Исследователи Инженерной школы ядерных технологий Томского политеха изучили, как влияет изменение наружного диаметра ТВЭЛ — тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащего само ядерное топливо — на теплофизические характеристики атомных станций малой мощности, при переходе на торий-урановое топливо. Используя математическое моделирование, ученые рассчитали длительность работы ядерного топлива и его глубину выгорания. Исследование показало, что торий-урановое топливо с увеличенным диаметром ТВЭЛ позволяет увеличить срок службы ядерного топлива на 75 %. В перспективе эти данные позволят модернизировать реакторы малой мощности для работы на труднодоступных отдаленных территориях.
Исследование проводилось при поддержке грантаexternal link, opens in a new tab Российского научного фонда № 22-29-00385. Результаты работы ученых опубликованыexternal link, opens in a new tab в журнале Annals of Nuclear Energy (Q1; IF:1,81).
Ученые Томского политеха предложили увеличить срок службы торий-урановых топливных композиций — самого оптимального типа топлива для работы таких станций — за счет увеличения диаметра ТВЭЛов. Политехники провели теплофизические расчеты, подтверждающие возможность модернизации реактора для увеличения срока службы и выгорания топлива. Это экономически важные параметры ядерных энергоблоков, увлечение которых повышает конкурентоспособность реакторов.
При исследовании рассматривались перспективные композиции по воспроизводящим и делящимся нуклидам. В первом случае в состав топлива входили торий-232 и уран-235 в разных пропорциях, во втором — торий-232 и уран-233, также в разных пропорциях. Расчеты проводились для КЛТ-40С — малого модульного водо-водяного реактора тепловой мощностью 150 МВт. Используя метод математического моделирования, ученые оценивали работу реактора при разном составе топлива и разном диаметре ТВЭЛ.
При любом изменении геометрии тепловыделяющих элементов может нарушаться теплофизика процесса эксплуатации топлива. Поэтому для оценки обеспечения теплоотвода выделяемой энергии необходимо проведение теплофизических расчетов. Для эффективной работы реактора недопустимо достижение кризисов теплообмена, высоких показателей температур ядерного топлива и оболочки тепловыделяющего элемента, а скорость течения теплоносителя не должна превышать предельного значения. Мы выяснили, что рост диаметра ТВЭЛ приводит к удовлетворительным значениям теплофизических параметров из-за снижения плотности теплового потока с поверхности тепловыделяющего элемента, — рассказывает доцент отделения ядерно-топливного цикла Томского политеха Владимир Нестеров.
Расчеты показали увеличение длительности кампании ядерного топлива при переходе на торий-урановый топливный цикл с увеличенным диаметром ТВЭЛ примерно на 75 %. При этом теплофизические расчеты подтверждают саму возможность такого перехода.
Политехники планируют провести аналогичное исследование для реакторов, работающих на торий-плутониевом топливе.
«Применение тория является перспективным, поскольку его в природе содержится в четыре раза больше, чем урана. Количество накопленного плутония в облученном ядерном топливе энергетических реакторов также высоко. При этом технология обращения с энергетическим плутонием еще не отработана. Хранить такой плутоний дорого, а сжигать его в очень ограниченном количестве реакторов на быстрых нейтронах недостаточно. Если удастся подобрать оптимальные условия — состав топлива и диаметр ТВЭЛ — мы, возможно, получим длительность кампании, аналогичную торий-урановому топливу. Это позволит использовать те нуклиды, которые сейчас в энергетике почти не используются», — отмечает Владимир Нестеров.