Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ПРОФИЛИРОВАННЫМ ТОПЛИВОМ

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к конструкциям тепловыделяющих сборок (ТВС) канальных ядерных реакторов РБМК (реактор большой мощности канальный), использующих в своем составе ядерное топливо на основе двуокиси урана с выгорающим поглотителем в виде окиси эрбия.

Известна тепловыделяющая сборка канального реактора, содержащая тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) с топливом из диоксида обогащенного урана (Адамов Е.О. и др. Повышение безопасности АЭС с РБМК. - Атомная энергия, 1987, т.62, вып.4, с.219 [1]). Использование таких сборок в реакторе РБМК требует загрузки в активную зону дополнительных поглотителей (ДП) из карбида бора для обеспечения безопасной величины парового коэффициента реактивности α_φ (не более 1β). Для обогащения топлива 2,0-2,4 мас.% наличие в активной зоне ДП приводит к невысоким выгораниям топлива. При этом значителен расход урана и ТВС, велики затраты на хранение отработавшего топлива. Все это снижает экономичность РБМК и его конкурентоспособноеть по сравнению с другими источниками энергии, в том числе с водоводяными реакторами.

Известна тепловыделяющая сборка реактора РБМК, содержащая топливо из диоксида урана с повышенным обогащением (Емельянов И.Я., Жирнов А.Д., Пушкарев В.И., Сироткин А.П. Повышение эффективности использования урана в РБМК-1000. - Атомная энергия, 1979, т.46, вып.3, с.139-141 [2]. Повышение обогащения позволяет увеличить глубину выгорания топлива, уменьшить расход сборок и, тем самым, повысить экономичность реакторов РБМК. Однако из-за роста выгорания увеличивается неравномерность энерговыделения, что приводит к увеличению максимальной мощности ТВС и максимальной линейной нагрузки на ТВЭЛы, что снижает их надежность. Ограничения на максимальную мощность ТВС и максимальную линейную нагрузку не позволяют увеличить обогащение с целью повышения экономичности РБМК. Кроме того, для обеспечения безопасного значения α_φ в активной зоне сохраняются ДП, что также снижает экономичность.

В качестве наиболее близкого аналога выбрана тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные таблетками топлива из диоксида урана, обогащенного ураном-235, с добавлением оксида эрбия, причем обогащение урана составляет не менее 2,4%, а массовое содержание эрбия определяется по формуле:

Э=0,4 мас.%+0,5 (С_факт. - 0,2 С_вр. - 2,4) мас.%+К мас.%, где Э мас.% - массовая доля эрбия в ядерном топливе,

С_{факт.мас.%} - фактическая массовая доля U-235 в ядерном топливе, загружаемом в тепловыделяющие элементы при их изготовлении, С_{вр.мас.%} - массовая доля U-236 в ядерном топливе, загружаемом в тепловыделяющие элементы при их изготовлении, причем С_вр=0 при С_вр.<0,1 мас.%, К мас.%) - переменная величина, значение которой выбирают из интервала от -0,1 до +0,1, в частности, при обогащении 2,8% содержание эрбия составляет 0,6%, а при обогащении 3,0%, соответственно, 0,7% (RU 2176827 С2, опубл. 10.12.2001 [3]).

Использование данного соотношения между обогащением топлива ураном-235 и содержанием эрбия позволяет увеличить глубину выгорания путем увеличения обогащения при приемлемых значениях коэффициентов неравномерности энерговыделения и парового коэффициента реактивности, однако высокое обогащение (3%) приводит к недожиганию топлива в периферийных высотных слоях активной зоны (сверху и снизу) и, тем самым, к перерасходу обогащенного урана. Перерасходуется также эрбий, который в верхней и нижней частях ТВС слабо влияет на паровой коэффициент, но, тем не менее, уменьшает глубину выгорания топлива. При увеличении обогащения и содержания эрбия уменьшается подкритичность остановленного реактора.

Задачей изобретения является улучшение экономичности использования топлива в реакторах РБМК, а также повышение надежности и безопасности работы этих реакторов.

Задача решается тем, что тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора с профилированным топливом содержит тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), заполненные топливными таблетками из диоксида урана, обогащенного ураном-235, с добавлением оксида эрбия (Еr₂О₃), причем в верхних и нижних частях ТВС топливо имеет обогащение по урану-235 от 2,4 мас.% до 2,6 мас.% и содержит от 0,2 мас.% до 0,4 мас.% эрбия, а в центральных частях ТВС топливо имеет обогащение по урану-235 от 3,0 мас.% до 3,3 мас.% и содержит от 0,6 мас.% до 0,8 мас.% эрбия.

Наличие в верхней и нижней частях ТВС таблеток топлива, имеющего обогащение от 2,4 мас.% до 2,6 мас.% и содержащего от 0,2 мас.% до 0,4 мас.% эрбия, а в центральной части ТВС имеющего обогащение от 3,0 мас.% до 3,3 мас.% и содержащего от 0,5 мас.% до 0,8 мас.% эрбия, обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении выгорания топлива за счет увеличения начального обогащения топлива и уменьшения количества эрбия, снижении расхода топливных сборок на единицу выработанной энергии и сокращении объемов отработавшего топлива, снижении расхода урана за счет использования в верхней и нижней частях ТВС менее обогащенного (по сравнению с центральной частью) урана.

В частном варианте выполнения изобретения для уменьшения всплеска энерговыделения в центре активной зоны в каждом тепловыделяющем элементе размещено от 2 до 4 топливных таблеток, примыкающих к заглушкам в месте соединения верхнего и нижнего пучков ТВЭЛов, топливо которых имеет такое же обогащение и содержание эрбия, как в верхней и нижней частях ТВС (т.е. пониженное по сравнению с основной массой топлива).

В частном варианте выполнения изобретения для упрощения контроля размещения топлива разного обогащения по высоте ТВЭЛа таблетки из топлива с повышенным обогащением выполнены с центральным отверстием, а таблетки с пониженным обогащением - без отверстия.

Расчетные исследования показали, что длина топливного столба на каждом из концов каждого ТВЭЛа с пониженным обогащением и содержанием эрбия должна составлять 900-1100 мм.

Добавление эрбия в топливо позволяет значительно снизить паровой коэффициент реактивности в РБМК, т.к. изотоп ¹⁶⁷Еr имеет сильный резонанс при энергии нейтронов 0,47 эв. Чем больше эрбия в топливе, тем меньше паровой коэффициент реактивности и тем выше безопасность РБМК. Кроме того, эрбий является выгорающим поглотителем. Чем выше его начальная концентрация, тем меньше изменение коэффициента размножения и сечения деления по кампании и тем ровнее распределение энерговыделения в активной зоне.

Увеличение начального обогащения и одновременного повышения содержания эрбия позволяет повысить глубину выгорания топлива и при этом обеспечить непревышение допустимых значений максимальной мощности ТВС и максимальной линейной нагрузки на ТВЭЛы.

Однако повышение обогащения в верхнем и нижнем метрах активной зоны, где происходит существенный спад потока нейтронов при приближении к границам активной зоны, приводит к тому, что топливо здесь выгорает значительно слабее, чем в центре активной зоны. Кроме того, повышение обогащения здесь приводит к росту утечки нейтронов и, тем самым, дополнительно снижает выгорание топлива.

Наиболее существенное воздействие эрбия на паровой коэффициент реактивности также происходит в основном в центральной части активной зоны. На верхнем и нижнем метре ТВС, где воздействие эрбия на реактивность из-за уменьшенного потока нейтронов и малого изменения паросодержания минимально, можно существенно уменьшить содержание эрбия. При этом паровой коэффициент реактивности слабо изменится, глубина выгорания увеличится, а неравномерность энерговыделения по высоте уменьшится.

При обогащении в верхней и нижней частях ТВС ниже 2,4 мас.% растет неравномерность энерговыделения по высоте и снижается глубина выгорания. При обогащении выше 2,6 мас.% уменьшается эффект экономии топлива от профилирования. При содержании эрбия в верхней и нижней частях ниже 0,2 мас.% растет паровой коэффициент, при содержании эрбия выше 0,4 мас.% снижается выигрыш в выгорании от профилирования.

При обогащении ниже 3,0 мас.% в центральной части профилированное топливо не имеет преимущества по глубине выгорания по сравнению с существующим топливом. При обогащении выше 3,2 мас.% увеличивается неравномерность энерговыделения. При содержании эрбия в центральной части ниже 0,6 мас.% паровой коэффициент реактивности может превысить допустимый диапазон. При содержании эрбия выше 0,8 мас.% становятся ощутимыми потери в выгорании.

При одинаковом повышении обогащения по всей высоте активной зоны снижается подкритичность остановленного реактора. Это объясняется перераспределением потока нейтронов в верхнюю часть активной зоны при заглушении реактора. Чем выше начальное обогащение, тем больше недогорает топливо в верхней части и больше перекос нейтронного поля, что приводит к снижению подкритичности. В случае профилированного топлива подкритичность заметно выше, т.к. поле более выровнено по высоте и больший вклад в реактивность дают центральные слои активной зоны с более выгоревшим топливом. Использование профилирования позволяет при одинаковом среднем обогащении топлива получить повышенную глубину выгорания. По оценкам эффект экономии топлива может достигать 5-7%.

Из-за разрыва по топливу в месте соединения двух пучков ТВЭЛов и наличия в зазоре пароводяной смеси на торце топлива энерговыделение значительно выше, чем в более отдаленных от торца таблетках. Для топлива 3,0 мас.% всплеск энерговыделения во внешнем ряду ТВЭЛов составляет - 1,4. Размещение вблизи торцов ТВЭЛов таблеток с пониженным обогащением заметно снижает всплеск энерговыделения (до 1,2-1,25). С целью унификации желательно, чтобы экранные таблетки имели такой же состав, как таблетки вверху и внизу ТВС.

При использовании предлагаемого изобретения при загрузке в РБМК может быть повышена глубина выгорания топлива, снижен расход топливных сборок на подпитку реактора и объемы хранения отработавшего топлива, уменьшен паровой коэффициент реактивности и, тем самым, повышена экономичность и безопасность работы реактора.