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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

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

-- [ Страница 2 ] --

На единой методической основе было проведено сравнение способов уменьшения и эффекта обезвоживания каналов с топливом, которые можно было бы реализовать в действующих реакторах, т.е. не меняя существенно конструкцию реактора. Для этого были разработаны: библиотека констант каналов с топливом и без топлива на основе расчетов по программе WIMS, вошедшая впоследствии в расчетный комплекс STEPAN, и методика ее подготовки, одномерная (аксиальная) программа ARCAN и ее трехмерное обобщение COMAR, позволяющие рассчитывать характеристики реактора в стационарном режиме перегрузки с топливом различного состава. Сравнение вариантов проводилось по критерию приведенных затрат на топливо при одинаковом эффекте обезвоживания каналов с топливом (ТВС), который является важнейшей характеристикой безопасности при наиболее тяжелой проектной аварии – обезвоживании напорного коллектора. Заданная величина ТВС поддерживалась изменением числа ДП в активной зоне.

Было исследовано около 30 вариантов топлива, включая такие «экзотические», как уран-плутониевое, уран-ториевое и торий-плутониевое. Основные выводы сводятся к следующему.

1. Увеличение загрузки урана в рамках существующей геометрии ТВС (виброуплотненное топливо, силицид, металлический уран) или при изменении геометрии ТВС, но при сохранении диаметра канала (твэлы увеличенного диаметра, 36 твэлов в пучке) не позволяет снизить эффект обезвоживания до нужной величины и избавиться от ДП. Основная причина в том, что при увеличении уран-графитового отношения увеличивается и уран-водное отношение. В результате уменьшение положительной составляющей парового эффекта в тепловой области энергий частично компенсируется уменьшением по абсолютной величине отрицательной составляющей в резонансной области. Кроме того, уменьшается отрицательная составляющая эффекта от утечки нейтронов в поглотители (ДП и стержни СУЗ). Для пучков из 36 твэлов дополнительный положительный вклад в эффект обезвоживания дает экранировка резонансного поглощения во внутренних твэлах при исчезновении воды.

2. Для существенного уменьшения парового эффекта реактивности нужно при увеличении уран-графитового отношения, по крайне мере, сохранить уран-водное отношение. Сделать это можно либо уменьшая количество графита, как для реактора 5-го блока Курской АЭС, либо одновременно с увеличением диаметра твэлов увеличить диаметр каналов. Для действующих реакторов РБМК первый вариант вообще не применим, второй был теоретически возможен при плановой замене каналов примерно в середине назначенного срока службы реакторов, однако требовал значительного объема НИОКР, включая разработку новой конструкции ТВС.

3. Размещение поглотителей в каналах с топливом проигрывает по эффективности их размещению в отдельных каналах (ДП), кроме нуклидов с резонансным характером сечения поглощения, о чем речь пойдет ниже.

4. Использование плутония и тория, несмотря на уменьшение доли поглощения тепловых нейтронов в воде, что обеспечивает снижение положительной составляющей парового эффекта, кардинально не решает проблемы. Кроме того, данные варианты далеки от практической реализации.



Выбор выгорающего поглотителя для топлива РБМК

Представленный выше анализ различных способов снижения эффекта обезвоживания ТК привел к мысли использовать выгорающий поглотитель. Это позволило бы, с одной стороны, уменьшить и ТВС, а с другой, выровнять распределение энерговыделения за счет уменьшения изменения мощности и коэффициента размножения ТВС по кампании. Необходимо было подобрать выгорающий поглотитель, удовлетворяющий поставленным задачам.

На первом этапе исследований сравнивались такие поглотители, как бор, диспрозий, гафний и эрбий. Такой традиционный поглотитель, как гадолиний, не подходит из-за очень быстрого выгорания. Рассматривалось топливо с обогащением 2.4%. Начальная концентрация поглотителей подбиралась таким образом, чтобы получить такое же выгорание выгружаемого топлива, как для обычного топлива с этим обогащением при использовании 80 ДП (примерно 22 МВтсут/кг). На рис.2 приведено изменение коэффициента размножения бесконечной решетки K с выгоранием для разных поглотителей. Некоторые характеристики решетки РБМК с разными поглотителями приведены в табл.1.

Таблица 1. Характеристики решетки РБМК с разными поглотителями

Поглотитель - Бор Диспрозий Гафний Эрбий
Обогащение топлива, % 2.0 2.4 2.4 2.4 2.4
Концентрация поглотителя, % по массе - 0.034 0.12 0.45 0.41
Отнош. макс. мощ-ти ТВС к средней по кампании 1.19 1.09 1.13 1.14 1.09
Эффект обезвоживания (свежее топливо), 10-2 1.37 0.30 0.61 -0.03 -2.03
Средний по кампании эффект обезвоживания, 10-2 2.07 1.29 1.22 1.10 0.37

 Коэффициент размножения-7

Рис.2. Коэффициент размножения бесконечной решетки

для топлива с некоторыми поглотителями

Диспрозий и гафний выгорают слишком медленно и не годятся на роль выгорающего поглотителя. Наибольшее выравнивание K и мощности по кампании обеспечивают бор и эрбий, но эрбий значительно сильнее снижает эффект обезвоживания ТВС.

Отличительной особенностью эрбия и гафния является наличие резонансов в сечении поглощения в области замедления. Учитывая это, круг кандидатов на роль выгорающего поглотителя для топлива РБМК был расширен (табл.2).

Таблица 2. Характеристики сечений поглощения некоторых нуклидов

Изотоп Содержание в естественной смеси, % Тепловое сечение (при 0.025эВ), барн Энергия резонанса, эВ Сечение в максимуме резонанса, барн
113Cd 12.26 1.91104 0.178±0.002 5.60104
149Sm 13.84 3.82104 0.0976±0.0005 1.11105
151Eu 47.77 8.72103 0.461±0.002 1.89104
153Eu 52.23 2.86102 1.76±0.02 1.80103
167Er 22.9 6.49102 0.47±0.01 8.07103
176Lu 2.60 2. 08103 0.142±0.001 1.01104
177Hf 18.39 3.69102 1.100±0.002 2.30104

Можно ожидать, что чем больше отношение сечения поглощения в области резонанса к тепловому сечению, тем эффективнее изотоп воздействует на паровой эффект реактивности. Из табл.3 видно, что наилучшее соотношение между величиной резонансного поглощения и тепловым сечением наблюдается у 167Er, 176Lu, 177Hf. У 113Cd 149Sm это соотношение хуже. Кроме того, из-за большого сечения поглощения они быстро выгорят. Некоторый интерес представляет также 151Eu. Сечения поглощения 4-х изотопов в тепловой и эпитепловой области представлены на рис.3.

 Сечение поглощения в зависимости-8

Рис.3. Сечение поглощения в зависимости от энергии

На рис. 4 и 5 приведено изменение по кампании K и эффекта обезвоживания бесконечной решетки (плотность воды менялась от 0.5 г/см3 до нуля).

 Коэффициент размножения-9

Рис.4. Коэффициент размножения бесконечной решетки

для топлива с резонансными поглотителями

Видно, что из рассмотренных поглотителей эрбий обеспечивает наименьшее изменение K по кампании (а следовательно, наибольшее выравнивание энерговыделения) и наименьший эффект обезвоживания. Уникальные свойства эрбия, как выгорающего поглотителя, наиболее эффективно воздействующего на паровой эффект реактивности, а также механизм этого воздействия потребовали более детального изучения.

 Зависимость эффекта-10

Рис.5. Зависимость эффекта обезвоживания от выгорания

для топлива с резонансными выгорающими поглотителями

Свойства эрбия. Механизм воздействия на паровой эффект реактивности

Природный эрбий содержит 6 изотопов (табл.3). Основную роль в поглощении нейтронов играют изотопы 166Er и 167Er (рис.6).

Таблица 3. Содержание изотопов в природном эрбии

Атомный вес 162 164 166 167 168 170
Содержание, % 0.14 1.56 33.4 22.9 27.1 14.9

 Зависимость сечений поглощения-11

Рис.6. Зависимость сечений поглощения изотопов эрбия от энергии

Сечение поглощения 167Er имеет сильный резонанс при 0.47 эВ. Следующий резонанс этого изотопа лежит уже в области нескольких электрон-вольт, также как и резонансы 166Er. Основную роль в процессах поглощения нейтронов играет изотоп 167Er, и именно его присутствием в топливе определяется величина парового эффекта реактивности. Выгорание 167Er несколько замедляется присутствием 166Er, поскольку при захвате нейтрона в 166Er образуется 167Er. К концу кампании ТВС концентрация 167Er снижается более чем в 10 раз, т.е. он выгорает практически полностью, что способствует выравниванию мощности ТВС по кампании.

Механизм воздействия эрбия на паровой эффект реактивности связан с двумя ключевыми факторами: гетерогенностью реактора и наличием двух замедляющих нейтроны сред с разной температурой (рис.7).

Рис.7 Формирование спектра тепловых нейтронов в ячейке РБМК

Гетерогенность приводит к тому, что спектры нейтронов в топливном канале и в замедлителе (графитовом блоке) в рабочих условиях существенно различаются. В графите спектр формируется в результате замедления и термализации нейтронов и определяется характеристиками самого графита (температурой и плотностью). Влияние топливного канала на формирование спектра в графите в тепловой и эпитепловой области энергий нейтронов (до 1 эВ) не велико. Расчеты показывают, что наличие или отсутствие воды в канале слабо влияет на спектр нейтронов в графите.

Спектр нейтронов в канале, напротив, формируется и графитом и водой. В тепловой области энергий (ниже 0.5 эВ) спектр близок к Максвелловскому, средняя температура которого определяется количеством воды в канале. Температура воды в рабочем состоянии составляет 280°С. Средняя температура графита около 500°С. Несмотря на большое различие в объемах воды и графита, их вклад в формирование спектра сравним, т.е. спектр формируется как относительно горячим графитом, так и относительно холодной водой. Вода является своего рода «барьером» на пути «горячих» нейтронов из графита, охлаждающим их перед тем, как они достигли топлива (рис.7)

При обезвоживании каналов влияние воды на формирование спектра исчезает («барьер» пропадает) и остается только влияние графита. Поскольку графит имеет температуру на 200°С выше, чем вода, спектр нейтронов сдвигается в сторону более высоких энергий (рис.8). Хотя резонанс 167Er находится на “хвосте” спектра Максвелла, поток нейтронов, приходящихся на область резонанса, при обезвоживании заметно увеличивается (приблизительно в 1.5 раза). Таким образом, сдвиг спектра в область более высоких энергий приводит к повышению поглощения в 167Er, т.е. в присутствии эрбия появляется дополнительная отрицательная составляющая в эффекте обезвоживания ТК (или паровом коэффициенте реактивности). Описанный выше физический механизм действует практически мгновенно, т.к. характерное время формирования спектра сравнимо с временем жизни нейтрона.





 Спектр нейтронов в канале РБМК -13

Рис.8. Спектр нейтронов в канале РБМК

Изменение спектра нейтронов и, соответственно, воздействие эрбия на паровой эффект реактивности тем сильнее, чем больше температура графита (точнее разность температур графита и воды). Поэтому эрбий более эффективен в РБМК-1500. При снижении мощности влияние эрбия на паровой эффект уменьшается. На малых уровнях мощности (во время пуска реактора и подъема мощности) эрбий действует как обычный (нерезонансный) поглотитель. По этой же причине эксперименты на холодных критстендах не показывают истинного влияния эрбия на эффект обезвоживания. Необходимы испытания уран-эрбиевого топлива в действующем реакторе.

Проведенные исследования позволяют объяснить, почему эрбий является оптимальным резонансным поглотителем для уменьшения парового эффекта реактивности РБМК. Резонанс 177Hf находится слишком далеко справа по энергетической оси (рис.3). Изменение спектра при обезвоживании там слишком мало. Резонанс 176Lu, наоборот, находится слишком близко к тепловому спектру. Кроме того, лютеций, как выгорающий поглотитель, плох тем, что изотопа 176Lu мало в природной смеси (2.6%), и он слабо выгорает, т.к. постоянно воспроизводится из 175Lu. Европий в качестве выгорающего поглотителя в РБМК проигрывает эрбию из-за более сложного изотопного состава и худшего соотношения поглощения в резонансной и тепловой области (при примерно одинаковом расположении максимального резонанса). Таким образом, эрбий наиболее подходит для решения поставленной задачи.

Отметим, что воздействие эрбия на паровой эффект реактивности характерно только для водоохлаждаемых уран-гафитовых реакторов. В тяжеловодных реакторах, температура замедлителя которых ниже температуры теплоносителя, для уменьшения парового эффекта более подходит, например, диспрозий. В водо-водяных реакторах эрбий может использоваться для уменьшения коэффициента реактивности по температуре теплоносителя, хотя его эффективность значительно меньше по сравнению с РБМК из-за небольших изменений тепрератур.

Изучалось также воздействие эрбия на температурный графитовый коэффициент реактивности с. Было показано, что в РБМК с уран-эрбиевым топливом с примерно вдвое меньше, чем с обычным топливом. Физический механизм воздействия эрбия на с несколько проще, чем на паровой эффект реактивности. В данном случае увеличение температуры графита приводит к увеличению эффективной температуры нейтроннов в канале, несмотря присутствие более холодной воды, и, тем самым к увеличению поглощения в эрбии.

Понимание физических особенностей воздействия эрбия на паровой эффект РБМК позволяет определить оптимальное место его размещения в активной зоне. Размещать эрбий в отдельных каналах, как ДП, бессмысленно, т.к. обезвоживание каналов с топливом практически не оказывает влияния на спектр в ДП. Расчеты показывают, что максимальное воздействие на паровой эффект реактивности оказывает эрбий, помещенный равномерно во все топливные таблетки. При производстве уран-эрбиевого топлива в таблетки из двуокиси урана добавляется Er2O3. Современные технологии позволяют получить достаточно однородную смесь UO2 и Er2O3.

В третьей главе представлены работы по научному обеспечению внедрения и сопровождению эксплуатации уран-эрбиевого топлива. Для первого этапа внедрения было выбрано содержание эрбия 0.41% весовых в двуокиси урана. Для РБМК-1500 было принято обогащение 2.4% (вместо 2%), а для РБМК-1000 2.6% (вместо 2.4%). Повышение обогащения позволяет получить выигрыш в выгорании, используя резерв по максимальной мощности каналов. По прогнозным расчетам переход на уран-эрбиевое топливо должен был увеличить глубину выгорания топлива в РБМК-1500 на 4045%, а в РБМК-1000 – на 20%.

Для проверки эффективности предложенного технического решения необходимо было загрузить опытную партию ТВС с эрбием (ЭТВС), поскольку оценить эффект можно было только в рабочих условиях РБМК. Выбор размера опытной партии для РБМК-1500 осуществлялся на основе прогнозных расчетов по программе STEPAN. Расчеты показали, что загрузка 150 ЭТВС приводит к уменьшению на 0.4. Загрузка опытной партии на 2-ом блоке Игналинской АЭС осуществлялась с 26 июня 1995 года по 29 января 1996 года. Примерно в середине этого периода была осуществлена замена 24 стержней штатной конструкции (сб.2091) на стержни с ленточным звеном (сб.2477). По расчетам, впоследствии неоднократно подтвержденным результатами измерений, такая замена приводит к увеличению на 0.1 (из активной зоны убирается часть столбов воды в каналах СУЗ, снижающих ). С учетом поправки на замену стержней результаты измерений совпали с прогнозом (рис.9).

 Результаты измерения парового-14

Рис.9. Результаты измерения парового коэффициента реактивности при загрузке опытной партии 150 ЭТВС на 2-ом блоке ИАЭС

(точки измеренные величины, линии аппроксимация методом наименьших квадратов)

Полный перевод реакторов РБМК на уран-эрбиевое топливо осуществлялся на основе прогнозных расчетов по программным комплексам STEPAN и, впоследствии, SADCO (НИКИЭТ). Необходимо было подобрать режим выгрузки ДП, обеспечивающий поддержание паспортных характеристик реактора, таких как коэффициенты и эффекты реактивности, в допустимых пределах. Было показано, что оптимальным является постепенно замедляющийся темп выгрузки ДП, причем на начальном этапе скорость выгрузки примерно в 2 раза выше, чем при постоянном темпе. Изменение темпа выгрузки ДП объясняется необходимостью компенсации выгорания все большего количества эрбия при постепенном заполнении активной зоны уран-эрбиевым топливом.

Прогнозные расчеты показали, что изменение коэффициентов реактивности приводит к повышению стабильности поля энерговыделения. Несмотря на значительное увеличение глубины выгорания (рис.10), энергораспределение выравнивается, максимальная мощность каналов уменьшается.

Справедливость выводов прогнозных расчетов о возможности замены ДП на эрбий в топливе и снижении при этом и эффекта обезвоживания ТК была подтверждена расчетами по программе MCNP (метод Монте-Карло) на модели фрагмента активной зоны (трехмерная полиячейка 12х12 каналов).

 Выгорание выгружаемого топлива-15 Рис.10. Выгорание выгружаемого топлива при переходе на ЭТВС (2-й блок ИАЭС)

Разработка стратегии внедрения уран-эрбиевого топлива



Pages:     | 1 || 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.