Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора

 

Использование: изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам канальных ядерных реакторов РБМК, и направлено на сокращение топливной составляющей приведенных затрат, снижение эксплуатационных расходов, повышение безопасности канального ядерного реактора и увеличение продолжительности кампании. Сущность изобретения: удаление из активной зоны дополнительных поглотителей (ДП) и увеличение количества топлива в ней, повышение степени выгорания топлива, уменьшение расходов на транспортировку топлива, его хранение, перегрузку и захоронение, снижение максимальной линейной нагрузки на тепловыделяющие элементы и уменьшение неравномерности энерговыделения по высоте и радиусу реактора достигается тем, что тепловыделяющие сборки канального ядерного реактора заполняют топливом из окиси урана и эрбия, причем концентрация последнего выбрана из интервала 0,3-0,8%.

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно: к тепловыделяющим сборкам (ТВС) канальных ядерных реакторов РБМК.

Одной из важных причин, приведших к катастрофическим последствиям Чернобыльской аварии, явилась большая положительная величина парового коэффициента реактивности αϕ4-4,5β.. Осушение значительной части каналов привело к разгону реактора на мгновенных нейтронах.

Известна тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана [1] В результате мер по повышению безопасности реактора РБМК величина была снижена до 1β в основном за счет установки в 80 рабочих каналах активной зоны вместо топливных сборок дополнительных поглотителей (ДП) из бористой стали.

Увеличение количества поглотителей в активной зоне привело к уменьшению глубины выгорания топлива на 25% и к увеличению топливной составляющей приведенных затрат почти на 30% Ухудшение экономических показателей канальных ядерных реакторов поставило на повестку для вопрос о поисках более экономичных вариантов, в которых к тому же сохранялась бы или даже снижалась уже достигнутая величина парового коэффициента реактивности.

Была предложена тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана с повышенным обогащением [2] Как показали расчеты, перевод РБМК, например, с топлива, начальное обогащение которого 2,2% на топливо с начальным обогащением 2,4% позволяет снизить топливные затраты на 15% и уменьшить величину av до 0,5 b.

Однако при повышении степени обогащения окиси урана по-прежнему сохраняются высокие топливные затраты из-за необходимости сохранения ДП в активной зоне, а также уменьшается подкритичность остановленного разотравленного реактора и растет максимальная линейная нагрузка на тепловыделяющие элементы q^m_l^ax на 5% а для однородной решетки даже на 7% Целью изобретения является дальнейшее сокращение топливной составляющей приведенных затрат и снижение эксплуатационных расходов, повышение безопасности канального ядерного реактора и увеличение продолжительности кампании.

Технический результат, достижение которого обеспечивается с помощью изобретения, заключается в удалении из активной зоны дополнительных поглотителей (ДП) и увеличении количества топлива в ней, повышении степени выгорания топлива, его хранение, перегрузку и захоронение, снижении максимальной линейной нагрузки на тепловыделяющие элементы и уменьшении неравномерности энерговыделения по высоте и по радиусу реактора.

Это достигается тем, что в тепловыделяющей сборке канального ядерного реактора, содержащей тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана, в топливо дополнительно введен эрбий, концентрация которого выбрана из интервала 0,3-0,8% Загрузка РБМК тепловыделяющими сборками, в топливо которых из окиси урана добавлен эрбий (или его окись) в количестве 0,3-0,8% снижает паровой коэффициент реактивности до уровня, при котором не требуется устанавливать дополнительные поглотители. Одновременно уменьшается доля захвата нейтронов в воде, что приводит в случае обезвоживания активной зоны к снижению роста реактивности.

Это связано с тем, что эрбий при о,47 эВ обладает резонансом сечения поглощения. В РБМК средняя температура графита на 200^o С выше, чем средняя температура воды, поэтому при обезвоживании повышается температура нейтронного газа, и происходит сдвиг спектра нейтронов в сторону этого резонанса. Близость резонанса эрбия к области термолизации обеспечивает дополнительную отрицательную составляющую парового эффекта реактивности, что и позволяет отказаться от ДП в активной зоне РБМК. Удаление ДП из активной зоны увеличивает не только топливную загрузку реактора (за счет размещения в технологических каналах вместо ДП ТВС), но и приводит к снижению неравномерности энерговыделения, что позволяет, в свою очередь, увеличить обогащение топлива и, тем самым, повысить глубину выгорания топлива в активной зоне и, следовательно, сократить количество отработавшего топлива. Последнее - в связи со стоящей на сегодняшний день проблемой переработки и захоронения радиоактивных отходов атомных станций позволяет несколько снять остроту этой немаловажной проблемы.

Кроме того, присутствие выгорающего поглотителя в свежих ТВС приводит к существенному снижению их мощности и вносимой при перегрузке реактивности. Эти обстоятельства наряду с более ровной, чем в прототипе. картиной энерговыделения в активной зоне в значительной мере упрощает процедуру перегрузок зоны и контроль за энерговыделением в ней, повышает безопасность действующих РБМК без модификации ТВС.

Одновременно с этим размещение в технологических каналах активной зоны РБМК вместо ДП ТВС увеличивает уранграфитовое отношение, а поскольку в резонансной области энергий в случае уменьшения плотности воды снижается замедляющая способность среды, это приводит к дополнительному уменьшению парового коэффициента реактивности.

При этом необходимо учесть, что при концентрации эрбия меньше 0,3% практически исчезает влияние эрбия на паровой коэффициент реактивности αϕ, и для сохранения достигнутых в прототипе значений вновь возникает потребность в размещении в активной зоне ДП, а при концентрации эрбия в топливе больше 0,8% экономические показатели реактора становятся ниже, чем у реактора с зоной, содержащей ДП, из-за непроизводительного захвата нейтронов.

На вышеуказанные результаты также влияет расположение эрбия в ТВС, поскольку в случае локального размещения эрбия взаимодействуют два конкурирующих фактора. Усиливается влияние на эффект обезвоживания пространственного перераспределения потока нейтронов и ослабевает влияние на изменение спектра нейтронов. Но т.к. последний фактор играет для эрбия основную роль, поэтому например, установка стержней с эрбием в ТВС не дает преимуществ в глубине выгорания и не позволяет уменьшить затраты. Зато если поместить эрбий в топливо, то, как показали проведенные расчеты, глубина выгорания топлива возрастает.

Использование других выгорающих поглотителей в РБМК представляется проблематичным, хотя и известно применение в легководных корпусных реакторах для компенсации реактивности таких, например, выгорающих поглотителей как бор,гадолиний и гафний. Однако проведенные исследования показали, что размещение этих выгорающих поглотителей в ТВС РБМК не приводит к ожидаемым результатам. В частности, при содержании гафния в оболочках ТВЭЛов более 1% глубина выгорания по сравнению с загрузкой ДП не только не увеличивается, но даже уменьшается, а при равномерном размещении гадолиния увеличивается коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте К_z из-за неравномерного выгорания гадолиния, что приводит к росту максимальной линейной нагрузки q^m_l^ax на ТВЭЛ. Такие же проблемы возникают при использовании бора. Кроме того, гадолиний и бор быстро выгорают. Это с одной стороны ограничивает их влияние на паровой коэффициент реактивности αϕ,, а с другой стороны требует высокой начальной загрузки выгорающего поглотителя для снижения максимальной линейной мощности тепловыделяющих сборок, что приводит к значительным непроизводительным потерям нейтронов в начале кампании.

Проведенные исследования также показали, что на технические результаты влияет и порядок размещения поглотителей. Например, гетерогенное (и особенно внетопливное) размещение гадолиния выгоднее гомогенного. Однако если принять во внимание, что при выборе оптимального варианта размещения поглотителя необходимо учитывать, что нанесение тонкого покрытия из поглотителя сложно технологически, а его присутствие в центральном стержне ТВС затрудняет использование датчиков нейтронного потока, становится ясно, что вопрос о возможности использования других, кроме эрбия выгорающих поглотителей в РБМК пока остается открытым.

Следовательно, только при загрузке РБМК ТВС, содержащих топливом из окиси урана с эрбием, концентрация которого выбрана из интервала 0,3-0,8% может быть увеличена топливная составляющая активной зоны. повышена степень выгорания топлива, уменьшены расходы на транспортировку топлива, его хранение, перегрузку и захоронение, снижена максимальная линейная нагрузка на тепловыделяющие элементы и уменьшена неравномерность энерговыделения по высоте и радиусу реактора.

Формула изобретения

Тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные топливом из окиси урана, отличающаяся тем, что в топливо дополнительно введен эрбий, концентрация которого выбрана в интервале 0,3 0,8%