CC BY
50
^— ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ
АТОМНОЙ ОТРАСЛИ
УДК 621.039
СНИЖЕНИЕ ОБЪЕМА БОРНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫГОРАЮЩЕГО ПОГЛОТИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ (GD2O3) В ТОПЛИВЕ РЕАКТОРА ВВЭР-1200
© 2019 М.А. Абу Сондос, В.М. Демин, В.И. Савандер
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия
Рассматриваются различные схемы размещения выгорающего поглотителя в системе компенсации избыточной реактивности в реакторе типа ВВЭР при удлиненных кампаниях с целью снижения максимальной концентрации борного поглотителя. На основе по вариантной оптимизации анализируется влияние способа размещения выгорающего поглотителя в твэгах (гомогенное и гетерогенное) и количество размещаемого выгорающего поглотителя в них, на максимальную величину запаса реактивности, компенсируемую системой борного регулирования.
Ключевые слова: Выгорающий поглотитель (ВП), гомогенный (ГВП) и гетерогенный (ГТВП) выгорающий поглотитель, Serpent, ВВЭР, ТВС, полиячейка, максимальная концентрация борной кислоты, система жидкостного регулирования, избыточная реактивность, коэффициент размножения ТВС (KM).
Поступила в редакцию 19.06.2019 После доработки 05.07.2019 Принята к публикации 07.07.2019
Введение
В реакторах ВВЭР по мере усовершенствования топливного цикла переходят на удлиненные кампании реактора, при этом также требуется повышение обогащения топлива подпитки. Для компенсации возникающей избыточной реактивности на одну кампанию применяется как традиционная система, основанная на борном регулировании, так и размещение в топливе выгорающих поглотителей, в основном гадолиния. Учитывая, что при высокой концентрации борного поглотителя в теплоносителе плотностной коэффициент реактивности по теплоносителю может принимать отрицательные значения, что при высокой концентрации борного поглотителя в теплоносителе плотностной коэффициент реактивности по теплоносителю может принимать отрицательные значения, что при выбранных параметрах решетки влияет на условия ядерной безопасности реакторной установки АЭС (НП 082-07) [1-4, 11], необходимо всемерно увеличивать долю избыточной реактивности, компенсируемую с помощью выгорающих поглотителей [5-9].
В идеале снижение концентрации выгорающего поглотителя при работе реактора должно было бы происходить так, чтобы высвобождаемая при этом реактивность примерно соответствовала падению реактивности за счет выгорания топлива. В этом случае существенно сокращается применение подвижных органов регулирования для поддержания критичности при работе реактора в стационарном режиме, а диапазон изменения концентраций борной кислоты будет наименьшим. Считается, что такого идеального соответствия в водо-водяных реакторах достичь невозможно, хотя положительный эффект от применения выгорающих поглотителей весьма ощутим [10].
© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2019
Скорость изменения количества ядер ВП во времени описывается уравнением, которое абсолютно аналогично уравнению выгорания для 235^ Тогда:
СМВП = ^ВПОаВП0ВП сШ5 5
При гомогенном размещении ВП в топливе (ГВП) поток тепловых нейтронов, действующих на выгорающий поглотитель и на 235и, будет одинаковым 0ВП = 05 и
235
отношение скоростей выгорания ВП и и зависит от изменения МВп и N5 во времени. В реальной ТВС, где ВП размещается только в нескольких из 312 твэлов, распределение потока тепловых нейтронов по твэлам зависит от количества ВП в каждом твэле, количества твэгов и обогащения топлива. Поскольку сечение поглощения тепловых нейтронов для Gd высокое [12], его наличие в ТВС сильно влияет на распределение потоков тепловых нейтронов, что оказывает существенную роль на скорость выгорания различных изотопов в ТВС.
При гетерогенном размещении ВП в ТВС (ГТВП) он сначала выгорает в поверхностном слоем (с объемом 2лгйг), где расположен ВП, а затем поверхностные слои становятся прозрачными, и начинается уже объемное выгорание (в объеме лг2) [10]. Поэтому, снижение избыточной реактивности за счет ВП в этом случае меньше, чем для гомогенного размещения.
Для описания частичных перегрузок примем следующую модель. Во-первых, будем рассматривать перегрузки без перестановок ТВС. В этом случае в активной зоне можно выделить элемент периодичности, состоящий из ТВС с различными длительностями облучения. Во-вторых, коэффициент размножения полиячейки периодичности в простейшем случае возьмем равным среднему арифметическому по всей совокупности ТВС, образующих полиячейку. В этом случае изменение коэффициента размножения полиячейки со временем можно представить в следующем виде:
рраи^ _ к™(I) + К1ВС(I + Т) + К™(I + 2Т) (1)
Длина кампании реактора определяется из условия, что в конце кампании усредненный коэффициент размножения полиячейки равен критическому значению, обеспечивающему значение Кэф=1.
Краыт = КВ (Т) + КВ (2Т) + КВ (3Т) КСШТ
со V ) со
3 (2)
В первую очередь в качестве базового случая рассмотрим применение этой модели для варианта без компенсации избыточной реактивности (В1, табл. 1). Для полутора годичной кампании кратность перегрузки будет равна трем. Рассмотрим зависимость коэффициента размножения от времени (выгорания) для ТВС без гадолиния. Удлиненную кампанию для трехкратной перегрузки топлива примем равной 480 суток. Тогда с помощью соотношение 2 для коэффициента размножения
т^СШТ
ТВС без выгорающего поглотителя на конец кампании получим значение 00 , которое будет использовано для всех остальных вариантов.
Постановка задачи
Для расчетного анализа поставленной задачи были выбраны несколько вариантов использования ВП в ТВС с разными концентрациями и разным расположением в них (варианты В1-В10). Для каждого из них был проведен расчет изменения коэффициента размножения ТВС в зависимости от глубины выгорания топлива. Исходные данные по загрузке ВП в ТВС и их геометрические характеристики для этих вариантов представлены в таблице 1 и на рисунках 1а, 1б и 2.
Таблица 1 - Распределение ВП в рассмотренных вариантах расчетов [Distribution of BA in the considered variants of calculations]_
Вариант Масса в^г/ТВС Количество и состав топлива твэлов и твэгов
Bi 312-4,90%(235и)
В2 878 (ГВП) 300-4,95%(235и) и 12-3,65%(235и) с 5,0%Gd2O3
B3 878 (ГВП) 288-4,95%(235Ц) и 24-4.30%(235Ц) с 2,5%Gd2O3
В4 890 (ГВП) 228-4,95%(235Ц) и 84-4,80%(235Ц) с 0,7%Gd2O3
В5 1409 (ГВП) 288-4,95%(235Ц) и 24-4,30%(235Ц) с 4,0%Gd2O3
Вб 1928 (ГВП) 288-5,00%(235Ц) и 24-3,70%(235и) с 5,5%Gd2O3
В7 2611 (ГВП) 288-5,00%(235и) и 24-3,70%(235и) с 7,5%Gd2O3
В8 1762 (ГВП) 282-5,00%(235и) и 30-3,90%(235и) с 4,0%Gd2O3
В9 2644 (ГВП) 276-5,00%(235и) и 36-4,13%(235и) с 5,0%Gd2O3
Bio 3523 (ГВП) 270-5,00%(235и) и 42-4,26%(235и) с 5,7%Gd2O3
В11 887 (ГТВП) 312-4,90%(235и), 84-с толщиной Gd2O3 0,0142 см (в отверстие твэга)
В12 1420 (ГТВП) 312-4,90%(235и), 84-с толщиной Gd2O3 0,0195 см (в отверстие твэга)
В13 1952 (ГТВП) 312-4,90%(235и), 84-с толщиной Gd2O3 0,0291 см (в отверстие твэга)
B14 2662 (ГТВП) 312-4,90%(235и), 84-с толщиной Gd2O3 0,0478 см (в отверстие твэга)
В15 887 (ГТВП) 312-4,90%(235и), 126-с толщиной Gd2O3 0,0131 см (в отверстие твэга)
В16 1775 (ГТВП) 312-4,90%(235и), 180-с толщиной Gd2O3 0,0167 см (в отверстие твэга)
В17 2661 (ГТВП) 312-4,90%(235и), 222-с толщиной Gd2O3 0,0131 см (в отверстие твэга)
В18 3549 (ГТВП) 312-4,90%(235и), 240-с толщиной Gd2O3 0,0167 см (в отверстие твэга)
В19 2653 (ГВП) и (ГТВП) 288-4,95%(235и), 93-с толщиной Gd2O3 0,0161см (в отверстие твэга) и 24-4,3%(235и) с 3,75% Gd2O3.
В 20 3536 (ГВП) и (ГТВП) 282-5,0%(235и), 102-с толщиной Gd2O3 0,0202 см (в отверстие твэга) и 30-4,0%(235и) с 40% Gd2Oз.
00000000000 000000000000 0000000000000 00000000000000 oooooooOooooooo oooooOooooOooooo 00000000000000000 ooooOooooOoooOoooo oooooooOooooooooooo ooooooooooooOooooooo оооооОооооПооооОооооо oooooooOoooooeoooooo oooooooooooOooooooo ooooOesoOo оооОоооо ooooooooooooooooo oooooOooooOooooo oooooooOooooooo 00000000000000 0000000000000 000000000000 00000000000
00000000000 OOOOOOOOQOOO 0000000000*00 0000000000 000 0 oooooooOooooooo oooooOooooOooooo
00 ООО ООО ООО'J 00 ООО о о о оОо о о оОо о е>Оо о о о О о О О 0 0 С о о О О о Г; 0 0 0000 ooooooooooooOooooooo 0 0 0 0 ООООО ООО О О ОООо о о о О О О Г, С О Г- О О О С 0 0 0000000
' О ' ' ' ооооС) О ооОоооо ooooooooooooooooo оооо о Оооеэ® oooooooOooooooo 00000000000000 0000000000000 000000000000 00000000000
Рисунок 1а - Размещение ВП в ТВС (В3, В5-В7) Рисунок 16 - Размещение ВП в ТВС (В8-В„) [The [The placement of the BAs in FA (В3, В5-В7)] placement of the BAs in FA (В8-В„)]
Ер* hii I ш 1 ГТВП
Рисунок 2 - Геометрия твэлов (без ВП, ГВП и ГТВП) [The geometry of the fuel rods (without the BAs,
HBA, and NHBA)]
Для расчета зависимости коэффициента размножения ТВС от глубины выгорания топлива использовался код SERPENT (2.1.30) [13] и библиотека ядерных данных ENDFb7 [14]. Расчет осуществлялся при средних стандартных значениях температур топлива и теплоносителя и средней плотности теплоносителя.
Результаты расчетных исследований
На первом этапе расчетных исследований были рассмотрены варианты В1-В4, в которых изменялось число твэгов в ТВС, но при этом общее количество гадолиния и урана-235 в ТВС оставалось неизменным. Вариант В1 предполагает чисто жидкостное регулирование запаса реактивности без использования выгорающего поглотителя. Для выбранного количества гадолиния в ТВС он успевает выгореть за одну кампанию. В этом случае в выражение усредненного коэффициента размножения (формула (2) слагаемые (Kw(T+t) + Kaf(2T+t)) будут одинаковыми для всех этих вариантов. Поэтому характер изменения усредненного коэффициента размножения полиячейки K^}ly(t) временным изменением коэффициента размножения ТВС K™C(t) на интервале первой кампании ТВС. Соответствующие расчетные характеристики рассматриваемых величин представлены на рисунках 3 и 4.
При малом числе твэгов в ТВС на один твэг в среднем приходится много твэлов и основное влияние на временное изменение KpOLr ()) оказывают именно твэлы. Суммарное воздействие таково, что выгорание топлива в ТВС приводит к снижению этой величины, а выгорание гадолиния приводит к ее росту. Но поскольку в начале кампании из-за блокировки внутренних слоев твэга выгорание гадолиния происходит медленно, влияние твэлов в начале кампании невелико. Поэтому наличие твэгов снижает начальную величину KPOLL (0) и приводит к более медленному снижению этой величины. В дальнейшем по мере выгорания гадолиния и снижения его блокировки роль твэга возрастает и резко увеличивается спад коэффициента размножения полиячейки, приближаясь к зависимости для варианта без твэгов.
1.2 1.18 1.16 1.14 1.12 £ 1.1 1.08 1.06 1.04
■ UO2
.......... 24Gd2 ,5% ,7%
1
's........ /
/
/
1.45 1.4
1.3 1.25
-UO2 ------878g 12Gd h .......... 878g 24Gd h -------890g 84Gd h
V,
t t
------ ------
/
I
/
/ /
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
T (Day) Time (Day)
Рисунок 3 - Временная зависимость Кнф Рисунок 4 - Временная зависимость Кнф ТВС в
полиячейки для вариантов В1-В4 [Kinf of poly-cell первой кампании для вариантов В1-В4 [Kinf of FA in depending on burnup depth for variants В1-В4] first campaign depending on burnup depth for variants
В1-В4]
Увеличивая количество твэгов при одновременном снижении загрузки гадолиния в твэл приводит к резкому изменению характера временного поведения KpOLr ()) за счет увеличения роли твэгов и уменьшения числа твэлов, приходящихся на один твэг.
Поэтому снижение реактивности за счет ВП увеличивается, что приводит к уменьшению коэффициента размножения нейтронов в начале кампании. Однако быстрое выгорание Gd высвобождает реактивность и приводит к росту коэффициента размножения нейтронов (В4). В результате этого имеет место выбег реактивности в варианте В4 вплоть до момента времени порядка 80 суток. Максимальный коэффициент размножения нейтронов в этом варианте уменьшается от значения для базового варианта В1 на 0,064 (ДКинф.макс. = 0,064). В варианте В3 соотношение скорости
1.35
1.2
1.15
1.1
1.05
1.02
высвобождения реактивности и скорости уменьшения запаса реактивности за счет выгорания топлива до момента времени 150-200 суток примерно равны и максимальный коэффициент размножения нейтронов уменьшается по сравнению с базовым вариантом В1 на 0,068 (ДКинф.макс. = 0,068). Таким образом, минимальное значение максимальной величины коэффициента размножения полиячейки за первую кампанию, а, значит и минимальное значение концентрации борного поглотителя для жидкостной системы регулирования, достигается для варианта В3.
Во второй серии вариантов был проведен расчёт для гомогенного размещения гадолиния в 24 твэгах (ГВП (В3, В5-В7)), но с разной общей массой ВП, а, следовательно, и с его разной концентрацией в твэгах. Результаты расчетов показаны на рисунках 5 и 6.
1.2 1.18 1.16 1
1.12 1.1 1.08
-UO2
—— 24Gd2,5% ■—■•■— 24Gd4,0% 24Gd5,5% 24Gd7,5%
-UO2 ------878g 24Gd h
.......... 14 -------19 39g 24Gd h 8g 24Gd h 1g 24Gd h
С.— — --------
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T (Day)
Рисунок 5 - Временная зависимость Кжф полиячейки для вариантов Вь В3, В5-В7 [Kinf of poly-cell depending on bumup depth for variants Вь В3, В5-В7]
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T (Day)
Рисунок 6 - Временная зависимость Кинф ТВС в первой кампании для вариантов Вь В3, В5-В7 [Kinf of FA in first campaign depending on burnup depth for variants Вь В3, В5-В7]
С повышением концентрации ВП в твэгах, блокировка потока тепловых нейтронов повышается, а скорость выгорания ВП на начальном этапе снижается при увеличении загрузки гадолиния в твэг. В результате увеличение загрузки гадолиния в твэг в этом случае не оправдано, так как максимум коэффициента размножения приходится на начало кампании, а его величина слабо снижается. Поэтому концентрация борного поглотителя будет слегка снижаться. Однако снижение реактивности за счет добавочной загрузки ВП не эквивалентны соответствующему увеличению его массы и концентрации. В частности уменьшение максимального коэффициента размножения нейтронов полиячейки от базового состояния В1: ДКинф.макс.= 0,068; 0,074; 0,079 и 0,085 соответственно для вариантов В3, В5-В7, что в процентном отношении существенно меньше степени увеличения его массы.
Следовательно, для повышения влияния твэгов на характер изменения коэффициента размножения полиячейки во времени необходимо снижать долю твэлов, приходящихся на один твэг, то есть повышать число твэгов в ТВС, и при этом повышать загрузку гадолиния в твэг. В этом случае начальное значение К™С (0) будет снижаться, а постепенное разблокирование гадолиния в твэге приводит к медленному росту КТВС (t) , что в совокупности приводит к существенному снижению максимального значения к КР°ЬГ (0 , то есть снижает максимальную концентрацию борного поглотителя в активной зоне реактора. На рисунках 7 и 8 предоставление расчетные данные изменения Кр°ьг (0) и КТВС (t) при различном числе твэгов в ТВС (24, 30, 36 и 42) и различной загрузке ВП в твэг (890; 1762; 2644 и 3523 г Gd на ТВС) варианты (В3, В8-В10)).
UO2 24Gd2,5% 30Gd4,0% 368Gd5,0% 42Gd5,7%
с,
1.45 1.4 1.35 1.3 1.25 1.2
UO2
878g 24Gd h 1762g 30Gd h 2644g 36Gd h 3523g 42Gd h
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T (Day)
Рисунок 7 - Временная зависимость Кжф полиячейки для вариантов В1, В3, В8-В10 [Kinf of poly-cell depending on burnup depth for variants
ВЬ В3, В8-В10]
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T (Day)
Рисунок 8 - Временная зависимость Кинф ТВС в первом кампании для вариантов В1, В3, В8-В10 [Kinf of FA in first campaign depending on burnup depth for variants В1, В3, В8-В10]
Результаты расчетов показывают влияния обоих факторов на закон изменения со временем величины Кр01'7 (0. Во-первых, эта величина остается в течении большей части кампании примерно постоянной величиной, во-вторых, эта величина снижается по мере увеличения числа твэгов и загрузки гадолиния в твэг, однако при этом весь гадолиний не успевает выгореть в течении кампании и, тем самым, снижает выгорание выгружаемого топлива. При этом запас реактивности на жидкостное регулирование для варианта В10 примерно в четыре раза меньше, чем для эталонного варианта без выгорающих поглотителей.
В следующем наборе вариантов (варианты В11-В14) было зафиксировано общее число твэгов в ТВС, но в каждом из них весь гадолиний размещался гетерогенно в малой области по периферии центрального отверстия твэга, причем с повышением общей массы ВП толщина слоя гадолиния также возрастала (0,11; 0,2; 0,29 и 0,48 мм соответственно). Расчетные зависимости коэффициентов размножения ТВС и полиячейки из ТВС для этих вариантов приедены на рисунках 9 и 10.
1.15
.1
1.05
U.95
1.2
1
1.16 1
1.12 1.1 1.08 1.06 1.04 1.02 1
UO2 84Gd0,7%
N 84Gd1,44% 84Gd2,23
;—
>
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T (Day)
Рисунок 9 - Временная зависимость Кинф полиячейки для вариантов Вь Вп-Вм [Kinf of poly-cell depending on burnup depth for variants В1, В11-В14]
1.2 -1.15 -1.1 ^
-UO2 __,— 887g 84Gd c
......... _._.— 19 20g 84 Gd c 52g 84 Gd c 62g 84 Gd c
i
i.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T (Day)
Рисунок 10 - Временная зависимость Кинф ТВС в первой кампании для вариантов В1, В11-В14 [Kmf of FA in first campaign depending on burnup depth for variants В1, В11-В14]
С повышением концентрации ВП в твэгах, блокировка потока тепловых нейтронов повышается, а скорость выгорания ВП уменьшается, что приводит к удлинению времени его выгорания. Отметим, что и в этом случае снижение начального запаса реактивности за счет применения\ВП не адекватно соответствующему увеличению его массы и концентрации в твэге. Соответствующее снижение максимального коэффициента размножения нейтронов в полиячейке относительно базового варианта без ВП (В1) равны: ДКинф.макс. = 0,046; 0,051; 0,056 и 0,066 соответственно для вариантов В11-В14, что существенно меньше аналогичных значений для вариантов с гомогенным размещением ВП в твэгах.
.5
.45
.4
.35
.3
.25
В следующем наборе вариантов (В15-В18) изменялось как общее количество гадолиния в ТВС (887; 1775; 2662 и 3549 г Gd), так и общее число твэгов в ТВС (126, 180, 222 и 240), но при этом весь гадолиний в твэгах размещался гетерогенно, как и в предыдущем наборе вариантов, а с повышением количества ВП в ТВС возрастало и число твэгов. На рисунке 11 предоставлены результаты расчетов для этих вариантов.
1.2 1.18 1.16 1.14 1.12 1.1 1.08 1.06 1.04 1.02 1
-UO2
ч ...........180Gd 1 775 grams 662 grams 549 grams
—»— 240Gd 3
.......
\ .... ________
50 100 150
200 250 T (Day)
300 350 400 450
Рисунок 11а - Временная зависимость Кжф полиячейки для вариантов Bj, B^-Bjg [Kinf of poly-cell depending on burnup depth for variants Bb В15-
Bi8]
1.5 1.45 1.4 1.35 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05
-UO2 ------887g 126Gd c .......... 1775g 180Gd c -------2661g 222Gd c —«— 3549g 240Gd c
i
\
--------
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T(Day)
Рисунок 11б - Временная зависимость Кинф ТВС в первой кампании для вариантов В1, В15-В18 [Kmf of FA in first campaign depending on burnup depth for variants В1, В15-В18]
0
Сравнивая результаты на рисунках 10а и 10б с аналогичными на рисунках 7а и 7б, можно отметить практически полное совпадение. Во-первых, во всех рассматриваемых вариантах можно выделить большой интервал кампании, для которого величина коэффициента рамножения слабо меняется с выгоранием. Во-вторых, с увеличением числа твэгов и одновременном повышении количества ВП в них, возрастает интервал слабого изменения коэффициента размножения полиячейки и снижается значение этой величины. Тем самым снижается и остаточный запас реактивности на жидкостную систему компенсации, но с небольшой потерей в выгорании топлива. Необходимо отметить, что для получения таких результатов при гетерогенном размещении ВП требуется выделять существенно большое число твэгов. Для снижения общего числа твэгов в ТВС можно осуществить смешанное размещение ВП в них (варианты В19 и В20). Результаты расчетов представлены на рисунках 12 и 13.
1.2 1.18 1.16 1.14 1.12 | 1.1 1.08 1.06 1.04 1.02 1
без Gd ith 5,0%Gd with thickness Gd 0,0131 см ith 3,75%Gd & 93 with thickness Gd 0,0161 см
4 N .......... 222
W-- ___
200 250 T (Day)
300 350 400 450
Рисунок 12 - Временная зависимость Кинф полиячейки для вариантов В1, В9, В17 и В19 [Kinf of poly-cell depending on burnup depth for variants Вь
В9, В17 и В19]
1.2 1.18 1.16 1.14 1.12 1.1 1.08 1.06 1.04 1.02 1
-UO2
-42 with 5,7%Gd
' 240 with thickness Gd 0,0167 см
- 30 with 4,26%Gd & 102 with thickness Gd 0,0202 см
150 200 250 300 350 400 450 T (Day)
Рисунок 13 - Временная зависимость Кинф полиячейки для вариантов В1, В10, В18 и В2о [Kinf of poly-cell depending on burnup depth for variants Вь
В10, В18 и В20]
50
100 150
50
Совместное использование гомогенного (ГВП) и гетерогенного (ГТВП) ВП приводит к наибольшей компенсации реактивности в начале кампании. В таблице 2 представленно АКинф.макс. и ДК(конце кампании) Для вариантов В9, В10, В17 В18, В19 и В20.
Таблица 2 - АКинф.макс. и АКинф (в конце кампании) для вариантов B9, В1сь Вп В18, Bj9 и В20 [AKlnf.maxc. и AKjnf m Ле end of campaign) for Variants B9, B1o, B17 B18, В |9 и B20]__
Масса ВП (кг/ТВС) 2,65 3,55
Размещение ВП в ТВС ГВП ГТВП ГВП и ГТВП ГВП ГТВП ГВП и ГТВП
АКинф.макс. 0,109 0,111 0,125 0,126 0,122 0,130
АК(в конце кампании) 0,008 0,006 0,006 0,010 0,008 0,008
Из таблицы 2 видно, что использование гомогенного (ГВП) и гетерогенного (ГТВП) размещение ВП приводит к снижениню Кинф.макс так и К(конце кампании), что означает существенное снижение применения жидкостной системы компенсации избыточной реактивности. В таблице 3 представленно АКинф.макс. и ДК(конце кампании) для вариантов В3, В8, В15 В16.
Таблица 3 - АКинф.макс. и АКинф (в конце кампании) для ШрШПГЫ B3, B8, В15 В16 [AKinf.maxc. и AKinf in the end of campaign)
for variants B3, B8, B15 B16]_
Масса ВП (кг) 0,88 0,89 1,76 1,78
Размещение ВП в ТВС ГВП ГТВП ГВП ГТВП
АТУ АКинф.макс. 0,068 0,063 0,089 0,089
АК{в конце кампании) 0,003 0,001 0,005 0,004
Выводы
В данной работе анализировалось влияние размещения ВП, число твэгов в ТВС и концентрации Gd в каждом твэге на коэффициент размножения нейтронов в полиячейке для реактора ВВЭР с удлинёнными кампаниями. Снижение коэффициента размножения нейтронов уменьшает запас реактивности на компенсацию жидкостной системой. В результате резко снижается концентрация бора в теплоносителе, что благотворно сказывается на плотностном коэффициенте реактивности.
Результаты расчетов показывают, что снижение коэффициента размножения нейтронов происходит как за счет увеличения количества ВП в твэге, так и за счет увеличения числа твэгов. При этом, в течение большого интервала времени первой кампании сам коэффициент размножения нейтронов не меняется в процессе выгорания топлева. Это связано с тем фактом, что снижение реактивности реакторов в процессе выгорания топлива компенсируется ростом реактивности за счет выгорания ВП. В результате упрощается регулирование реактора оперативной системы органов регулирования.
Оказалось, что одинаковых результатов можно получить как с помощью ГВП, так и с помощью ГТВП, но ГВП требует для получения того же результата существенно меньшего числа твэгов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Burnable Absorbers - Burnable Poisons. URL: ttps: //www.nuclear-power.net /nuclear-power-plant/nuclear- fuel/burnable-absorbers-burnable-poisons/ Accessed 21.01.2018).
2. Galperin A, Segev M, Radkowsky. A. Substitution of the Soluble Boron Reactivity Control System of a Pressurized Water Reactor by Gadolinium Burnable Poisons. Nucl. Technol., 75 (1986), P. 127133. Published online: 10 May 2017. URL : https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.13182/NT86-A33855.
3. Fiorini G. L, Gautier G. M, Bergamaschi Y. Feasibility Studies of a Soluble Boron-Free 900-MW (electric) PWR, Safety Systems: Consequences of the Partial or Total Elimination of Soluble Boron
© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2019
on Plant Safety and Plant Systems Architecture. Nucl. Technol., 127 (1999), pp. 239-258. Published online: 10 May 2017. URL : https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.13182/NT99-A2999.
4. Jones R.C. Boron Dilution Reactivity Transients: A Regulatory Perspective. Proceedings of the OECD/NEA/CSNI Specialist Meeting on Boron Dilution Reactivity Transients, State College (PA), Oct 18-20 (1995). URL : https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:43012298.
5. Стогов, Ю. В. Перспективные технологии использования оксидного уран-гадолиниевого топлива в легководных реакторах / Ю. В. Стогов, Н. И. Белоусов, В. И. Савандер [и др.] // Материалы XIV семинара по проблемам физики реакторов. - Москва : МИФИ, 2006. -С. 45-47.
6. Balestieri D. A. STUDY OF UO2/Gd2O3 CJMPOSITE FUEL. IAEA-TECD0C-1036. Vienna (Austria).1998. P. 63-72.
7. Ермолин, В. С. О размещении гадолиния в центральном отверстии твэлов во до-водяных реакторов / В. С. Ермолин, В. С. Окунев // Физика-техникие проблемы ядерной энергетики. -Научная сессия МИФИ-2008. - С. 101-102.
8. Бергельсон, Б. Р. Глубина выгорания ядерного топлива ВВЭР с разными поглотителями / Б. Р. Бергельсон [и др.] // Атомная энергия. - Т. 109, Вып. 4. - Октябрь, 2010. - С. 240-245.
9. Абдельгафар Галахом, А. Исследование возможности использования сплава европия и Пирекса в качестве выгорающего поглотителя в PWR / А. Абдельгафар Галахом // Анналы атомной энергетики. - Т. 110. - Декабрь, 2017. - С. 1127-1133.
10. Андрушенко, С. А. АЭС с реактором типа ВВЭР-1000 / С. А. Андрушенко [и др]. - Москва : Логос, 2010. - 604 с.
11. Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций. - URL : https://www.seogan.ru/np-082-07-pravila-yadernoiy-bezopasnosti-reaktornix-ustanovok-atomnix-stanciiy.html (дата обращения: 16.4.2019).
12. Varley F. Sears. Neutron scattering lengths and cross sections. Neutron News, Vol. 3, No. 3, 1992, pp. 26-37. Published online: 19 Aug 2006. Published online: 19 Aug 2006.
13. Leppanen J. Serpent - a Continuous-energy Monte Carlo Reactor Physics Burnup Calculation Code. VTT Technical Research Centre of Finland. (June 18, 2015).
14. 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), P. 2887-2996, 10.1016/j.nds.2011.11.002.
REFERENCES
[1] Burnable Absorbers - Burnable Poisons. URL: ttps: //www.nuclear-power.net /nuclear-power-plant/nuclear- fuel/burnable-absorbers-burnable-poisons/ (accessed 21.01.2018).
[2] Galperin A, Segev M, Radkowsky. A. Substitution of the Soluble Boron Reactivity Control System of a Pressurized Water Reactor by Gadolinium Burnable Poisons. Nucl. Technol., 75 (1986), P. 127133. Published online: 10 May 2017.
[3] Fiorini G. L, Gautier G. M, Bergamaschi Y. Feasibility Studies of a Soluble Boron-Free 900-MW (electric) PWR, Safety Systems: Consequences of the Partial or Total Elimination of Soluble Boron on Plant Safety and Plant Systems Architecture. Nucl. Technol., 127 (1999), pp. 239-258. Published online: 10 May 2017.
[4] Jones R.C. Boron Dilution Reactivity Transients: A Regulatory Perspective Proceedings of the OECD/NEA/CSNI Specialist Meeting on Boron Dilution Reactivity Transients, State College (PA), Oct 18-20 (1995).
[5] Stogov Yu.V., Belousov N.I. Savander V.I. et al. Perspektivny'e texnologii ispoFzovaniya oksidnogo uran-gadolinievogo topliva v legkovodny'x reaktorax [Promising Technologies for the Use of Uranium-Gadolinium Oxide Fuel in Light-Water Reactors]. Materialy' XIV seminara po problemam fiziki reaktorov [Proceedings of the XIV Seminar on Reactor Physics]. Moscow: MEPhI. 2006. P. 45-47 (in Russian).
[6] Balestieri D. A STUDY OF UO2/Gd2O3 CJMPOSITE FUEL. IAEA-TECDOC-1036. Vienna (Austria).1998. P. 63-72.
[7] Ermolin V.S., Orunev V.S. O razmeshhenii gadoliniya v central'nom otverstii tve'lov vodovodyany'x reaktorov [Placement of Gadolinium in the Central Opening of Water-Water Reactor Fuel Rods]. Fiziko-texnicheskie problemy' yadernoj e'nergeti [Physical and Technical Problems of Nuclear Power Engineering]. Nauchnaya sessiya MIFI [Scientific Session of MEPhI]. 2008. P. 101-102 (in Russian).
[8] Bergelson B., Belonog V., Gerasimov A. et al. Glubina vy'goraniya yadernogo topliva VVE'R s razny'mi poglotitelyami [Depth of Burn-Up of VVER Nuclear Fuel with Different Absorbers].
Atomnaya e'nergiya [Atomic Energy]. V. 109 Vol. 4 October 2010. P. 240-245 (in Russian).
[9] Abdelghafar Galahom A. Issledovanie vozmozhnosti ispolzovaniya splava evropiya i Pireksa v kachestve szhigaemogo poglotitelya v PWR [Study of Possibility of Europium and Pyrex Alloy Using as Burnable Absorber in PWR]. Annaly' yadernoj e'nergii [Annals of Nuclear Energy]. Volume 110. December 2017. P. 1127-1133 (in Russian).
[10] Andrushenko S. A., Afrov A. M., Vasil'ev B. Yu., Generalov V. N., Kosourov, K. B., Yu. M. Semchenkov, V. F. Ukraintsev NPP. IEC c reaktorm tepa VVER-1000 [NPP with the Reactor WWER-1000]. Moscow: Logo, 2010. ISBN 978-5-98704-4 (in Russian).
[11] Rules of Nuclear Safety of Nuclear Power Plants. URL: https://www.seogan.ru/np-082-07-pravila-yadernoiy-bezopasnosti-reaktornix-ustanovok-atomnix-stanciiy.html. (Accessed 16.4.2019). (in Russian).
[12] Varley F. Sears. Neutron Scattering Lengths and Cross Sections. Neutron News, Vol. 3, No. 3, 1992, pp. 26-37. Published online: 19 Aug 2006.
[13] Leppanen J. SERPENT - a Continuous-Energy Monte Carlo Reactor Physics Burnup Calculation. Code. VTT Technical Research Centre of Finland. (June 18, 2015).
[14] 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), P. 2887-2996, 10.1016/j.nds.2011.11.002.
Decrease the Volume of Boric Regulation of the Reactivity when Using the Burnable Absorber on the Basis of (GD2O3) in the Fuel Reactor WWER-1200
M.A. Abu Sondos1, V.M. Demin2, V.I. Savander3
Institute of Nuclear Physics and Technology (INP&T), National Research Nuclear University «MEPhI»,
Kashirskoye shosse, 31, Moscow, Russia 115409 'ORCID iD: 0000-0003-3954-151X Wos Researher ID: Abu Sondos Mahmoud Abdelrahman e-mail: [email protected] 2ORCID iD: 0000-0003-3894-9396 Wos Researher ID: Demin Victor Makcemovich e-mail: [email protected] 3 ORCID iD: 0000-0001-9309-5616 Wos Researher ID: Savander Vladimer Igorovech e-mail: [email protected]
Abstract - The paper considers various schemes of placement of the burnable absorbers (BAs) in the system of compensation of excess reactivity in the reactor of WWER type at the extended campaigns for the purpose of decrease in the maximum concentration of the boron absorber. On the basis of the variant optimization the influence of the method of placing the burnable absorber in the fuel rods (homogeneous and heterogeneous) and the amount of the placed burnable absorbers in them on the maximum value of the reactivity reserve compensated by the boron control system are analyzed.
Keywords: Burnable absorber (BAs), homogeneous (HBA) and heterogeneous (NHBA) burnable absorber, Serpent, VVER, fuel assemblies (FA), poly-cell, the maximum concentration of boric acid, the liquid system of regulation, excess reactivity, neutron multiplication factor (K®).
