|
Состояние |
Характеристика |
vCuMg =0.35 |
vCuMg=0.38 |
vCuMg =0.40 |
vCuMg =0.42 |
vCuMg =0.45 |
|
|
Хол. |
Кэф К? (±0.0004) |
1.0521 1.0790 |
1.0315 1.0580 |
1.0192 1.0460 |
1.0072 1.0340 |
0.9871 1.0140 |
|
|
Гор. |
Кэф К? (±0.0003) |
1.0389 1.0710 |
1.0183 1.0500 |
1.0051 1.0370 |
0.9902 1.0220 |
0.9681 1.0000 |
Таблица 5 - Зависимость Кэф и К? стартовой загрузки с топливом (UPu)O2+Cr при Х=15% от изменения в композиции доли vCr
|
Состояние |
Характеристика |
vCr =0.40 |
vCr =0.43 |
vCr =0.45 |
vCr =0.46 |
vCr =0.50 |
|
|
Хол. |
Кэф К? (±0.0004) |
1.0547 1.0860 |
1.0403 1.0720 |
1.0300 1.0620 |
1.0240 1.0570 |
1.0017 1.0350 |
|
|
Гор. |
Кэф К? (±0.0003) |
1.0396 1.0780 |
1.0236 1.0630 |
1.0122 1.0520 |
1.0069 1.0470 |
0.9831 1.0250 |
По результатам расчетов, представленных в табл.4-5, оказывается, что наименьшие запасы реактивности достигаются для стартовой загрузки с топливом (UPu)O2+CuMg при доле vCuMg =0.40(в среднем по активной зоне), для варианта топлива (UPu)O2+Cr - при vCr =0.46. Также видно, что при варьировании параметров vCuMg и vCr около их средних значений размножающие свойства ТВС могут быть изменены как в большую, так и в меньшую стороны. Это подтверждает возможность профилирования размножающих свойств по пространству активной зоны без применения различного обогащения в зонах профилирования, что упрощает задачу изготовления топливной загрузки в условиях замкнутого топливного цикла.
2.4 Эффекты реактивности, зависящие от температуры теплоносителя и топлива
Наиболее значимыми (основными) для физики активной зоны являются эффекты реактивности, непосредственно зависящие от параметров теплоносителя и топлива. В связи с этим для их оценки представляет интерес дифференциальные составляющие этих эффектов в зависимости от температуры теплоносителя и топлива. Уместно напомнить, что температура и плотность воды при СКД имеют однозначную зависимость.
Расчеты этих эффектов для обоих вариантов топливной композиции с выбранными выше значениями обогащения и объемной доли матричного материала выполнялись по гетерогенной модели по программе MCU-REA. Результаты расчетов представлены на рис. 4-5.(Статистическая погрешность расчетов составляет ±0.06%)
Рисунок 4 - Эффекты реактивности в зависимости от изменения температуры теплоносителя для стартовых загрузок на (UPu)O2+CuMg и (UPu)O2+Cr вариантах топлива
Рисунок 5 - Эффекты реактивности в зависимости от изменения температуры топлива для стартовых загрузок на (UPu)O2+CuMg и (UPu)O2+Cr вариантах топлива
Следует заметить, что с ростом температуры воды сверхкритического давления (и уменьшением ее плотности) коэффициент размножения нейтронов К? монотонно растет. Но при этом возрастает также и площадь миграции нейтронов, приводящая к увеличению их утечки из реактора. В результате разнонаправленных процессов, действующих на баланс нейтронов, зависимость Кэф (и реактивности) от температуры теплоносителя имеет выраженный провал (см. рис.4) для обоих вариантов топлива. Но более важно, что эти плотностные эффекты реактивности малы (заметно менее вэф) по абсолютной величине, что важно для устойчивости реактора при возможных пульсациях расхода теплоносителя.
Что касается эффектов реактивности от роста температуры топлива (эффекты Допплера), то они, как и следовало ожидать, отрицательны для обоих вариантов топливной композиции и монотонно снижаются. Следует добавить, что именно эффекты Допплера являются определяющими в формировании полного эффекта реактивности от разогрева реактора до параметров номинальной мощности.
2.5 Эффекты реактивности, связанные с попаданием воды в РП на мощности
При работе на мощности заполнение РП холодной водой исключено конструкцией реактора. Однако в случае разрыва отдельных твэльных трубок и разгерметизации кожуха соответствующей ТВС возможно заполнение РП водяным насыщенным паром при давлениях чуть больше атмосферного с температурой не выше 108°С и плотностью не более 0.79 кг/м3 в зазорах.
Расчеты таких эффектов реактивности (ДсГА) в результате аварийного попадания воды в РП для рассматриваемых вариантов загрузок представлены в табл.6, где для полноты приведены также значения эффектов (ДсХА) от холодного залива РП.
Таблица 6 - Эффекты реактивности от аварийного заполнения РП теплоносителем в холодном и горячем состояниях
|
Варианты топлива |
(UPu)O2 + CuMg, Х=16%; vCuMg=0.4 |
(UPu)O2 +Cr, Х=15%; vCr=0.46 |
|||||
|
Состояние |
Кэф |
КэфА |
ДсА, % |
Кэф |
КэфА |
ДсА, % |
|
|
Холодное |
1.0192(3) |
1.0078(3) |
-1.2±0.06 |
1.0240(3) |
1.0024(3) |
-2.1±0.06 |
|
|
Горячее |
1.0051(2) |
1.0049(2) |
-0.02±0.04 |
1.0069(2) |
1.0072(2) |
0.03±0.04 |
Примечание: расчеты проводились по программе MCU-REA; в скобках указана статистическая погрешность расчета, относящаяся к четвертому десятичному знаку результата.
Из табл. 6 видно, что в горячем состоянии аварийный эффект реактивности от заполнения РП водяным паром практически нулевой. В холодном состоянии эффект реактивности от залива РП водой отрицательный и составляет значительную величину - не менее 1-2 %.
3. Итоговые результаты расчетов
Результаты предварительных расчетов основных нейтронно-физических характеристик БКЭР-300, полученных на простейшей модели непрофилированной стартовой загрузки реактора, представлены в табл. 7, где они даны для двух вариантов стартовой загрузки в сравнении с характеристиками БРЕСТ-ОД-300.
Представленные в табл. 7 результаты позволяют констатировать, что в предлагаемой концепции БКЭРС-300 удается не только получить КВ > 1, но и обеспечить приемлемые для компенсации органами СУЗ запасы и эффекты реактивности, а также отрицательную реактивностную обратную связь по температуре топлива и мощности реактора. Важным результатом для обеспечения ядерной безопасности следует отметить также свойство пассивного перехода реактора в подкритическое состояние при заполнении водой (в том числе аварийном) газовых зазоров в РП.
Из двух рассчитанных вариантов топливной композиции предпочтение следует отдать варианту (UPu)O2 +Cr, как обладающему меньшим паразитным поглощением нейтронов, более сильным отрицательным эффектом реактивности при заполнении водой РП в холодном состоянии, а также большей жаростойкостью.
|
Характеристика |
БКЭР-300,Вар.1 |
БКЭР-300,Вар.2 |
БРЕСТ-ОД-300 |
|
Тепловая мощность, МВтВысота/экв. диаметр активной зоны, смКоличество ТВС, шт.Загрузка топлива, тУдельная мощность топлива, МВт / т |
675230/296.220868.89.8 |
675230/296.220861.910.9 |
700110/238.314515.744.6 |
|
Тип топливной композицииОбъемная доля теплопроводной матрицыОбогащение топлива Х, %Выгорание до перегрузки, МВт.сут/кгТМКВ, средний за интервал работыМакс. флюенс(Е>0.8 МэВ), 1022 / см2 |
(UPu)O2 + Cu0.41610.51.02?1.0 |
(UPu)O2 +Cr0.461511.61.05?1.0 |
(UPu)N-14.610.71.0581.2 |
|
Макс. запасы реактивности, %в холодном состоянии в горячем (ном.) состоянии |
1.9 0.5 |
2.4 0.7 |
0.36 0.11 |
|
|
Эффекты реактивности, %: при изотермическом разогреве * при разогреве от хол. до гор. состояния при заполнении водой РП в хол. сост. при заполнении паром РП в гор. сост. |
-0.1 -1.4 -1.2 ±0.03 |
-0.08 -1.7 -2.1 ±0.03 |
0.01 -3.3 - - |
|
|
Коэффициенты реактивности при ном. : по температуре топлива - бд, 1/K по температуре теплоносителя - бH2O, 1/K по мощности - бN, 1/%Nном |
-1.65?10-5 2.7?10-5 -4.0?10-5 |
-2.03?10-5 3.1?10-5 -1.5?10-5 |
-6.0?10-6 2.7?10-6 -1.3?10-5 |
|
|
Эффективность всех РО СУЗ, % |
3-4 |
3-4 |
3.6 |
|
|
Эффективная доля запаздывающих нейтронов вэф |
0.0036 |
0.0036 |
0.0036 |
* при нулевой мощности перед началом пуска, для БКЭР - это разогрев от 300 до 543 К, для БРЕСТ - от 653 до 693 К.
Недостатком данной концепции по сравнению с БРЕСТ-ОД-300 является большая загрузка топлива и меньшая удельная мощность. Однако эти факторы улучшают условия работы твэлов и конструкционных материалов.
Ближайшими задачами нейтронно-физического проектирования данной концепции БКЭРС-300 являются:
- оптимизация размеров твэлов и ТВС с целью повышения удельной мощности топлива;
- изучение возможности повышения эффективности РО СУЗ;
- профилирование загрузки активной зоны по высоте и радиусу для уменьшения неравномерности энерговыделения (Kr = 1.3; Kz = 1.25);
- оптимизация и выбор режима перегрузок топлива;
- совершенствование методов расчета и константного обеспечения, учитывающих гетерогенность данного реактора.
Список литературы
1. Адамов Е.О., Габараев Б.А., Ганев И.Х. и др. Вклад НИКИЭТа в формирование стратегии развития ядерной энергетики России. - Атомная энергия, 2007, т. 103, вып. 1, с. 5-15.
2. Баринов С.В., Викулов В.К., Гмырко В.Е., Гроздов И.И., Петров А.А. Концептуальное предложение быстрого канального энергетического реактора, охлаждаемого водой СКД. Доклад НИКИЭТ на данной конференции, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2008.
3. Баринов С.В., Радкевич А.П. Использование системы подготовки многогрупповых нейтронных данных CONSYT/ABBN в программном комплексе FACT-BR для трехмерных нейтронно-физических расчетов реактора БРЕСТ-ОД-300. Сборник докладов семинара «Нейтроника -99», ГНЦ РФ ФЭИ, 1999.