Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200


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:

  1. стационарные режимы работы реактора на различных уровнях мощности;
  2. работа реактора в процессе выгорания ядерного топлива;
  3. выравнивание поля энерговыделения с помощью органов СУЗ в процессе кампании;
  4. 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).

 


Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

Рис. 1. Схема оптимизации компоновки реактора БР-1200

 

 

 Таблица 1

Состав активной зоны исходной и оптимизированной моделей

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

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.

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

Рис. 2. Распределение мощностей ТВС в стартовой загрузке  для исходной модели, МВт

 

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

Таблица 2

Результаты оценки максимальных мощностей 

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200


 

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 

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

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

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

Изменение реактивности, КВ по кампании представлена на ( рис.4–5).

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

Рис. 4. Изменение реактивности по кампании.

 

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

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

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

Изменение реактивности, КВ по кампании представлены на рис. 6–7.

 Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

Рис. 6. Изменение реактивности по кампании

 

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

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

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

Изменение реактивности по кампании, КВ представлены на  рис.8–9.

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

Рис. 8. Изменение реактивности по кампании.

 

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

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.

 

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

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.

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

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  

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

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

Оптимизация частичных перегрузок в активной зоне реакторной установки БР-1200

 

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

  1. Экспертный совет по аттестации программных средств при Ростехнадзоре. Аттестационный паспорт программного средства «FACT-BR» (версия 1.1) , № 433 от 27.02.2018.
  2. CONSYST с библиотекой констант БНАБ-93: отчет о НИР / ЦОЭП РНЦ «Курчатовский институт». – М., 2004. – Инв. № 00572.
  3. Научно-технический годовой отчет НИКИЭТ – 2019: сб статей/ под ред.  Е.О Адамова; АО «НИКИЭТ» – М.: Изд-во АО «НИКИЭТ», 2019.

 


Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: