8 ноября 2010

Оптимизация размещения органов СУЗ в исследовательском реакторе на быстрых нейтронах

Электронное издание AtomInfo.Ru предлагает вниманию читателей доклад, представленный на семинаре "Нейтроника XXI" (Обнинск, 26-28 октября 2010 года). Автор доклада - Игорь Юрьевич ЖЕМКОВ (НИИАР).

Редакция не в полной мере согласна с выводами, сделанных автором, однако полагает полезным привлечь внимание "быстрого" сообщества к точке зрения специалиста-практика.

Статья публикуется с любезного разрешения автора и с незначительными сокращениями.

 

Размещение органов СУЗ в РБН

Размещение органов СУЗ в ядерном реакторе оказывает существенное влияние на его характеристики и поэтому должно отвечать основным целям и задачам реактора. Традиционно при размещении органов СУЗ в активной зоне (а.з.) реактора на быстрых нейтронах (РБН) выполняются следующие основные требования [1]:

1) для увеличения эффективности органов и уменьшения потерь в воспроизводстве ядерного топлива органы СУЗ следует располагать ближе к центру а.з.;

2) для обеспечения лучшего радиального выравнивания поля энерговыделения в а.з. органы СУЗ должны располагаться симметрично в центральной части а.з.;

3) для обеспечения размещения приводов органов СУЗ на крышке РБН нельзя помещать их в соседние или близко расположенные ячейки;

4) отсутствие значительной отрицательной интерференции, т.е. эффективность каждого органа не должна существенно уменьшаться с введением в а.з. остальных органов СУЗ, следовательно, они должны быть удалены друг от друга на достаточное расстояние.

В результате, стремление удовлетворить всем этим требованиям приводит к равномерному и симметричному размещению органов СУЗ в пределах а.з., а часто и в центральной части а.з. РБН [2, 3].

Фактически так расположены органы СУЗ во всех энергетических (см. Рис.1, 2) и исследовательских (см. Рис.3, 4) РБН. Однако цели и задачи, стоящие перед энергетическими и исследовательскими РБН, принципиально отличаются.

Рис.1. Картограмма загрузки реактора БН-350.
Все органы СУЗ размещены в центре а.з.

Рис.2. Картограмма загрузки реактора БН-600.
Все органы СУЗ размещены в центральной области а.з. - зоне малого обогащения.

 

 

Исследовательский реактор - это ядерный реактор для проведения фундаментальных и прикладных исследований. Он является источником нейтронов и гамма-излучения для облучения материалов и ядерного топлива. Таким образом, основное назначение исследовательского РБН - это проведение экспериментальных исследований (ЭИ), т.е. его ценность определяется доступными объёмами, потоками и спектрами нейтронов.

Кроме того, наиболее востребованными и ценными являются ЭИ с контролем параметров облучения, которые проводятся в специальных экспериментальных каналах (ЭК).

Многолетний (40 лет) опыт эксплуатации и экспериментальных исследований, выполненных на реакторе БОР-60, показал, что наиболее ценными и соответственно востребованными являются ячейки а.з. и первого ряда бокового экрана, инструментованные ячейки и ячейки со специально созданными условиями облучения (например, с измененным спектром нейтронов).

Ячейки рядом со стержнями СУЗ, особенно с теми, которые расположены в а.з. во время работы реактора, практически не использовались для проведения ЭИ.

Таким образом, очевидно, что размещение органов СУЗ в центральной части а.з. исследовательского РБН не целесообразно. В этом случае наиболее ценная область РБН с высокой плотностью потока нейтронов (Fn) занимается органами СУЗ, которые вносят существенные искажения в пространственное распределение нейтронно-физических характеристик (НФХ). К тому же, вносимые возмущения изменяются во времени по мере извлечения органа СУЗ в процессе работы реактора.

Рядом с ячейками, занятыми органами СУЗ, невозможно разместить ЭК и проводить ЭИ, а также затрудненно проведение облучательных программ (наработка радиоизотопов, облучение конструкционных материалов и т.д.) из-за нестабильности Fn и существенной неравномерности НФХ.

В исследовательских РБН органы СУЗ для целей регулирования режима испытаний в экспериментальных устройствах, как правило, не используются.

Оптимизации размещения органов СУЗ в исследовательском РБН

При оптимизации размещения органов СУЗ в исследовательском РБН необходимо учитывать их влияние на НФХ реактора во время его работы на мощности:

1) стержни аварийной защиты (АЗ) и компенсации температурного и мощностного эффектов реактивности (КО) обычно извлечены из а.з., следовательно, практически не оказывают влияние на распределение НФХ;

2) компенсирующие стержни (КС) находятся в а.з. и постепенно, по мере выгорания топлива (потери запаса реактивности), извлекаются из а.з., следовательно, оказывают существенное влияние на распределение НФХ;

3) стержни автоматического регулирования (АР или РС) находятся в постоянном движении вблизи центральной плоскости а.з., следовательно, оказывают существенное влияние на распределение НФХ.

Следует отметить, что за годы эксплуатации в исследовательском РБН могут происходить существенные изменения:

- числа ТВС в а.з. и их конструкции;

- типа топлива, его обогащения и среднего выгорания;

- размеров и состава а.з. и бокового экрана, числа экспериментальных и нетопливных сборок в реакторе;

- конструкции поглощающей части органов СУЗ и типа поглотителя.

Однако расположение органов СУЗ в реакторе изменить практически не возможно. Поэтому оптимальному размещению органов СУЗ на стадии проектирования исследовательского РБН необходимо уделять особое внимание.

На основе вышесказанного предлагается следующий способ размещения органов СУЗ в исследовательском РБН, который в наибольшей степени отвечает целям исследовательских реакторов.

1) Органы АЗ, как наиболее ответственные за безопасность реактора, размещаются симметрично в центральной части а.з. В результате их эффективность(Δρ, %Δk/k) получается высокой, а число органов АЗ может быть небольшим.

Стержни АЗ во время работы реактора извлечены из а.з., поэтому не оказывают заметного влияния на НФХ, особенно в случае, если хвостовиком стержня служит топливная часть ТВС. В центральной части а.з. могут быть размещены и КО, которые во время работы реактора также извлечены из а.з.

2) Органы АР (РС) и КС, которые во время работы РБН находятся в а.з. и перемещаются, располагаются на периферии а.з.

Необходимый вес (Δρ) стержней может быть достигнут за счёт увеличения их числа (на периферии а.з. обеспечить легче) и увеличения массы поглотителя в стержне (увеличение обогащения, доли поглотителя, его плотности).

В результате такого размещения органов СУЗ в исследовательском РБН:

- большая часть а.з. будет доступна для проведения ЭИ;

- ЭК можно будет расположить в центральной части а.з.;

- отсутствие поглотителей в центральной части а.з. обеспечит более высокие значения Fn;

- обеспечивается стабильность поля нейтронов во время работы реактора, а также меньшая аксиальная неравномерность распределения НФХ.

Следует отметить, что в современных РБН для обслуживания зоны реактора (наведение на нужную ячейку, перемещение сборок) применяются две поворотные пробки - малая (МПП) и большая (БПП).

В случае размещения органов СУЗ в центральной части а.з. все приводы органов СУЗ проходят через МПП. В результате такого размещения различные группы органов СУЗ (АЗ, АР, КС) нельзя считать полностью независимыми, так как их работоспособность зависит от работоспособности МПП.

В предлагаемом способе размещения органов СУЗ часть из них может быть размещена в МПП (АЗ, КО), а другая часть в БПП (КС, АР), что обеспечивает дополнительную независимость функционирования органов СУЗ.

Таким образом, предложенный способ размещения органов СУЗ в исследовательском РБН позволит расширить экспериментальные возможности, улучшить параметры реактора (Fn, стабильность НФХ) и повысить надежность СУЗ.

Следует отметить, что в некоторых первых исследовательских РБН часть органов СУЗ размещалась за пределами а.з. и даже за корпусом реактора [2, 3]. Так в реакторе DFR все органы СУЗ были размещены на периферии а.з., а приводы органов располагались снаружи МПП. В БР-5 компенсирующие органы располагались за корпусом реактора.

Однако в этом случае невозможно обеспечить высокую эффективность органов СУЗ и такое их размещение возможно только в РБН с малыми размерами корпуса, т.е. в реакторах с большой утечкой нейтронов.

Далее приведены примеры оптимизации размещения органов СУЗ в реакторах БОР-60 и CEFR. Расчеты НФХ реактора БОР-60 выполнены по комплексам программ TRIGEX и КАР [4, 5].

Следует отметить, что в реакторе БОР-60 предлагаемые изменения размещения органов СУЗ реализовать на практике уже не возможно, а в реакторе CEFR еще вполне осуществимо.

Реактор БОР-60

Изначально реактор БОР-60 проектировался как опытный реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. Однако уже через несколько лет эксплуатации он фактически стал исследовательским реактором, на котором проводится большой объём фундаментальных и прикладных исследований, массовые испытания конструкционных материалов и ядерного топлива, а также наработка радиоизотопов.

Размещение в центральной ячейке реактора БОР-60 органа КС (см. Рис.3) привело к тому, что семь центральных ячеек с наиболее высокой Fn стали практически не пригодны для проведения ЭИ. Эксплуатация реактора в течение 40 лет показала, что ячейки вокруг центрального КС практически не использовались для ЭИ.

Вариант оптимизации размещения органов СУЗ в а.з. реактора БОР-60 приведен на Рис.5.

 

Замена одного центрального КС на два КС, расположенных на периферии а.з., а также симметричное размещение органов СУЗ (двух АР, трех АЗ и одного КС, выполняющего роль КО) в реакторе позволили бы:

- увеличить Fn в центре а.з. (Рис.6, 7);

- повысить стабильность НФХ в центре а.з. во время работы реактора (см. Рис.6, 7);

- получить симметричное распределение НФХ по а.з.;

- повысить безопасность реактора за счет замены одного высокоэффективного КС (Δρ = 1,9-2,2 %Δk/k или 2,7-3,2 βэфф) на два КС такой же суммарной эффективности;

- переместить в центр а.з. инструментованную ячейку (в реакторе БОР-60 она размещена в 5-м ряду), что повысило бы в ней Fn, существенно уменьшило радиальную неравномерность распределения НФХ по ячейке (с 1,10 до 1,02 отн.ед.) и соответственно повысило бы её привлекательность для ЭИ.

Рис. 6. Радиальное распределение плотности потока нейтронов в центральной плоскости а.з.: МК - реальное состояние реактора, МК-опт. - оптимизировано размещение органов СУЗ.

 

Рис. 7. Аксиальное распределение плотности потока нейтронов в центре а.з. (1-й ряд ТВС).

Реактор CEFR

Китайский экспериментальный реактор на быстрых нейтронах (CEFR) c натриевым теплоносителем построен и готовится к пуску с помощью российских организаций и специалистов.

Реактор CEFR изначально проектировался как экспериментальный реактор, предназначенный для использования в качестве объекта исследований с целью получения данных по физике и технологии РБН. Поэтому органы СУЗ в реакторе CEFR были размещены как в энергетическом РБН.

В результате размещения трех КС в центре а.з. (см. Рис.4) практически вся центральная часть а.з. реактора (21 ячейка - 3 ячейки заняты КС и по 6 ячеек вокруг каждого из трех КС) мало пригодна для проведения ЭИ.

Поле нейтронов в центре а.з. и соответственно другие НФХ имеют существенные неравномерности, которые к тому же во время работы реактора изменяются. В ходе кампании перемещение КС из нижнего рабочего положения в верхнее приводит к изменению аксиального и радиального распределения НФХ в соседних ячейках.

Кроме того, два РС находятся на одной линии с двумя КС и все 4 органа (2 КС и 2 РС) расположены в левой половине картограммы реактора, что ведет к дополнительной неравномерности в распределении НФХ.

Замена мест размещения трех КС и трех АЗ (см. Рис.4) между собой могла бы существенно исправить отмеченные выше недостатки расположения органов СУЗ в CEFR. В результате центральная область а.з. была бы доступна для ЭИ, повысилась Fn в данной области и её стабильность, что увеличило бы экспериментальные и облучательные возможности реактора.

Заключение

Предложенный способ размещения органов СУЗ учитывает особенности и цели исследовательского РБН, позволяет повысить плотность потока нейтронов и его стабильность в наиболее ценной области активной зоны реактора, обеспечивает большую функциональную независимость органов СУЗ.

Следует отметить, что провести оптимизацию размещения органов СУЗ в уже действующих реакторах практически не возможно. Поэтому на стадии проектирования исследовательского РБН необходимо уделять повышенное внимание оптимизации размещения органов СУЗ.

Список литературы

[1] Усынин Г.Б., Карабасов А.С., Чирков В.А. Оптимизационные модели реакторов на быстрых нейтронах. - М.: Атомиздат, 1981. - 232 с.

[2] Уолтер А., Рейнольдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. 624 с.

[3] Fast reactor database 2006 update/ IAEA, Austria, Vienna, 2006 P.441.

[4] Серегин А.С., Кислицына Т.С., Цибуля А.М. Аннотация комплекса программ TRIGEX.04. - Обнинск, 2000. - 14с. Препринт, ФЭИ-2846.

[5] Жемков И.Ю. Комплекс автоматизированного расчета характеристик реакторов на быстрых нейтронах. Сб. научных трудов. Димитровград: ГНЦ НИИАР, 1996. Вып.4. С. 55-67.