Поддержание размножающих характеристик топливных решеток в ходе выгорания может осуществляться смягчением спектра нейтронов путем увеличения в них количества замедлителя. На рис. 2.11 и 2.12 показаны изменения К и ω при выгорании топлива в решетках с постоянными значениями ω (рис. 2.11) и с К= 1 (рис. 2.12), которое поддерживается увеличением количества замедлителя в решетках. Поскольку при компенсации запаса реактивности в топливных решетках изменением спектра нейтронов вовлечение сырьевых изотопов в цикл максимально, то выгорание топлива будет происходить при максимальном КВ. Это приводит к значительному увеличению накопления плутония-239 и уменьшению скорости выгорания урана-235.
Рис. 2.12. Изменение изотопного состава топлива 3%-го обогащения для решеток с фиксированным и изменяемым при выгорании топлива (для поддержания Л^ = 1,0) водо-урановым отношением
Рис. 2.11. Изменение и ω при выгорании топлива разного обогащения в решетках с постоянным количеством замедлителя и постоянным значением = 1,0:
К концу выгорания в открытом топливном цикле при спектральной компенсации запаса реактивности возможно создание условий для наиболее полного выгорания как исходных делящихся, так и накопленных вторичных делящихся нуклидов. Это приводит к увеличению глубины выгорания топлива. Следует также отметить, что по мере накопления шлаков в топливе при спектральной компенсации эффектов реактивности происходит смягчение спектра нейтронов, что также способствует улучшению использования топлива, поскольку нейтроны поглощаются продуктами деления значительно сильнее в резонансной области энергии, чем в тепловой.
Эффекты реактивности могут быть компенсированы изменением спектра нейтронов не только для открытых топливных циклов, на примере которых рассмотрена такая компенсация, но также и для замкнутых циклов. При этом для подпитки реакторов возможно использование своего же плутония или плутония, полученного в реакторах ВВЭР и PWR. В этих условиях необходима оптимизация глубины выгорания топлива для обеспечения высоких технико-экономических характеристик топливоиспользования. С одной стороны, в ходе выгорания падает КВ, с другой, высокая стоимость переработки отработавшего топлива делает целесообразным достижение больших глубин выгорания. Следует отметить, что при работе в замкнутых топливных циклах для компенсации запаса реактивности на выгорание топлива требуется меньшее изменение водоуранового отношения, чем в открытых.
Помимо открытого топливного цикла с возможно полным выжиганием как первичных, так и вторичных делящихся нуклидов и замкнутого топливного цикла, определенный интерес представляет также использование реактора со спектральным регулированием в режиме конвертора.
Принципиально возможно спектральную компенсацию эффектов реактивности в реакторах типа ВВЭР осуществлять различными способами. Однако все они требуют определенных изменений конструкции активной зоны и реактора в целом.
Как было показано выше, для обеспечения режима поддержания К ~= 1,0 в ходе выгорания топлива требуются топливные решетки, позволяющие изменять водо-урановое отношение при эксплуатации. Однако прямое изменение шага размещения твэлов в реакторе с жестким дистанционированием по всей высоте активной зоны при выгорании топлива с учетом многочисленных требований, предъявляемых к ТВС энергетических реакторов, едва ли осуществимо.
Поскольку поддержание К= % 1 топливных решеток в течение всего времени выгорания топлива обусловливает и постоянство энерговыделения твэлов в процессе выгорания, то для обеспечения необходимого теплосъема топливная кассета должна иметь неизменное гидравлическое сопротивление.
Этим противоречивым требованиям удовлетворяют, например, решетки, состоящие из твэлов и трубок, диаметром примерно равным диаметру твэла. В трубках, выполняющих одновременно роль несущей конструкции топливной кассеты, размещаются вытеснители, извлекаемые по мере выгорания топлива. Очевидно, что увеличение диапазона изменения водо-уранового отношения в ТВС этой конструкции влечет за собой увеличение числа конструкционных элементов в активной зоне, которые также поглощают нейтроны.
Кроме того, уменьшение водо-уранового отношения в топливной решетке по сравнению с решетками существующих реакторов ВВЭР и PWR приводит к уменьшению проходного сечения таких кассет и, как следствие этого, к увеличению гидравлического сопротивления активной зоны, что при сохранении главных циркуляционных насосов приводит к уменьшению расхода теплоносителя через активную зону, увеличению его скорости, снижению мощности и КПД турбины и др. Эти характеристики делают затруднительными полную компенсацию исходного запаса реактивности на выгорание топлива и, изменение водо-уранового отношения в широком диапазоне.
В ряде работ показана возможность частичной компенсации запасов реактивности методом сдвига спектра с использованием вытеснителей при минимальных изменениях конструкции топливных кассет и реактора, что позволяет снизить расход естественного урана при работе в открытом топливном цикле примерно на 10%.
Использование сырьевых изотопов и, в частности, урана-238 в качестве вытеснителей позволяет существенно повысить эффективность органов регулирования. Это обусловливается тем, что введение таких регуляторов приводит к сдвигу спектра нейтронов в резонансную область энергий, в которой уран-238 хорошо поглощает нейтроны и одновременно снижает среднее обогащение топливных кассет. Увеличение эффективности регуляторов позволяет повысить исходное водо-урановое отношение топливных кассет, при котором компенсируются эффекты реактивности, и компенсировать запас реактивности на выгорание топлива в более узком диапазоне водо-урановых отношений. Это также уменьшает число конструкционных элементов в активной зоне.
Использование топливных кассет с ω = 1,2 - 1,6 приводит к значительно меньшему изменению исходных теплогидравлических характеристик активных зон, нежели в случае применения полых вытеснителей. При уменьшении водоуранового отношения примерно до 1,2, по-видимому, будет
возможно использовать ГЦН и ГЦК существующих реакторов ВВЭР и PWR без изменения высоты активной зоны реактора.
Так, в [117] рассматривается направление совершенствования PWR со спектральным регулированием, основанное на использовании в качестве регуляторов обедненного урана. Это позволяет в открытом топливном цикле достичь глубины выгорания топлива 45 МВт-сут/кг при обогащении топлива 3,25% (для достижения этой же глубины выгорания в существующих PWR требуется обогащение 4,2%) и снизить тем самым расход естественного урана на 25%, однако для этого требуется изменение водо-уранового отношения в топливных кассетах в ходе выгорания с 1,65 до 1,98. При увеличении глубины выгорания до 60 МВт сут/кг появляется возможность уменьшить расход естественного урана примерно на 33%. В замкнутом же топливном цикле с использованием энергетического плутония (плутония, получаемого при переработке отработавшего топлива PWR) для получения глубины выгорания 45 МВт- сут/кг требуются исходное содержание делящихся изотопов 5,0% и диапазон изменения водо-уранового отношения 1,10-1,36. Увеличение глубины выгорания топлива до 60 МВт-сут/кг требует повышения содержания делящихся изотопов до 6,0% и позволяет снизить общие затраты на топливо примерно на 30%. Как в открытом, так и в замкнутом циклах выгорание топлива происходит с КВ =0,9.
Реактор с такими параметрами позволяет обеспечить максимальную гибкость при использовании топлива в зависимости от многих условий, и прежде всего от стоимости урана и химической переработки отработавшего топлива путем перехода от открытого топливного цикла к замкнутому и обратно в ходе обычной перегрузки.
Для управления реактором со спектральным регулированием требуется увеличение числа приводов органов регулирования по сравнению с числом приводов существующих реакторов PWR. Наряду с электромеханическими приводами органов регулирования предполагается использовать гидравлические приводы, имеющие существенно меньшие размеры и позволяющие фиксировать органы регулирования только в крайних положениях: верхнем и нижнем. Эти гидравлические приводы используются для изменения водо-уранового отношения в топливных кассетах в ходе выгорания путем извлечения из них стержней с обедненным диоксидом урана. Функции же электромеханических органов регулирования аналогичны функциям электромеханических органов существующих реакторов PWR.
Компенсация эффектов реактивности изменением плотности теплоносителя позволила бы избежать дополнительных потерь нейтронов в конструкционных элементах активной зоны и усложнения системы регулирования реактором. Но полный диапазон изменения плотности теплоносителя, например, для реактора ВВЭР-1000 составляет от 1,0 до 0,714 г/см3, т. е. от холодного состояния до рабочих параметров реактора плотность теплоносителя изменяется менее чем в 1,5 раза. На практике же при работе на выбеге реактивности удается использовать лишь малую часть даже этого диапазона.
Для компенсации эффектов реактивности возможны также совместное использование вытеснителей и изменение температуры теплоносителя. Дискретность изменения водо-уранового отношения при перемещении вытеснителей может компенсироваться плотностью теплоносителя в узком температурном диапазоне. При достижении нижней границы заданного температурного диапазона извлекается такое число вытеснителей, чтобы температура теплоносителя при компенсации эффектов реактивности соответствовала верхней границе заданного температурного диапазона с повторением таких операций в ходе выгорания топлива.
При рассмотрении концепции реакторов со спектральным регулированием целесообразно также отметить способ компенсации эффектов реактивности изменением содержания тяжелой воды в теплоносителе.
В работе [120] предлагается изменение спектра нейтронов осуществлять механическим путем — изменением положения вытеснителей в активной зоне и изменением содержания тяжелой воды в теплоносителе [103].
Комбинированное спектральное регулирование предлагается осуществлять в течение одной топливной загрузки. В начале выгорания топлива устанавливают минимальные водо-урановые отношения в топливных кассетах путем введения вытеснителей и обеспечением состава теплоносителя (65% тяжелой воды и 35% обычной воды). По мере выгорания топлива вытеснители извлекаются. После полного извлечения всех вытеснителей активная зона продувается обычной водой для снижения содержания D2О в теплоносителе вплоть до полного вывода к концу выгорания топливной загрузки. Завершение топливного цикла наступает, когда улучшение состава тяжело-легководного замедлителя не приводит к вводу положительной реактивности.
Для обеспечения переменного содержания воды в активной зоне предполагается изменить конфигурацию квадратной топливной решетки тепловыделяющей кассеты с 17 х 17 до 19x19. Модифицированная таким образом кассета будет состоять из того же числа твэлов, т. е. площадь греющей поверхности сохраняется, а во всех высвободившихся позициях размещаются вытеснители. Эффективный цилиндрический радиус топливной ячейки при этом уменьшается от 0,71 до 0,638 см, а водо-урановое отношение уменьшается до 1,06.
Рассматриваются следующие случаи изменения водо-уранового отношения при выгорании топлива в процессе только «механического» сдвига спектра при постоянном составе замедлителя (65% тяжелой воды): от 1,06 до 1,67; от 1,06 до 2,0; от 1,06 до 3,0 [120].
Рис. 2.13. Изменение водо-уранового отношения и содержания тяжело-легководного замедлителя в ходе выгорания топлива (левая ось ординат — регулирование путем изменения водо-уранового отношения; правые — уменьшение количества тяжелой воды в теплоносителе): 1 — конечное ω=1,67; 2 — ω = 2,0; 3 — ω=3,0
Рис. 2.14. Зависимость Кэф от плотности теплоносителя в различные моменты кампании:
1 — начало выгорания топлива; 2 — начало вывода тяжелой воды; 3 — конец топливного цикла
Первый случай может быть реализован на действующих PWR, а Первый случай может быть второй и третий требуют увеличения диаметра корпуса реактора.
Для всех случаев принято одинаковое исходное обогащение топлива по урану 235, равное 4,0%, и равномерное распределение вытеснителей по кассетам.
Выгорание топлива рассчитывалось по программе WIMS-D с малыми временными шагами, с учетом стационарного отравления ксеноном-135, самарием-149 и другими нуклидами. В течение выгорания топлива поддерживалось среднее значение
Кэф=1,0
На рис. 2.13 (левая ось ординат) показана зависимость водо-уранового отношения от глубины выгорания топлива. Для перечисленных случаев глубины выгорания составляют 6,7, 11,3 и 25,1 МВт-сут/кг соответственно. На том же рисунке (правая ось ординат) показано влияние на дальнейшее выгорание изменения состава замедлителя. Конечное выгорание для всех трех случаев составляет 42,0, 49,0 и 55,0 МВт-сут/кг соответственно и достигается в цикле без промежуточных перегрузок топлива.
Продолжительность этого топливного цикла в эффективных сутках работы реактора на полной мощности равна для спектрального комбинированного регулирования соответственно 1095, 1251 и 1434 сут, в то время как аналогичный топливный цикл с компенсацией запаса реактивности поглотителями имеет длительности соответственно 829, 886 и 886 сут. Однако при сравнении использования топлива в рассматриваемом случае с режимом частичных перегрузок (три и четыре перегрузки за кампанию) показатели топливоиспользования оказываются даже хуже, чем в существующих PWR, кроме случая с высоким конечным водоурановым отношением (третий случай).
Вместе с тем энерговыработка для рассматриваемых случаев спектральной компенсации запаса реактивности выше, чем в PWR, работающих в режиме частичных перегрузок топлива.
В расчетах также должны отражаться затраты на регенерацию тяжелой воды после ее удаления из активной зоны, что требует дополнительного учета. В этой связи отметим, что одним из способов получения тяжелой воды является электролиз. Этот процесс, как известно, идет в 4 — 5 раз медленнее по дейтерию, что позволяет концентрировать тяжелую воду в электролите до нужных значений. При этом наряду с выравниванием графика нагрузки реактора и получением тяжелой воды вырабатывается водород и кислород. Возможно, что такой комплексный подход к внепиковому электролизу обычной воды и воды, поступающей из активной зоны на регенерацию с последующим ее накоплением и использованием в новую кампанию, позволит повысить экономическую эффективность ядерного энергоблока в целом.
Значительное внимание в [120] уделено вопросам безопасности PWR со спектральным сдвигом в авариях с потерей теплоносителя. При анализе использовались новые расчетные данные, полученные по плотностному коэффициенту реактивности. Расчеты охватывают всю область выгорания, включая следующие точки: начало цикла; конец сдвига спектра вытеснителями (65% тяжелой воды в теплоносителе); конец цикла. На рис. 2.14 показана зависимость эффективного коэффициента размножения при различных относительных содержаниях замедлителя d/d0 в зоне для третьего случая. Водо-урановое отношение при извлеченных вытеснителях равно 3,0. Значение d/d0 = 1,0 соответствует исходному расчетному состоянию активной зоны, d/d0 — 0,2 — опорожнению зоны на 80%.
Из рисунка следует, что плотностной коэффициент реактивности во всем диапазоне плотностей теплоносителя для любого момента кампании положителен, т. е. опорожнение активной зоны (вскипание теплоносителя) приводит к глушению реактора.
Спектральная компенсация эффектов реактивности позволяет решить технические противоречия, возникающие при разных стратегиях перегрузок. Загрузка топлива в центральные области активной зоны и перемещение его, по мере выгорания, к периферии с одновременным увеличением водо-уранового отношения в топливных кассетах обеспечивает, и требуемый режим изменения водо-уранового отношения в ходе выгорания, и минимальные неравномерности энерговыделения по активной зоне. Отметим, что использование топливных кассет, допускающих изменение водо-уранового отношения в режиме перегрузок топлива, принятом для существующих реакторов (т. е. на периферию), при обеспечении минимальных неравномерностей энерговыделения требует создания высокого значения исходного водо-уранового отношения и сводит этот режим перегрузок к случаю использования топливных кассет существующих реакторов.
Утечка нейтронов из активной зоны реактора, ухудшающая использование топлива, может быть направлена на накопление вторичных делящихся нуклидов. Переход к замкнутому топливному циклу делает целесообразным окружение активной зоны бланкетом из обедненного или естественного урана.
