СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА ЯДЕРНОГО КАНАЛЬНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1997 года по МПК G21C7/30 

Изобретение относится к регулированию внутриреакторных процессов, касается, в частности, регулирования энерговыработки тепловыделяющих сборок и может быть использовано при решении практических вопросов, направленных на повышение глубины выгорания ядерного топлива в канальном реакторе.

Одной из важных характеристик, определяющих эффективность использования ядерного топлива на АЭС, является глубина выгорания топлива. На реакторе, работающем в режиме непрерывных перегрузок для компенсации выгорания ядерного топлива в активной зоне, осуществляется загрузка свежего либо слабовыгоревшего топлива с использованием разгрузочно-загрузочной машины. Характерным признаком стационарного режима является постоянство средней глубины выгорания топлива, находящегося в активной зоне и максимальная величина глубины выгорания выгружаемого топлива. Однако фактически стационарному режиму перегрузок топлива предшествует длительный переходный период, в течение которого глубина выгорания в реакторе изменяется. Оценить глубину выгорания выгружаемого топлива можно на основании фактически установившегося значения среднего выгорания топлива в реакторе, используя расчетное отношение. Можно назвать по крайней мере три причины значительного отклонения фактических физических показателей реактора от расчетных:
преждевременная выгрузка топливных сборок из реактора вследствие разгерметизации ТВЭЛ или других повреждений;
повторная загрузка в реактор топливных сборок первоначальной загрузки или отремонтированных сборок, имеющих неиспользованный ресурс;
загрузка в реактор топливных сборок, значительно отличающихся от штатных нейтронно-физическими характеристиками.

В настоящее время известно значительное число способов увеличения глубины выгорания топлива в канальных реакторах. Одним из способов повышения эффективности топливного цикла является оптимизация глубины выгорания топлива, находящегося в реакторе [1]
В данной работе изложен принцип оптимизации глубины выгорания топлива на основе математического метода "Принцип максимума Понтрягина". Результатом данной работы являются рекомендации по оптимизации распределения нейтронного потока и глубины выгорания топлива по радиусу активной зоны реактора, которые могут быть использованы для других типов канальных реакторов, работающих в режиме непрерывных перегрузок топлива. Объектом регулирования является реактор CANDU, включающий активную зону реактора с топливными сборками естественного начального обогащения, механизм загрузки и перемещения топлива, управляемый по программе. В данном способе при осуществлении топливного цикла на основе оптимальной программы топливо перемещают в каналах с расчетной скоростью, обеспечивающей формирование максимального нейтронного потока в объеме реактора и локальных зон с оптимальной степенью выгорания топливных сборок. Топливо, выгружаемое из активной зоны, в рабочий цикл больше не возвращают.

Недостатком данного технического решения является невозможность повторного использования отработавших топливных сборок после выгрузки их из активной зоны реактора.

Известны и другие публикации, затрагивающие эту область [2] Однако в этих публикациях не учитываются эксплуатационные особенности канального реактора.

Для оценки эффективности методов, применяемых для повышения глубины выгорания в различных способах использования топлива в реакторе, можно применить метод, изложенный в работе [3] При решении вопроса о выборе путей совершенствования топливного цикла канальных реакторов наряду с физическими проблемами организации оптимальных распределений нейтронного потока и выгорания топлива приходится сталкиваться с особенностями топливного цикла для каждого типа реактора, техническими характеристиками используемого оборудования. Кроме того, энергоэкономическая выгода от реализации выбранного способа организации топливного цикла зависит от факторов, определяющих конкретный способ движения топлива: склад реактор бассейн выдержки - реактор.

Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является способ обеспечения полноты выгорания топлива путем перестановки его в пределах трех энергетических зон реактора [4] В публикации показана принципиальная возможность осуществления способа, сам принцип выбора (расчета) размеров этих зон не раскрыт, что исключает возможность его практической реализации.

Задача изобретения заключается в обеспечении расчетной глубины выгорания слабообогащенного ядерного топлива, в достижении более равномерного распределения энерговыделения по объему реактора, в повышении безопасности работы реактора в целом как объекта регулирования.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе осуществления топливного цикла ядерного канального реактора, предусматривающем выполнение операций на работающем реакторе по загрузке и выгрузке топливных сборок из технологических каналов посредством перегрузочного устройства и программные перестановки топливных сборок в пределах технологических каналов трех выделенных зон активной зоны реактора, предложено на подвесках топливных сборок, подлежащих перестановке, непосредственно на реакторе производить замену уплотнительных узлов, а зоны по глубине выгорания топливных сборок формировать из условия:
зона 1 от центра реактора до 0,5 радиуса активной зоны;
зона 2 от 0,5 0,8 радиуса активной зоны;
зона 3 от 0,8 1,0 радиуса активной зоны.

Данный способ можно осуществить при условии замены уплотнительных узлов на подвесках топливных сборок, подлежащих перестановке, непосредственно на реакторе. В пределах каждой зоны перегрузка топливных сборок осуществляется по программе таким образом, чтобы в первой зоне достигалось максимальное значение среднего энерговыделения. При этом средняя глубина выгорания топлива в первой зоне должна поддерживаться на уровне величины средней глубины выгорания топлива в реакторе. Во второй зоне энерговыделение в топливных сборках принимается в пределах от 1,0 до 0,5 номинального значения, при этом средняя глубина выгорания должна поддерживаться меньше на (40 50)% чем в первой зоне для того, чтобы иметь возможность переставлять топливные сборки второй зоны в первую и третью зоны. В третьей зоне формируется глубина выгорания топлива больше средней величины выгорания в реакторе и энерговыделения в среднем менее 0,5 от номинального значения. Для реализации принятой программы перегрузок топливных сборок из зоны и выгрузки из реактора топлива с максимальным выгоранием в реакторе создается такой набор топливных сборок, при котором спектр распределения топливных сборок по выгоранию соответствовал бы зависимости:

где n число сборок с определенной величиной глубины выгорания в единицах [МВт•сут./кассету]
<Σf> среднее значение макроскопического сечения деления.

При использовании изложенных условий и ограничений в процессе эксплуатации реакторов РБМК достигается максимально возможное значение глубины выгорания топлива.

Совокупность указанных в формуле действий обеспечивает достижение поставленной задачи.

Источники информации:
1. Wight A.L. Girouarol P. Optimum Burnup Distribution in a Continuously Fueled Reactor. Nuclear Science and Engineering: 68, 61 72, 1978.

2. Рудик А.П. Оптимальное расположение ядерного горючего в реакторе. М. Атомиздат, 1974, с. 18 21.

3. Брюнина С.В. Корякина Ю.И. и др. Оценка энергоэкономических эффектов малых отклонений в режиме перегрузок топлива РБМК. Атомная энергия, т. 65, 1988, с. 7 12.

4. Пономарев-Степанов Н.Н. Глушков Е.С. М. Энергоатомиздат, 1988, с. 131 136.

Использование: изобретение касается регулирования внутриреакторных процессов, касается в частности регулирования энерговыработки тепловыделяющих сборок и может быть использовано при решении практических вопросов, направленных на повышение глубины выгорания ядерного топлива в канальном реакторе. Сущность изобретения: на работающем реакторе топливные сборки перемещают из технологических каналов одной зоны в технологические каналы другой зоны реактора в пределах трех выделенных зон активной зоны, при этом на подвесках топливных сборок, подлежащих перестановке, непосредственно на реакторе производят замену уплотнительных узлов.

Способ осуществления топливного цикла ядерного канального реактора, предусматривающий выполнение операций на работающем реакторе по загрузке и выгрузке топливных сборок из технологических каналов посредством перегрузочного устройства и программные перестановки топливных сборок в пределах технологических каналов трех выделенных зон активной зоны реактора, отличающийся тем, что на подвесках топливных сборок, подлежащих перестановке, непосредственно на реакторе производят замену уплотнительных узлов, а зоны по глубине выгорания топливных сборок формируют из условия
зона 1 от центра реактора до 0,5 радиуса активной зоны;
зона 2 от 0,5 ^oC 0,8 радиуса активной зоны;
зона 3 от 0,8 ^oC 1,0 радиуса активной зоны.