Баловнев А.В., Жирнов А.П., Моисеев А.В., Солдатов Е.О. (АО «НИКИЭТ», Москва, Россия)
Введение
В рамках разработки перспективного реактора БР-1200 при компоновке активной зоны использовались отработанные в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300 решения. Из проекта РУ БРЕСТ-ОД-300 в БР-1200 заимствована конструкция ТВС с изменением диаметра твэла. Использованы тот же тип топливной матрицы, конструкция органов регулирования реактивности и их размещение в ТВС, блоки стального и свинцового отражателей, схема циркуляции и температурный режим теплоносителя.
Для реактора БРЕСТ-ОД-300 максимальная температура оболочки твэла является важнейшим параметром, влияющим на безопасную эксплуатацию реактора. В активной зоне используются бесчехловые ТВС, в результате чего максимальная температура оболочек твэлов явно зависит не только от выделяемой мощности, но и от теплофизических параметров теплоносителя. Таким образом, оценка максимальных температур оболочек твэлов является комплексной задачей и состоит из согласованных нейтронно-физических и теплофизических расчетов.
Для решения данной задачи выполнена работа по разработке программного комплекса, позволяющего проводить комплексную оценку нейтронно-физических и теплофизических параметров активной зоны.
1.Кратное описание программного комплекса FACT-BR
В качестве инструмента для нейтронно-физических и теплофизических расчетов реактора БР-1200 используется аттестованный программный комплекс FACT-BR. ПК FACT-BR [1] с системой подготовки нейтронных сечений CONSYST [2] предназначен для трехмерных нейтронно-физических расчётов стационарных состояний, быстрых и медленных нестационарных процессов в активной зоне реактора с быстрым спектром нейтронов с учетом функционирования систем управления нейтронной мощностью.
Для расчета трехмерного поля плотности потока нейтронов и распределения мощности в программе используется 26 – групповое диффузионное приближение. Уравнения диффузии решается нодальным методом Аскью-Такеда.
Программный комплекс FACT-BR объединен с теплофизическим кодом GDPIVIS в единый комплекс, что позволяет проводить нейтронно-физические и теплофизические расчеты в ходе физического проектирования реактора.
В число основных ситуаций и процессов, доступных для расчетного анализа с помощью программы FACT-BR, могут быть включены следующие:
- стационарные режимы работы реактора на различных уровнях мощности;
- работа реактора в процессе выгорания ядерного топлива;
- выравнивание поля энерговыделения с помощью органов СУЗ в процессе кампании;
- осуществление перегрузок топлива с учетом их перестановок.
2. Обзор оптимизации компоновки реактора БР-1200
В настоящее время рассмотрены две модели активной зоны реактора БР-1200, состоящие из 511 ТВС и 397 ТВС. Оптимизация компоновки, состоящей из 511 ТВС представлена в [3]. В данной работе предлагается оптимизация компоновки, состоящей из 397 ТВС. Трехзонное радиальное профилирование топливной загрузки и расхода теплоносителя осуществляется использованием в ТВС центральной зоны твэлов меньшего диаметра, а в ТВС средней зоны и ТВС периферийной зоны – твэлы большего диаметра при одинаковом составе и плотности топлива во всех ТВС активной зоны.
В ходе итерационных расчетов с целью снижения максимальных мощностей и максимальных температур оболочек твэлов подобрана оптимизированная компоновка реактора БР-1200. Схема оптимизации исходной модели представлена на (рис. 1). Состав активной зоны, исходной и оптимизированной моделей приведены в (табл. 1).
Рис. 1. Схема оптимизации компоновки реактора БР-1200
Таблица 1
Состав активной зоны исходной и оптимизированной моделей
3. Сравнение максимальных мощностей ТВС и максимальных температур оболочек твэлов для обеих моделей
Распределение тепловыделения рассчитывалось исходя из нормировки суммарного тепловыделения на номинальную тепловую мощность 2930 МВт с учетом взаимодействия нейтронов и фотонов с материалами реактора. Энерговыделение в активной зоне составляет ~ 98.29 % от тепловой мощности реактора – 2888 МВт. Распределения мощностей ТВС (МВт) на момент стартовой загрузки для исходной и оптимизированной модели представлены на (рис. 2–3). В таблице 2 представлены результаты оценки максимальных мощностей для двух сборок. Использование оптимизированной модели способствует к выравниванию профиля энерговыделения, а также к снижению максимальных мощностей в центральной части активной зоны, что положительно скажется на распределение мощностей по кампании.
Рис. 2. Распределение мощностей ТВС в стартовой загрузке для исходной модели, МВт
Таблица 2
Результаты оценки максимальных мощностей
С помощью теплофизического модуля произведена оценка максимальных температур оболочек твэлов. Результаты оценки максимальных температур оболочек Тоб (внутренняя поверхность оболочки) без учета факторов перегрева на момент стартовой загрузки для исходной и оптимизированной модели представлены в (табл.3). Для оптимизированной модели в стартовой загрузке максимальные температуры оболочек снижены на 10–15 °C и не превышают 631 °C.
Таблица 3
Результаты оценки максимальных температур оболочек
4.Кампания реактора и оптимизация частичных перегрузок
Для оценки максимальных температур оболочек твэлов в процессе кампании проведен расчет работы реактора на номинальном уровне мощности с частичными перегрузками.
В ходе многовариантного расчета подобраны длительность микрокампании, значение коэффициента воспроизводства, при которых изменение запаса реактивности по микрокампании на протяжении всего времени не превышает βэф. Длительность микрокампании – 300 сут. Первые 2 микрокампании реактор работает без перегрузок топлива, а далее в режиме частичных перегрузок до 1/5 ТВС от общего числа. В ходе первых двух микрокампаний компенсация избыточной реактивности осуществляется за счет использования постоянных компенсаторов реактивности (ПКР).
Рассмотрено влияние различных вариантов частичных перегрузок на распределение профиля энерговыделения и значения максимальных температур оболочек твэлов по кампании.
4.1. Расчет кампании исходной модели с введенными ПКР в активной зону.
В ходе первых двух микрокампаний для компенсации избыточной реактивности в активную зону вводятся четыре ПКР, идентичные штатным РО АР и РО КР. Расчет кампании в режиме частичных перегрузок топлива проведен в интервале 600– 1500 эф. сут. В данном режиме постоянные компенсаторы реактивности остаются в активной зоне.
Характеристики перегружаемого топлива и порядок перегрузки ТВС представлены в (табл.4).
Таблица 4
Порядок перегрузки ТВС
Изменение реактивности, КВ по кампании представлена на ( рис.4–5).
Рис. 4. Изменение реактивности по кампании.
4.2. Расчет кампании исходной модели с измененными перегрузками
В ходе первых двух микрокампаний компенсация избыточной реактивности осуществляется за счет использования ПКР. С 600 суток реактор работает в режиме частичных перегрузок. В данном режиме использование для перегрузок топлива с измененной плотностью и долей Pu+Am в загружаемом топливе позволяет отказаться от постоянных компенсаторов реактивности.
Характеристики перегружаемого топлива и порядок перегрузки ТВС представлены в табл. 5.
Таблица 5
Порядок перегрузки ТВС
Изменение реактивности, КВ по кампании представлены на рис. 6–7.
Рис. 6. Изменение реактивности по кампании
Рис. 7. Изменение коэффициента воспроизводства по кампании
4.3. Расчет кампании оптимизированной модели с измененными перегрузками
Проведен расчет работы реактора с перегрузками для оптимизированной модели в режиме с измененными перегрузками.
Характеристики перегружаемого топлива и порядок перегрузки ТВС представлены в табл. 6.
Таблица 6
Порядок перегрузки ТВС
Изменение реактивности по кампании, КВ представлены на рис.8–9.
Рис. 8. Изменение реактивности по кампании.
Рис. 9. Изменение коэффициента воспроизводства по кампании.
4.4. Сравнение максимальных мощностей и максимальных температур оболочек твэлов для различных вариантов
Распределения максимальных мощностей ТВС по кампании для исходной модели в режимах работы с введенными ПКР и с измененными перегрузками представлены на рис. 10. Изменение режима работы в частичных перегрузках приводит к снижению максимальных мощностей в центральной части активной зоны в процессе кампании, что приведет к снижению максимальных температур оболочек.
Рис. 10. Распределение максимальных мощностей ТВС по кампании исходной модели: а – вариант с введенными ПКР; б – вариант с измененными перегрузками
Распределения максимальных мощностей ТВС по кампании для исходной и оптимизированной моделей в режиме работы с измененными перегрузками представлены на (рис. 11). Использование оптимизированной модели позволяет дополнительно снизить максимальные мощности в центральной части активной зоны.
Рис. 11. Распределение максимальных мощностей ТВС по кампании в режиме с измененными перегрузками: а – исходная модель; б – оптимизированная модель
Максимальные температуры оболочек твэлов в ТВС СЗ и ПЗ достигаются в момент достижения максимальных мощностей в ТВС СЗ и ПЗ (на момент 300 сут). Оценка максимальных температур оболочек твэлов без учета факторов перегрева на момент 300 суток для исходной и оптимизированной моделей представлена в (табл.7).
Таблица 7
Результаты оценки максимальных температур оболочек
Максимальные температуры оболочек твэлов в ТВС ЦЗ достигаются в момент достижения максимальных мощностей в ТВС ЦЗ (на момент 1200 суток). Оценка максимальных температур оболочек твэлов без учета факторов перегрева на момент 1200 суток для исходной и оптимизированной моделей в режиме с измененными перегрузками и с введенными ПКР представлена в (табл.8).
Таблица 8
Результаты оценки максимальных температур оболочек
Значения максимальных температур оболочек твэлов в ТВС ЦЗ, СЗ и ПЗ для оптимизированной модели в режиме с измененными перегрузками снижены на ~ 15–20 °C и не превышают 645 °C по кампании.
Заключение
Подобран вариант оптимизации компоновки активной зоны, состоящей из 397 ТВС для обеспечения снижения максимальных температур оболочек твэлов.
Рассмотрено влияние различных вариантов частичных перегрузок на распределение профиля энерговыделения и значения максимальных температур оболочек твэлов по кампании. В ходе расчетов определено, что для обеспечения выравнивания мощности, подогревов теплоносителя и снижения максимальных температур оболочек твэлов оптимально использовать в режиме частичных перегрузок свежее топливо с измененным обогащением и плотностью.
Список литературы
- Экспертный совет по аттестации программных средств при Ростехнадзоре. Аттестационный паспорт программного средства «FACT-BR» (версия 1.1) , № 433 от 27.02.2018.
- CONSYST с библиотекой констант БНАБ-93: отчет о НИР / ЦОЭП РНЦ «Курчатовский институт». – М., 2004. – Инв. № 00572.
- Научно-технический годовой отчет НИКИЭТ – 2019: сб статей/ под ред. Е.О Адамова; АО «НИКИЭТ» – М.: Изд-во АО «НИКИЭТ», 2019.
