ВЛИЯНИЕ ВЫГОРАЮЩИХ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ (Gd И Eu) НА НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВС РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000

Рассматривается задача об использовании выгорающих поглотителей (ВП) в реакторах типа ВВЭР для снижения объема «жидкостного» регулирования избыточного запаса реактивности на выгорание топлива. В качестве таковых рассматриваются природный гадолиний и европий в форме Gd2O3 и Eu2O3, размещенные в интегрированном виде с урановым топливом в твэлах. Соотношение твэлов с ВП и обычных топливных твэлов принято 1:6. Рассматривались варианты как гомогенного размещения ВП, так и гетерогенного, в том числе и для смешанного использования этих ВП. Показано сильное влияние состава ВП и их расположения в твэлах на зависимость коэффициента размножения от выгорания топлива.

ВЛИЯНИЕ ВЫГОРАЮЩИХ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ (Gd И Eu) НА НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВС РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000

УДК: 621.039

ГРНТИ 44.33.29

Демин Виктор Максимович

кандидат физико-математических наук, доцент

Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ

Заведующий кафедрой «Радиационная физика и безопасность атомных технологий»

г. Москва, Россия

E-mail: VMDemin@mephi.ru

Савандер Владимир Игоревич

кандидат физико-математических наук, доцент

Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ

кафедра «Радиационная физика и безопасность атомных технологий»

г. Москва, Россия

E-mail: VISavander@mephi.ru

Абу Сондос Махмуд Абдель Рахман Саламэх

аспирант

Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ

кафедра «Радиационная физика и безопасность атомных технологий»

г. Москва, Россия

E-mail: MAbusondos@mephi.ru.

THE EFFECT OF BURNABLE ABSORBERS (Gd AND Eu) ON THE NEUTRON-PHYSICAL CHARACTERISTICS OF FUEL ASSEMBLIES OF VVER-1000 REACTORS

Demin Viktor Maksimovich

Candidate of physical and mathematical Sciences

National Research Nuclear University MEPhI

Head of Department and associate Professor of the Department

«Radiation physics and safety of nuclear technologies»

Moscow, Russia

E-mail: VMDemin@mephi.ru

Savander Vladimir Igorevich

Candidate of physical and mathematical Sciences

National Research Nuclear University MEPhI

associate Professor of the Department

«Radiation physics and safety of nuclear technologies»

Moscow, Russia

E-mail: VISavander@mephi.ru

Abu Sondos Mahmoud Abdel Rahman Salameh

Post-graduate student

National Research Nuclear University MEPhI

of the Department «Radiation physics and safety of atomic technologies»

Moscow, Russia

Email: MAbusondos@mephi.ru.

ID ORCID: 0000-0003-3954-151X

АННОТАЦИЯ

Рассматривается задача об использовании выгорающих поглотителей (ВП) в реакторах типа ВВЭР для снижения объема «жидкостного» регулирования избыточного запаса реактивности на выгорание топлива. В качестве таковых рассматриваются природный гадолиний и европий в форме Gd2O3 и Eu2O3, размещенные в интегрированном виде с урановым топливом в твэлах. Соотношение твэлов с ВП и обычных топливных твэлов принято 1:6. Рассматривались варианты как гомогенного размещения ВП, так и гетерогенного, в том числе и для смешанного использования этих ВП. Показано сильное влияние состава ВП и их расположения в твэлах на зависимость коэффициента размножения от выгорания топлива.

ABSTRACT

The problem of the use of burnable absorbers (BAs) in VVER-type reactors is considered to reduce the volume of «liquid» regulation of excess reactivity margin for fuel burnup. As such, natural gadolinium and europium are considered in the form of Gd2O3 and Eu2O3, placed in integrated form with uranium fuel in fuel rods. The ratio of fuel rods with BAs and conventional fuel elements is 1:6. Variants of both the homogeneous location of the BAs and heterogeneous, including for the mixed use of these BAs were considered. The strong influence of the BAs composition and their location in the fuel elements on the dependence of the multiplication factor on fuel burnup is shown.

Ключевые слова: ТВЭГ, SERPENT, TBC, ВВЭР-1000, выгорающий поглотитель, Eu2O3, Gd2O3, Коэффициент неравномерности распределения энерговыделения

Key words: FAG, SERPENT, FA, VVER-1200, burnable absorbers, Eu2O3, Gd2O3, The coefficient of uneven distribution of energy release

Основным типом реакторов, которые эксплуатируются и сооружаются в настоящее время, являются реакторы водо-водяного типа, такие, как, например, ВВЭР и PWR. Подобные реакторы планируется использовать и в дальнейшем при строительстве АЭС в разных странах вне зависимости от специфики национальных планов развития ядерной энергетики.

Одной из главных целей совершенствования этого типа реакторов при работе в открытом топливном цикле является увеличение глубины выгорания топлива. Обычно оно достигается путем повышения начального обогащения и применения частичных перегрузок. Для компенсации избыточной реактивности используется «жидкостная» система, основанная на добавлении в теплоноситель борного поглотителя и, кроме того, выгорающие поглотители различных типов.

Выгорающие поглотители представляют собой материалы с высоким сечением поглощения нейтронов, которые в результате радиационного захвата преобразуются в изотопы с относительно низким сечением поглощения нейтронов. Отрицательная реактивность выгорающего поглотителя вследствие уменьшения его концентрации снижается в течение кампании реактора. В идеальном случае она должна снижаться с той же скоростью, как и снижение запаса реактивности при выгорании топлива.

В качестве выгорающего поглотителя в реакторных установках типа ВВЭР (PWR) и (BWR) применяется гадолиний Gd2O3 и европий Eu2O3.

Изотопный состав природного гадолиния и европия и сечения поглощения тепловых нейтронов при энергии 0,0253 эВ их отдельных изотопов вместе с основными изотопами урана приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Природный изотопный состав ВП и сечения поглощения тепловых нейтронов [6].

Изотопы Массовая доля, % σ, б
152Gd 0,2 735
154Gd 2,1 85
155Gd 14,8 61100
156Gd 20,6 1,5
157Gd 15,65 259000
158Gd 24,8 2,2
160Gd 21,8 0,77
151Eu 47,77 9100
153Eu 52,23 312
235U 0,72 680
238U 99,275 2,68

Выгорающий поглотитель используют для:

  • компенсации запаса реактивности на выгорание топлива;
  • выравнивания энерговыделения по активной зоне;
  • снижение концентрации бора в теплоносителе в начале кампании, что важно для безопасности [11].

Обычно гадолиний и европий размещаются в небольшом числе твэлов («твэгах и твэях»), но с относительно большой концентрацией поглотителя, чтобы снизить скорость его выгорания и удлинить по времени диапазон его влияния на реактивность. В самих твэгах выгорающий поглотитель размещают гомогенно по топливной таблетке. Топливные таблетки, содержащие однородную смесь Gd2O3 или Eu2O3– UO2 (твердый раствор Gd2O3 или Eu2O3 в UO2) позволяют в течение длительного промежутка временно компенсировать избыточную реактивность.

Дальнейшее развитие технологий водо-водяных реакторов направлено на применение различных выгорающих поглотителей и оптимизацию их размещения в твэлах активной зоне с целью замещения «жидкостной» системы компенсации избыточной реактивности. Однако гомогенное распределение выгорающего поглотителя в топливе приводит к снижению величины коэффициента теплопроводности твэгов и температуры плавления топлива. Кроме того, наличие сильных поглотителей в твэлах повышает коэффициент неравномерности энерговыделения по ТВС. В работах [1- 5] анализируют различные аспекты применения ВП: возможность использования гранулированного Gd2O3 в UO2-матрице, что практически не ухудшает теплопроводность топлива и позволяет снизить скорость выгорания гадолиния, размещения проволоки из Gd2O3 в центральном отверстии твэлов, влияние Gd2O3 и Eu2O3 на характеристики ядерного топлива реактора PWR.

В настоящей работе проведено исследование нескольких вариантов размещения выгорающих поглотителей в топливе (В17), как для гомогенного, так и для гетерогенного случаев, представленных в таблице 2. Расчеты проводились при стандартных параметрах ТВС (ТВС-А) (439GT) и ТВЭЛов ВВЭР-1000, представленных в таблице 3 и на рисунках 1-2.

Таблица 2

Количество твэгов в ТВС.

Вариант Количество и топливо твэлов
В1 312 — 4,4% (235U)
В2 270 — 4,4% (235U) и 42 — 4,4% (235U) с 1,5% Gd2O3
В3 270 — 4,4% (235U) и 42 — 4,4% (235U) с 1,5% Eu2O3
В4 270 — 4,4% (235U) и 42 — 4,4% (235U) c 0,75% Gd2O3 и 0,75 % Eu2O3
В5 270 — 4,4% (235U) и 42 — 4,4% (235U) с 1,5% Gd2O3 в центральном отверстии твэлов
В6 270 — 4,4% (235U) и 42 — 4,4% (235U) с 1,5% Eu2O3 между оболочками и топливным
В7 270 — 4,4% (235U) и 42 — 4,4% (235U) с 0,75% Gd2O3 в центральном отверстии твэлов и 0,75 % Eu2O3 между оболочками и топливным

Таблица 3.

Основные геометрические параметры ТВС-A.

параметр ТВС-A (439GT)
Длина топливного элемента, мм 3530
Масса UO2 , кг 497,98
Плотность топлива (г/см3) 10,4
Плотность воды (г/см3) 0,72
Количество тепловыделяющих элементов в одной ТВС – 312
Обогащение (мас. %) 4,4 %
Внутренний/Наружный диаметр топливной таблетки, мм 1,4/7,57
Внутренний/Наружный диаметр оболочки, мм 7,73/9,1
Материал оболочки alloy Э110
Центральная трубка
Внутренний/Наружный диаметр, мм 11,0/13,0
Материал alloy Э635
Направляющая трубка (18 шт.)
Внутренний/Наружный диаметр, мм 10,9/12,6
Материал alloy Э635
C:\Users\Mike Hunter\Desktop\uandgd\geometry pins\pinU_geom1.png C:\Users\Mike Hunter\Desktop\42x15\UGd42_geom1.png
Рис.1. Геометрия сборок ТВС-А (В2— В7). Рис.2 Геометри ТВЭЛ в ТВС-А

Плотность топлива для вариантов В1, В2, В3 и В4 принималось равной — 10,4; 10,35; 10,32 и 10,34 г/см3 соответственно.

Цель исследования – Расчетный анализ влияния гетерогенного расположения Gd и Eu в твэгах и твеях, включая и смешанное размещение этих выгорающих поглотителей в топливе, на снижение объема «жидкостного» регулирования запаса реактивности путем влияния на зависимость коэффициента размножения ТВС в процессе выгорания топлива. Характер зависимости коэффициента размножения ТВС от выгорания топлива определяется главным образом тремя факторами. Это величина среднего сечения поглощения выгорающего поглотителя, количество поглотителя в твэгах и твэях и соотношением количества твэлов на один твэг (твэй). Чем выше усредненное по спектру сечение поглощения поглотителя, тем меньше должно быть твэлов с ВП.

Результаты — Все расчеты были выполнены с использованием бета-версии 2.1.29 кода SERPENT 2 [7], основанного на решении уравнения переноса нейтронов методом Монте-Карло, для сборки ТВС-А типа 439GT [8]. Основное внимание уделено анализу зависимости коэффициента размножения нейтронов Kот выгорания и распределения поля энерговыделения для выбранной ТВС.

Среднюю линейная мощность твэла была принята равной 166 вт/см [10], статистику расчетов – 2 000 000. Выгорания рассчитывались для 74 шагов с диапазоном 0,0; 0,085; 0,255; 22 0,5; 0,66 и 48 1,0 Мвт сут/кгТМ. Ядерные данные были получены из библиотеки ядерных констант ENDFB7 [9].

Коэффициенты размножения нейтронов. На рисунке 3 представлены коэффициенты размножения нейтронов К в зависимости от выгорания для всех рассмотренных вариантов.

Рис.3. Коэффициент размножения нейтронов К в зависимости от выгорания.

Вариант В1, в котором отсутствует ВП, выбран в качестве эталонного для сопоставления с остальными, поскольку в этом варианте предполагается полностью жидкостное регулирование запаса реактивности. Выбранное соотношение твэлов и твэев отвечает наиболее оптимальному для применения в качестве ВП природного европия. В Российских реакторах в основном применяется гадолиний. Варианты В2 и В3 отвечают гомогенному расположению выгорающих поглотителей в топливной таблетке. Для выбранной концентрации гадолиния эффект блокировки потока нейтронов в блоке с ВП невелик. Поэтому начальное значение K=1.098, но затем за счет большой скорости выгорания изотопов гадолиния (рис. 4а) образуется выбег реактивности до значения K=1.27. Для варианта с использованием европия, скорость выгорания его изотопов существенно меньше, чем для гадолиния, что приводит к наличию в зависимости коэффициента размножения от выгорания области примерно постоянного значения K. Этот вариант может привести к существенному снижению доли жидкостного регулирования запаса реактивности.

Вариант В4 соответствует случаю гомогенного размещения обоих ВП в одном твэле, причем общее содержание каждого ВП уменьшено в два раза. Поскольку гадолиний более сильный поглотитель, то в начале кампании он быстрее выгорает, что приводит к выбегу реактивности, а роль европия сводится к ограничению величины выбега по отношению к варианту В2.

Варианты В5 и В6 отвечают гетерогенному размещение ВП, причем гадолиний размещается в центральной части твэла, а европий, в зазоре между таблеткой и оболочкой. Количество ВП в твэле такое же, как и для гомогенного случая. Поскольку весь гадолиний размещен в малом объеме, то появляется сильная блокировка потока нейтронов в области гадолиния, что изменяет характер зависимости Кот выгорания (рис 4а). В этом случае начальный К=1.32, что существенно выше, чем для гомогенного случая. Этот вариант обеспечивает меньшее снижение объема жидкостного регулирования. Вариант с гетерогенным размещением европия полностью совпал с вариантом его гомогенного размещения в твэле.

При совместном гетерогенном размещении обоих ВП в одном твэле, в таком же количестве, как и для гомогенного совместного размещения, так же обеспечивается примерное постоянство К в начале кампании, но с большим значением самой величины, чем для варианта В3, и с последующим его спадом и приближении к эталонной зависимости В1

Рис.4а. Масса 155Gd и 157Gd в зависимости от выгорания в вариантах В2 , В4, В5 и В7. Рис.4б. Масса 151Eu и 153Eu в зависимости от выгорания в вариантах В3, В4, В6 и В7.

Распределение энерговыделения по твэлам в ТВС. Пространственное (потвэльное) распределение энерговыделения и общий коэффициент неравно мерности по ТВС в зависимости от выгорания представлен в Табле Таблице 4.

Таблица 4.

Коэффициент неравномерности распределения энерговыделения

Глубина Выгорания

(Мвт⸱сут/кгТМ)

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
0,0 1,0692 1,2494 1,2003 1,2503 1,1047 1,1761 1,1622
9,84 1,0681 1,0782 1,1454 1,1047 1,0887 1,1386 1,1038
20 1,0737 1,0705 1,1071 1,0923 1,0727 1,1078 1,0828
30 1,0646 1,0646 1,1052 1,0806 1,0670 1,1007 1,0873
40 1,0612 1,0666 1,0938 1,0867 1,0614 1,0902 1,0802
50 1,0622 1,0737 1,0701 1,0717 1,0609 1,0796 1,0721
60 1,0643 1,0632 1,0751 1,0670 1,0632 1,0742 1,0658

Следует отметить существенное возрастание коэффициента неравномерности энерговыделения по ТВС в случае применения ВП, особенно вначале каждой кампании. Естественно, что для гадолиния степень депресси потока нейтронов в твэлах, расположенных вблизи твэгов, больше, чем для твэлов вблизи твэев. Поэтому и коэффициент неравномерности для вароиантов с европием ниже, чем с гадолинием. Однако по мере выгорания поглотителя коэффициент неравномерности снижается, приближаясь к значению для эталонного варианта. Крме того, для вариантов с гетерогенным распределением ВП по твэлу, степень неравномерности энерговыдения снижается.

Выводы. Использование ВП в ядерном топливе приводит как к положительным, так и к отрицательным эффектам. Эти эффекты зависят от вида используемого выгорающего поглотителя, концентрации ВП в топливе и количества ячеек, содержащих ВП. В настоящей работе проведено сравнение влияния выгорающих поглотителей для вариантов их использования, представленных в таблице 3.

Для выбранного варианта соотношения твэлов и твэгов (1:6) использование гадолиния вгомогенном исполнении приводит к большому «выбегу» реактивности и снижении доли борного регулирования невелико. В то же время, при таком же соотношении твэев и твэлов, использование европия приводит к существенному снижению запаса реактивности на выгорание. Но, учитывая неполное выгорание европия в силу относительно невысокого сечения поглощения, этот вариант может привести к уменьшению выгорания по сравнению с чисто борным регулированием. Однако совместное использование Gd и Eu с разными вариантами их размещения в ТВЭЛ (В4 и В7), будет приводить к меньшему снижению запаса реактивности по сравнению с вариантом однородного размещения европия, но с меньшей потерей в выгорании топлива.

Сравнение проведенных вариантов расчета показывает, что наилучшими характеристиками и условиями обеспечения безопасности работы реактора обладают варианты совместного использования выгорающих поглотителей, причем размещение Gd в центральное отверстие ТВЭЛ дает дополнительные преимущества. Величина К остается в критическом состоянии до выгорании 27 Мвт⸱сут/кгU, что потребует меньшего количества бора при эксплутации реактора во время кампании и сокращения экономических расходов. Использование Gd в центральном отверстии ТВЭЛ стабилизирует изменение коэффициента размножения нейтронов в начале кампании.

Устойчивость K обеспечивает дополнительные пределы ядерной безопасности во время работы, исключая начало кампании; первый цикл топлива в реакторе не требует изменения концентрации борной кислоты или стержня для вставки или извлечения, чтобы сохранить состояние критичности топлива, и это уменьшит экономические издержки. И используя 72 топливных элемента с BAs в FA и с 1,5% Gd топлива в центральном отверстии ТВЭЛ и Eu 0,15% топлива. Мы получаем большую стабильность в значениях K до 16 МВт · день / кгU, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Коэффициент размножения нейтронов К в зависимости от выгорания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Стогов Ю.В., Белоусов Н.И., Савандер В.И. и др. Перспективные технологии использования оксидного уран-гадолиниевого топлива в легководных реакторах / Материалы XIV семинара по проблемам физики реакторов. М.: МИФИ. 2006. С.45-47.

2. Balestieri D. A Study of the UO2/Gd2O3 Composite Fuel // IAEA-TECDOC-1036. Vienna (Austria). 1998. P. 63-72.

3. Ермолин В.С., Окунев В.С. О размещении гадолиния в центральном отверстии ТВЭЛОВ водо-водяных реакторов. М.: МИФИ, Научная сессия МИФИ-2008. т. 1, стр. 101-102.

4. Бергельсон Б.Р., Белоног В.В., Герасимов А.С. и др. Глубина выгорания ядерного топлива ВВЭР с разными поглотителями. Атомная\ энергия, т. 109, вып. 4, октябрь 2010, стр. 194-197.

5. Abdelghafar Galahom A. Study of the possibility of using Europium and Pyrex alloy as burnable absorber in PWR. Annals of Nuclear Energy, Volume 110, December 2017, Pages 1127-1133.

6. The Special Feature section of neutron scattering lengths and cross sections of the elements and their isotopes in Neutron News, Vol. 3, No. 3, 1992, pp. 29-37.(https: //www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/list. html).

7. Leppänen J. The Serpent Monte Carlo code: Status, development and applications in 2013. Ann. Nucl. Energy, 82 (2015), 142-150.

8. Ondrej Novak, Ondrej Chvala, Nicholas P. и др. “VVER 1000 Khmelnitskiy benchmark analysis calculated by Serpent2”. Annals of Nuclear Energy 110 (2017) 948–957.

9. 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), pp. 2887-2996.

10. Ядерное топливо для реакторов ВВЭР. URL: http://www. tvel. ru/wps/wcm/connect/tvel/tvelsite/resources/9a8c448042df8fd7a492b7b2cb3f9f43/NuclearFuel_RUS_2017.pdf. (Дата обращения 21.01.2018).

11. Burnable Absorbers – Burnable Poisons. URL: ttps: //www.nuclear-power.net /nuclear-power-plant/nuclear- fuel/burnable-absorbers-burnable-poisons/. (Дата обращения 21.01.2018).

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *