Влияние выгорающих поглотителей (Gd и Eu) на нейтронно-физические характеристики ТВС реакторов ВВЭР-1000

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ВЛИЯНИЕ ВЫГОРАЮЩИХ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ (Gd И Eu) НА НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВС РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000

Демин Виктор Максимович

кандидат физико-математических наук, доцент

Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ

Заведующий кафедрой «Радиационная физика и безопасность атомных технологий»

г. Москва, Россия

АННОТАЦИЯ

Рассматривается задача об использовании выгорающих поглотителей (ВП) в реакторах типа ВВЭР для снижения объема «жидкостного» регулирования избыточного запаса реактивности на выгорание топлива. В качестве таковых рассматриваются природный гадолиний и европий в форме Gd₂O₃ и Eu₂O₃, размещенные в интегрированном виде с урановым топливом в твэлах. Соотношение твэлов с ВП и обычных топливных твэлов принято 1:6. Рассматривались варианты как гомогенного размещения ВП, так и гетерогенного, в том числе и для смешанного использования этих ВП. Показано сильное влияние состава ВП и их расположения в твэлах на зависимость коэффициента размножения от выгорания топлива.

Ключевые слова: ТВЭГ, SERPENT, TBC, ВВЭР-1000, выгорающий поглотитель, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Коэффициент неравномерности распределения энерговыделения

поглотитель реактивность топливо коэффициент размножения

Основным типом реакторов, которые эксплуатируются и сооружаются в настоящее время, являются реакторы водо-водяного типа, такие, как, например, ВВЭР и PWR. Подобные реакторы планируется использовать и в дальнейшем при строительстве АЭС в разных странах вне зависимости от специфики национальных планов развития ядерной энергетики.

Одной из главных целей совершенствования этого типа реакторов при работе в открытом топливном цикле является увеличение глубины выгорания топлива. Обычно оно достигается путем повышения начального обогащения и применения частичных перегрузок. Для компенсации избыточной реактивности используется «жидкостная» система, основанная на добавлении в теплоноситель борного поглотителя и, кроме того, выгорающие поглотители различных типов.

Выгорающие поглотители представляют собой материалы с высоким сечением поглощения нейтронов, которые в результате радиационного захвата преобразуются в изотопы с относительно низким сечением поглощения нейтронов. Отрицательная реактивность выгорающего поглотителя вследствие уменьшения его концентрации снижается в течение кампании реактора. В идеальном случае она должна снижаться с той же скоростью, как и снижение запаса реактивности при выгорании топлива.

В качестве выгорающего поглотителя в реакторных установках типа ВВЭР (PWR) и (BWR) применяется гадолиний Gd₂O₃ и европий Eu₂O₃.

Изотопный состав природного гадолиния и европия и сечения поглощения тепловых нейтронов при энергии 0,0253 эВ их отдельных изотопов вместе с основными изотопами урана приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Природный изотопный состав ВП и сечения поглощения тепловых нейтронов [6].

Выгорающий поглотитель используют для:

· компенсации запаса реактивности на выгорание топлива;

· выравнивания энерговыделения по активной зоне;

· снижение концентрации бора в теплоносителе в начале кампании, что важно для безопасности [11].

Обычно гадолиний и европий размещаются в небольшом числе твэлов («твэгах и твэях»), но с относительно большой концентрацией поглотителя, чтобы снизить скорость его выгорания и удлинить по времени диапазон его влияния на реактивность. В самих твэгах выгорающий поглотитель размещают гомогенно по топливной таблетке. Топливные таблетки, содержащие однородную смесь Gd₂O₃ или Eu₂O₃- UO₂ (твердый раствор Gd₂O₃ или Eu₂O₃ в UO₂) позволяют в течение длительного промежутка временно компенсировать избыточную реактивность.

Дальнейшее развитие технологий водо-водяных реакторов направлено на применение различных выгорающих поглотителей и оптимизацию их размещения в твэлах активной зоне с целью замещения «жидкостной» системы компенсации избыточной реактивности. Однако гомогенное распределение выгорающего поглотителя в топливе приводит к снижению величины коэффициента теплопроводности твэгов и температуры плавления топлива. Кроме того, наличие сильных поглотителей в твэлах повышает коэффициент неравномерности энерговыделения по ТВС. В работах [1- 5] анализируют различные аспекты применения ВП: возможность использования гранулированного Gd₂O₃ в UO₂-матрице, что практически не ухудшает теплопроводность топлива и позволяет снизить скорость выгорания гадолиния, размещения проволоки из Gd₂O₃ в центральном отверстии твэлов, влияние Gd₂O₃ и Eu₂O₃ на характеристики ядерного топлива реактора PWR.

В настоящей работе проведено исследование нескольких вариантов размещения выгорающих поглотителей в топливе (В₁-В₇), как для гомогенного, так и для гетерогенного случаев, представленных в таблице 2. Расчеты проводились при стандартных параметрах ТВС (ТВС-А) (439GT) и ТВЭЛов ВВЭР-1000, представленных в таблице 3 и на рисунках 1-2.

Таблица 2 Количество твэгов в ТВС.

Таблица 3.

Основные геометрические параметры ТВС-A.

Рис.1. Геометрия сборок ТВС-А (В₂-- В₇).

Рис.2 Геометри ТВЭЛ в ТВС-А

Плотность топлива для вариантов В₁, В₂, В₃ и В₄ принималось равной -- 10,4; 10,35; 10,32 и 10,34 г/см³ соответственно.

Цель исследования - Расчетный анализ влияния гетерогенного расположения Gd и Eu в твэгах и твеях, включая и смешанное размещение этих выгорающих поглотителей в топливе, на снижение объема «жидкостного» регулирования запаса реактивности путем влияния на зависимость коэффициента размножения ТВС в процессе выгорания топлива. Характер зависимости коэффициента размножения ТВС от выгорания топлива определяется главным образом тремя факторами. Это величина среднего сечения поглощения выгорающего поглотителя, количество поглотителя в твэгах и твэях и соотношением количества твэлов на один твэг (твэй). Чем выше усредненное по спектру сечение поглощения поглотителя, тем меньше должно быть твэлов с ВП.

Результаты -- Все расчеты были выполнены с использованием бета-версии 2.1.29 кода SERPENT 2 [7], основанного на решении уравнения переноса нейтронов методом Монте-Карло, для сборки ТВС-А типа 439GT [8]. Основное внимание уделено анализу зависимости коэффициента размножения нейтронов K_? от выгорания и распределения поля энерговыделения для выбранной ТВС.

Среднюю линейная мощность твэла была принята равной 166 вт/см [10], статистику расчетов - 2 000 000. Выгорания рассчитывались для 74 шагов с диапазоном 0,0; 0,085; 0,255; 22 0,5; 0,66 и 48 1,0 Мвт сут/кгТМ. Ядерные данные были получены из библиотеки ядерных констант ENDFB7 [9].

Коэффициенты размножения нейтронов. На рисунке 3 представлены коэффициенты размножения нейтронов К_? в зависимости от выгорания для всех рассмотренных вариантов.

Рис.3. Коэффициент размножения нейтронов К_? в зависимости от выгорания.

Вариант В₁, в котором отсутствует ВП, выбран в качестве эталонного для сопоставления с остальными, поскольку в этом варианте предполагается полностью жидкостное регулирование запаса реактивности. Выбранное соотношение твэлов и твэев отвечает наиболее оптимальному для применения в качестве ВП природного европия. В Российских реакторах в основном применяется гадолиний. Варианты В₂ и В₃ отвечают гомогенному расположению выгорающих поглотителей в топливной таблетке. Для выбранной концентрации гадолиния эффект блокировки потока нейтронов в блоке с ВП невелик. Поэтому начальное значение K_?=1.098, но затем за счет большой скорости выгорания изотопов гадолиния (рис. 4а) образуется выбег реактивности до значения K_?=1.27. Для варианта с использованием европия, скорость выгорания его изотопов существенно меньше, чем для гадолиния, что приводит к наличию в зависимости коэффициента размножения от выгорания области примерно постоянного значения K_?. Этот вариант может привести к существенному снижению доли жидкостного регулирования запаса реактивности.

Вариант В₄ соответствует случаю гомогенного размещения обоих ВП в одном твэле, причем общее содержание каждого ВП уменьшено в два раза. Поскольку гадолиний более сильный поглотитель, то в начале кампании он быстрее выгорает, что приводит к выбегу реактивности, а роль европия сводится к ограничению величины выбега по отношению к варианту В₂.

Варианты В₅ и В₆ отвечают гетерогенному размещение ВП, причем гадолиний размещается в центральной части твэла, а европий, в зазоре между таблеткой и оболочкой. Количество ВП в твэле такое же, как и для гомогенного случая. Поскольку весь гадолиний размещен в малом объеме, то появляется сильная блокировка потока нейтронов в области гадолиния, что изменяет характер зависимости К_? от выгорания (рис 4а). В этом случае начальный К_?=1.32, что существенно выше, чем для гомогенного случая. Этот вариант обеспечивает меньшее снижение объема жидкостного регулирования. Вариант с гетерогенным размещением европия полностью совпал с вариантом его гомогенного размещения в твэле.

При совместном гетерогенном размещении обоих ВП в одном твэле, в таком же количестве, как и для гомогенного совместного размещения, так же обеспечивается примерное постоянство К_? в начале кампании, но с большим значением самой величины, чем для варианта В₃, и с последующим его спадом и приближении к эталонной зависимости В₁

Распределение энерговыделения по твэлам в ТВС. Пространственное (потвэльное) распределение энерговыделения и общий коэффициент неравно мерности по ТВС в зависимости от выгорания представлен в Табле Таблице 4.

Таблица 4. Коэффициент неравномерности распределения энерговыделения

Следует отметить существенное возрастание коэффициента неравномерности энерговыделения по ТВС в случае применения ВП, особенно вначале каждой кампании. Естественно, что для гадолиния степень депресси потока нейтронов в твэлах, расположенных вблизи твэгов, больше, чем для твэлов вблизи твэев. Поэтому и коэффициент неравномерности для вароиантов с европием ниже, чем с гадолинием. Однако по мере выгорания поглотителя коэффициент неравномерности снижается, приближаясь к значению для эталонного варианта. Крме того, для вариантов с гетерогенным распределением ВП по твэлу, степень неравномерности энерговыдения снижается.

Выводы

Использование ВП в ядерном топливе приводит как к положительным, так и к отрицательным эффектам. Эти эффекты зависят от вида используемого выгорающего поглотителя, концентрации ВП в топливе и количества ячеек, содержащих ВП. В настоящей работе проведено сравнение влияния выгорающих поглотителей для вариантов их использования, представленных в таблице 3.

Для выбранного варианта соотношения твэлов и твэгов (1:6) использование гадолиния вгомогенном исполнении приводит к большому «выбегу» реактивности и снижении доли борного регулирования невелико. В то же время, при таком же соотношении твэев и твэлов, использование европия приводит к существенному снижению запаса реактивности на выгорание. Но, учитывая неполное выгорание европия в силу относительно невысокого сечения поглощения, этот вариант может привести к уменьшению выгорания по сравнению с чисто борным регулированием. Однако совместное использование Gd и Eu с разными вариантами их размещения в ТВЭЛ (В₄ и В₇), будет приводить к меньшему снижению запаса реактивности по сравнению с вариантом однородного размещения европия, но с меньшей потерей в выгорании топлива.

Сравнение проведенных вариантов расчета показывает, что наилучшими характеристиками и условиями обеспечения безопасности работы реактора обладают варианты совместного использования выгорающих поглотителей, причем размещение Gd в центральное отверстие ТВЭЛ дает дополнительные преимущества. Величина К_? остается в критическом состоянии до выгорании 27 Мвт?сут/кгU, что потребует меньшего количества бора при эксплутации реактора во время кампании и сокращения экономических расходов. Использование Gd в центральном отверстии ТВЭЛ стабилизирует изменение коэффициента размножения нейтронов в начале кампании.

Устойчивость K_? обеспечивает дополнительные пределы ядерной безопасности во время работы, исключая начало кампании; первый цикл топлива в реакторе не требует изменения концентрации борной кислоты или стержня для вставки или извлечения, чтобы сохранить состояние критичности топлива, и это уменьшит экономические издержки. И используя 72 топливных элемента с BAs в FA и с 1,5% Gd топлива в центральном отверстии ТВЭЛ и Eu 0,15% топлива. Мы получаем большую стабильность в значениях K_? до 16 МВт · день / кгU, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Коэффициент размножения нейтронов К_? в зависимости от выгорания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Стогов Ю.В., Белоусов Н.И., Савандер В.И. и др. Перспективные технологии использования оксидного уран-гадолиниевого топлива в легководных реакторах / Материалы XIV семинара по проблемам физики реакторов. М.: МИФИ. 2006. С.45-47.

2. Balestieri D. A Study of the UO₂/Gd₂O₃ Composite Fuel // IAEA-TECDOC-1036. Vienna (Austria). 1998. P. 63-72.

3. Ермолин В.С., Окунев В.С. О размещении гадолиния в центральном отверстии ТВЭЛОВ водо-водяных реакторов. М.: МИФИ, Научная сессия МИФИ-2008. т. 1, стр. 101-102.

4. Бергельсон Б.Р., Белоног В.В., Герасимов А.С. и др. Глубина выгорания ядерного топлива ВВЭР с разными поглотителями. Атомная\ энергия, т. 109, вып. 4, октябрь 2010, стр. 194-197.

5. Abdelghafar Galahom A. Study of the possibility of using Europium and Pyrex alloy as burnable absorber in PWR. Annals of Nuclear Energy, Volume 110, December 2017, Pages 1127-1133.

6. The Special Feature section of neutron scattering lengths and cross sections of the elements and their isotopes in Neutron News, Vol. 3, No. 3, 1992, pp. 29-37.(https: //www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/list. html).

7. Leppдnen J. The Serpent Monte Carlo code: Status, development and applications in 2013. Ann. Nucl. Energy, 82 (2015), 142-150.

8. Ondrej Novak, Ondrej Chvala, Nicholas P. и др. “VVER 1000 Khmelnitskiy benchmark analysis calculated by Serpent2”. Annals of Nuclear Energy 110 (2017) 948-957.

9. Chadwick M.B. et al. ENDF/B-VII.1 nuclear data for science and technology: cross sections, covariances, fission product yields and decay data. Nucl. Data Sheets, 112 (2011), pp. 2887-2996.

10. Ядерное топливо для реакторов ВВЭР. URL: http://www. tvel. ru/wps/wcm/connect/tvel/tvelsite/resources/9a8c448042df8fd7a492b7b2cb3f9f43/NuclearFuel_RUS_2017.pdf. (Дата обращения 21.01.2018).

11. Burnable Absorbers - Burnable Poisons. URL: ttps: //www.nuclear-power.net /nuclear-power-plant/nuclear- fuel/burnable-absorbers-burnable-poisons/. (Дата обращения 21.01.2018).

Размещено на Allbest.ru