ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1999 года по МПК G21C3/62 G21C3/64 G21C3/326 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, преимущественно к тепловыделяющим сборкам (ТВС) канальных ядерных реакторов, в частности к реакторам типа РБМК.

Безопасная и устойчивая работа реактора РБМК во многом определяется паровым α_ϕ и температурными коэффициентами реактивности топлива α_T и замедлителя α_C. Именно большая положительная величина парового коэффициента реактивности α_ϕ≈ 4,5×β_eff была одной из причин, приведших к аварии на четвертом блоке Чернобыльской АЭС [1]. Обезвоживание значительной части каналов способствовало разгону на мгновенных нейтронах.

В результате мер по повышению безопасности реактора РБМК величина парового эффекта реактивности была снижена до β_eff, в основном, за счет установки в 80 рабочих каналов активной зоны вместо ТВС дополнительных поглотителей (ДП) из борированной стали. Установка в активную зону ДП привела к уменьшению глубины выгорания топлива на 25% и к увеличению топливной составляющей приведенных затрат почти на 30% и соответственно к ухудшению экономических показателей [2].

Для повышения экономических показателей при достигнутом уровне безопасности была предложена ТС канального реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана с повышением обогащением до 3% [4] . Перевод РБМК с топлива, начальное обогащение которого 2.2%, на топливо с начальным обогащением 2.4% позволило снизить топливные затраты на 15% и уменьшить величину парового коэффициента реактивности α_ϕ≈ 4,5×β_eff[2]. Однако при таком способе повышения безопасности уменьшается подкритичность остановленного разотравленного реактора, растет максимальная линейная нагрузка на тепловыделяющие элементы, ухудшаются условия перегрузки ТВС, т.к. в активной зоне сохраняются ДП.

Ранее, применительно к водо-водяным энергетическим реакторам предлагалось использовать топливные стержни, включающие гомогенную смесь UO₂ и Er₂O₃, для увеличения длительности топливного цикла, повышения однородности распределения мощности и равномерности выгорания топлива, а также для увеличения отрицательного температурного коэффициента реактивности замедлителя [3].

Для дальнейшего улучшения экономических показателей и повышения безопасности канального ядерного реактора было предложено в тепловыделяющей сборке, содержащей тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана, дополнительно ввести эрбий, концентрация которого выбрана из интервала 0.3 - 0.8 весовых процента [2]. Применение эрбия с точки зрения повышения безопасности канального ядерного реактора связано с наличием у него резонанса при энергии 0.47 эВ, близкого к области термализации нейтронов. При обезвоживании реактора спектр нейтронов сдвигается в область этого резонанса.

Количество эрбия 0.3-0.8% выбрано из условия снижения парового коэффициента реактивности до уровня, при котором не требуется устанавливать ДП.

В процессе увеличения средней энерговыработки в активной зоне количество эрбия в топливе уменьшается, что снижает отрицательный паровой коэффициент реактивности и даже может сделать его положительным.

В качестве прототипа настоящего изобретения выбрана тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора с дополнительно введенным в топливо эрбием, концентрация которого выбрана из интервала 0.3 - 0.8% [2].

Изобретение направлено на решение задачи по дальнейшему повышению безопасности канального реактора, увеличению продолжительности кампании, снижению эксплутационных расходов и сокращению топливной составляющей приведенных затрат.

Поставленная задача решается тем, что в тепловыделяющую сборку канального ядерного реактора, содержащую тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана с эрбием концентрацией 0.3-0.8%, дополнительно введен гафний, концентрация которого не более 2%, концентрация эрбия снижена до величины менее 0.3%.

Сопоставительный анализ с аналогами и прототипом показал, что заявляемая ТВС отличается от известных дополнительным введением в топливо гафния (или его оксида) концентрацией не более 2%, а также эрбия (или его оксида) концентрацией менее 0.3%, что соответствует критерию "Новизна".

Применение данного изобретения позволит по сравнению с прототипом удалить из активной зоны ДП и увеличить количество топлива в ней, повысить степень выгорания топлива, снизить максимальную линейную нагрузку на тепловыделяющие элементы, уменьшить неравномерность энерговыделения по радиусу реактора, а также уменьшить расходы на транспортировку топлива, его хранение, перегрузку и захоронение.

Использование в топливе канального ядерного реактора двух элементов (гафний и эрбий) [7], имеющих в своем составе резонансные изотопы (Hf-177 энергия резонанса 1.098 эВ, резонансный интеграл 7173 барн и Er-167 энергия резонанса 0.47 эВ, резонансный интеграл 2970 барн [6]), снижает паровой коэффициент реактивности, т.к. при обезвоживании спектр нейтронов сдвигается в сторону резонансов эрбия и гафния. Кроме того, гафний имеет меньшее сечение поглощения тепловых нейтронов, чем эрбий, поэтому в процессе выгорания его количество будет уменьшаться медленнее, чем количество эрбия, и эффективность его влияния практически не изменяется по кампании, что соответствует критерию изобретения "Изобретательский уровень". На фиг.1 представлена зависимость микроскопического сечения поглощения для резонансных изотопов гафния и эрбия от энергии нейтронов.

Анализ результатов расчета эффективного коэффициента размножения для неотравленного состояния РБМК с различными типами топлива показал, что для топлива с содержанием эрбия 0.41% k_eff ниже, чем для топлива с содержанием гафния 0.1% и эрбия 0.25%. Изменение k_eff в зависимости от выгорания топлива проводились методом Монте-Карло с использованием оцененных нейтронных данных. Использовалась программа MCU_RFFI-A [5], аттестованная в ГАН РФ.

Результаты расчета представлены на рис.2,3. На рис.2 показано, что топливо UO₂ + 0.1%Hf + 0.25%Er практически не уступает топливу UO₂+0.41%Er по продолжительности компании. На рис.3 показано изменение во времени концентрации резонансных изотопов гафния и эрбия в UO₂ + 0.1%Hf + 0.25%Er и UO₂+ 0.41%Er топливе.

Оптимальное сочетание концентраций гафния и эрбия в тепловыделяющих элементах канального реактора позволит уменьшить паразитное поглощение нейтронов и повысить безопасность при обезвоживании активной зоны за счет наличия второго резонанса поглощения нейтронов у гафния. Оценочные расчеты показывают принципиальную возможность создать топливо, содержащее окись урана и гафний (без эрбия), не уступающее прототипу.

Нейтронно-физические расчеты, проведенные при обезвоживании активной зоны (без учета изменения температуры системы) показали, что распределение нейтронов по энергии смещается как в область резонансов эрбия, так и в область резонансов гафния.

На фиг.4 показано изменение k_ff ячейки РБМК при удалении воды из канала (паровой эффект реактивности). Видно, что отрицательный паровой эффект реактивности уменьшается по абсолютному значению с увеличением энерговыработки и становится положительным при ≈ 16 МВт/сут•кгU практически для обоих вариантов топлива.

Предлагаемое топливо дешевле прототипа. Эрбий более распространен в природе, чем гафний, однако, на практике гафний более доступен, поскольку он является отходом циркониевого производства. Источники эрбия в России ограничены, а технология его производства не развита. Т.о. внедрение предлагаемого топлива позволит снизить топливную составляющую приведенных затрат при повышении уровня безопасности.

Литература
1. Бартоломей Г. Г., Бать Г.А. Основы теории и методы расчета ЯЭУ. М., Энергоатомиздат, 1989 г.

2. Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора. Описание изобретения RU N 2065627. Бюл. N 23 20.08.96.

3. PCT WO 91/14268 от 19.09.91 г.

4. Атомная энергия, т. 62, вып.4, апрель 1987.

5. Гомин Е.А., Гуревич М.И., Майоров Л.В., Марин С.В. Описание, применение и инструкция для пользователей программой МCU-RFFI расчете методом Монте-Карло нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов. Препринт ИАЭ-5837/5.М., 1994.

6. Таблицы физических величин. Справочник. М., Атомиздат, 1976.

7. Свойства элементов. Справочник. М., Металургия, 1985.

Изобретение относится к ядерной энергетике, преимущественно к тепловыделяющим сборкам канальных ядерных реакторов, в частности к реакторам типа РБМК, и направлено на дальнейшее повышение безопасности канального реактора, увеличение продолжительности кампании, снижение эксплуатационных расходов и сокращение топливной составляющей приведенных затрат. Сущность изобретения: удаление из активной зоны дополнительных поглотителей, увеличение количества топлива в ней, повышение безопасности, увеличение энерговыработки, уменьшение неравномерности энерговыделения, уменьшение расходов на транспортировку, перегрузку, хранение и захоронение топлива достигается тем, что тепловыделяющие сборки канального ядерного реактора заполняют топливом из окиси урана, гафния и эрбия. Причем концентрация гафния не более 2%, а концентрация эрбия менее 0,3%. 4 ил.

Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана с эрбием, отличающаяся тем, что в топливо введен гафний, концентрация которого не более 2%, а концентрация эрбия составляет менее 0,3%.