Замыкание топливного цикла - одна из основных задач, поставленных перед китайскими атомщиками. Об этом было сказано на завершившейся недавно в Китае крупной конференции, посвящённой вопросам развития атомной энергетики (прошла в дистанционном формате).
Магистральным реакторным направлением в китайском ЗЯТЦ остаются быстрые натриевые аппараты. Однако и ТЖМТ-направление в Китае не списывают со счетов, хотя отводят ему (пока?) место в малой энергетике.
В 2020 году группа авторов из корпорации CNNC и китайских университетов опубликовала в журнале "Energies" статью с описанием концептуального проекта реактора SPARK-NC - малого, на естественной циркуляции, с теплоносителем свинец-висмут, работающего в режиме слежения за нагрузкой аппарата.
Номинальная электрическая мощность реактора SPARK-NC составляет 10 МВт(э). В манёвренном режиме мощность может меняться в пределах 5-10 МВт(э).
Длина кампании - 8 эффективных лет. Топливо - диоксид урана UO2. Максимальное обогащение - 19,75%, что обеспечивает компактность активной зоны при сохранении возможностей для экспорта.
Материал оболочек твэлов - нержавеющая сталь T91, обладающая высокой стойкостью к коррозии при работе в свинцово-висмутовом теплоносителе. Проектные максимальные значения температуры оболочек - 500°C в стационарном состоянии и 650°C в переходных режимах.
Входная температура теплоносителя - 330°C. Проектная максимальная температура в центре топлива - 2000°C.
Максимальная скорость теплоносителя в активной зоне составляет 1 м/с, что позволяет не допускать эрозии конструкционных материалов.
Активная зона реактора SPARK-NC собирается из восьми типов кассет. В том числе, три типа ТВС (отличаются обогащением, шагом расстановки твэлов, диаметром твэла), два типа регулирующих сборок, по одному типу - сборки аварийной защиты, отражатель и биологическая защита.
Кассеты расставлены по треугольной решётке, шаг расстановки достаточно большой для обеспечения естественной циркуляции. В верхней части кассет имеется газовый объём для сбора газообразных продуктов деления.
Система управления и защиты разделена на две независимые системы - система регулирования (управления) и система аварийной защиты. Первая система разбита на две подсистемы - подсистема контроля реактивности и выравнивания поля энерговыделения и подсистема управления мощностью (веса стержней меньше, чем у первой подсистемы).
В конструкции кассет аварийной защиты предусмотрено наличие балласта из вольфрама с покрытием из B4C. Такое решение обеспечивает надёжность ввода стержней с поглотителями в свинцово-висмутовую зону при срабатывании АЗ.
Для нейтронно-физических расчётов реактора SPARK-NC использовался код SARAX, разработанный в Китае - он позволяет вычислять основные параметры, включая выгорание нуклидов и параметры кинетики. Константы брались из файла ENDF/B-VII.0.
Для теплогидравлических и динамических расчётов использовались входящие в состав SARAX коды LAVENDER и DAISY.
Результаты расчётов kэфф (без учёта контроля реактивности движением регулирующих стержней!) показаны на графике ниже. Видно, что активная зона обладает достаточным запасом реактивности для работы на протяжении 8 эффективных лет.
Потеря реактивности с выгоранием составляет за кампанию примерно 2%. Максимальная глубина выгорания - 27,9 ГВт×сут/т. За кампанию выгорит примерно 107,5 урана-235 и 63 кг урана-238 и накопится 51,5 кг плутония-239.
Авторский коллектив, работающий над концептуальным проектом SPARK-NC, намерен в дальнейшем выполнить оценки механических характеристик и целостности твэлов и конструкционных материалов при работе в режиме слежения за мощностью.
Кроме того, к изучению запланированы долговременные эффекты коррозии оболочек и конструкционных материалов в условиях высоких температур и облучения.