исследований в 2007 году.

Объем и структура работы

Диссертация содержит 287 страниц, включая 86 рисунков, 39 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы, содержащего 166 наименований.

На защиту выносятся

  1. Результаты сравнительного анализа различных способов уменьшения парового эффекта реактивности и выбор выгорающего поглотителя - эрбия, как оптимальный вариант для действующих реакторов РБМК. Результаты исследования механизма воздействия эрбия на паровой эффект реактивности.
  2. Разработка стратегии поэтапного внедрения уран-эрбиевого топлива. Выбор содержания эрбия для начального и последующих этапов. Результаты прогнозных расчетов изменения характеристик РБМК.
  3. Экономическое обоснование внедрения уран-эрбиевого топлива.
  4. Результаты анализа опыта эксплуатации уран-эрбиевого топлива и предложения по дальнейшему его совершенствованию (профилирование обогащения и содержания эрбия по высоте ТВС).
  5. Результаты оптимизации повторного использования ТВС на разных этапах эксплуатации РБМК.
  6. Постановка и результаты решения задачи об оптимальном использовании топлива при выводе АЭС с РБМК из эксплуатации.

Личный вклад автора

Все расчеты, касающиеся сравнения способов воздействия на паровой эффект реактивности, были проведены автором по написанным им компьютерным программам.

Автор создал библиотеку двухгрупповых констант, являющуюся составной частью программного комплекса STEPAN, с помощью которого были проведены основные расчеты по переводу реакторов на уран-эрбиевое топливо.

Автор предложил добавлять эрбий в топливо для снижения парового эффекта реактивности и выравнивания энерговыделения, объяснил механизм воздействия эрбия на характеристики реактора.

Автор принимал непосредственное участие в разработке стратегии перевода реакторов на уран-эрбиевое топливо с учетом других мероприятий по повышению безопасности РБМК.

Автором сформулированы задачи и проведен анализ результатов при моделировании перевода реакторов на уран-эрбиевое топливо. Экономические оценки затрат в уран-эрбиевом топливном цикле также выполнены автором.

Непосредственно автором был проанализирован ход загрузки уран-эрбиевого топлива на разных блоках РБМК и выработаны предложения по дальнейшему его совершенствованию, включая высотное профилирование.

Под руководством и при участии автора были проанализированы отдельные физические эффекты, вызванные переходом на новое топливо, а также рассмотрена задача выбора оптимального выгорающего поглотителя для уран-плутониевого топлива.

Автором разработана модель перегрузок топлива и основанная на ней оптимизационная программа, сформулирована и решена оптимизационная задача об использовании топлива при выводе реакторов из эксплуатации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель, изложены научная новизна, практическая ценность и внедрение результатов работы, личный вклад автора, а также положения, выносимые на защиту.

Кроме того, во введении приводится краткий ретроспективный обзор основных проблем безопасности и экономичности реакторов РБМК, среди которых выделяются две: проблема большого положительного парового коэффициента (эффекта) реактивности и проблема более эффективного использования топлива и, в частности, повышения его выгорания. Усилия, направленные на решение этих проблем, привели к разработке уран-эрбиевого топлива.

Глава 1 посвящена физическим особенностям парового коэффициента реактивности и эффекта обезвоживания каналов с топливом ТВС. На моделях ячейки с топливом и полиячейки периодичности показано влияние процессов в тепловой области спектра нейтронов и в области замедления, а также утечки и перетечек нейтронов на , зависимости этой характеристики от глубины выгорания, плотности воды, наличия поглотителей. Поскольку все эти факторы влияют на , средний по активной зоне паровой коэффициент является сложной функцией распределенных параметров. Для удобства описания влияния указанных факторов используется понятие локального парового коэффициента реактивности .

На рис.1 в качестве примера приводится распределение по высоте активной зоны для состояния до аварии на Чернобыльской АЭС (0 ДП) и после проведения мероприятий по повышению безопасности РБМК (80 ДП). Уменьшение вверху и внизу объясняется меньшей глубиной выгорания топлива, наличием частично погруженных (сверху и снизу) стержней регулирования и утечкой нейтронов.

Рис.1. Распределение локального парового коэффициента по высоте

Паровой коэффициент реактивности, характеризующий реактор в целом, определяется как отношение изменения реактивности к изменению среднего паросодержания:

,

где ,,– зависящие от координат: изменение паросодержания, поток и ценность нейтронов.

Способы воздействия на паровой коэффициент (эффект) реактивности

Учитывая чувствительность парового коэффициента реактивности к различным факторам, можно воздействовать на него, меняя характеристики активной зоны. Способы воздействия на активно обсуждались в конце 70-х, начале 80-х годов в основном с целью повышения стабильности поля энерговыделения. Теоретические исследования показывают, что величина и знак парового коэффициента (эффекта) реактивности в основном определяются конкуренцией двух факторов: изменения поглощения нейтронов водой в тепловой области (положительная составляющая) и изменения замедляющей способности среды в резонансной области энергий (отрицательная составляющая). В РБМК из-за достаточно большого шага решетки в нейтронном балансе преобладает тепловая часть нейтронного спектра. В результате при использовании обычного двуокисного топлива положительный и довольно большой по величине: 45 ( - эффективная доля запаздывающих нейтронов). Для того, чтобы уменьшить или получить отрицательный , необходимо сделать спектр нейтронов более «жестким», т.е. увеличить уран-графитовое отношение путем увеличения загрузки топлива или уменьшения количества графита в активной зоне. Некоторые способы увеличения уран-графитового отношения рассмотрены во второй главе.

Другим способом уменьшения является повышение обогащения. В этом случае из-за увеличения поглощения нейтронов в 235U снижается доля захвата нейтронов водой. Недостатком является рост неравномерности энерговыделения при увеличении выгорания. Снизить можно также, увеличив количество поглотителя либо в ТВС, либо в отдельных каналах (ДП), но при этом уменьшается глубина выгорания топлива.

Наиболее привлекают способы воздействия на , которые можно реализовать на уровне выбора эксплуатационных режимов, не меняя конструкцию реактора и используя обычное топливо. Автором исследовалось влияние структуры загрузки, распределения оперативного запаса реактивности (ОЗР) и поканального распределения расходов теплоносителя на и другие характеристики реактора. Рассмотренные варианты в основном были направлены на повышение устойчивости поля энерговыделения РБМК. Однако данная проблема была решена внедрением системы локального регулирования.

Чернобыльская авария продемонстрировала, что повышение безопасности РБМК требует кардинального пересмотра подхода к выбору допустимой величины и эффекта обезвоживания топливных каналов. Требовалось значительное их уменьшение до величин, не превышающих 1.

В главе 2 анализируется ситуация после проведения первоочередных мер по повышению безопасности РБМК (после 1986 года). Установка 80 ДП в РБМК-1000 и 53 ДП в РБМК-1500, а также увеличение ОЗР позволили уменьшить до уровня 1. Однако глубина выгорания выгружаемого топлива при этом снизилась примерно на 25%, что значительно ухудшило экономические показатели РБМК, привело к увеличению расхода топлива и скорости заполнения бассейнов выдержки и хранилищ отработавшего ядерного топлива. Установка ДП привела к повышению средней мощности каналов, увеличила неравномерность энерговыделения, значительно снизила подкритичность остановленного реактора.

Увеличение обогащения топлива до 2.4%, приведшее к увеличению выгорания и некоторому уменьшению , позволило улучшить ситуацию в РБМК-1000. В РБМК-1500 данная мера не годилась из-за роста максимальной температуры графита до эксплуатационного предела. Требовалось найти способ уменьшения парового коэффициента и эффекта обезвоживания топливных каналов (ТК) в действующих реакторах альтернативный ДП, который позволил бы обеспечить необходимый уровень безопасности, но не снижал, а лучше повышал бы экономичность топливного цикла РБМК.

Сравнение различных способов уменьшения парового эффекта реактивности в действующих реакторах



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.