АЭС с ВВЭР - Тесные топливные решетки

Как показано ранее, уменьшение водо-уранового отношения в топливных решетках приводит к росту коэффициента воспроизводства. Скорость падения К в ходе выгорания тем ниже, чем меньше содержание замедлителя в топливной решетке. При ω=0,5 выгорание топлива происходит с высоким значением коэффициента воспроизводства (КВ =0,9) и при относительно малых изменениях а следовательно, и малых потерях нейтронов на компенсацию запаса реактивности. Однако в этом случае требуется использование топлива с содержанием делящихся изотопов примерно в 2,5 раза выше, чем в существующих реакторах, что может быть оправданно только в условиях замкнутого топливного цикла.
В табл. 2.6 по данным [116] приведены основные характеристики реакторов PWR и LWHCR. Легководный реактор с высокой конверсией LWHCR (встречается также название APWR) ориентирован на использование плутония, накапливаемого в существующих реакторах PWR.
В реакторе типа LWHCR используется основное оборудование PWR. Модернизации подвергаются прежде всего активная зона и внутрикорпусные устройства реактора. Уменьшение водо-уранового отношения до 0,53 приводит к резкому повышению гидравлического сопротивления активной зоны, что делает необходимым уменьшение ее высоты с 3,9 до 2,3 м для сохранения оборудования циркуляционного контура. Переход на тесные топливные решетки потребовал использования в APWR гексагональных ТВС, в качестве материала оболочек твэлов применяется нержавеющая сталь.
На рис. 2.15 показано распределение нейтронного потока по уровням энергии в тесных решетках. Для нуклидов уран-238, плутоний-239, плутоний-240, плутоний-241 на этом же рисунке показан вклад реакций захвата и деления на нейтронах с различной энергией.
Только незначительная часть нейтронов достигает в этих решетках энергий тепловой области. Основные же нейтронно-физические взаимодействия происходят в резонансной и быстрой областях спектра. В указанных решетках 15% захватов и 28% реакций деления происходит на быстрых нейтронах, в резонансной области энергий поглощается около 73% нейтронов и происходит около 57% делений, в тепловой области энергий происходит около 12% поглощений и около 15% делений.
Следует отметить существенное различие в поглощении и делении при изменении энергии нейтронов для рассматриваемых нуклидов, что обусловливается резонансной структурой их сечений. В частности, в районе энергий 1 эВ поглощение в основном определяется плутонием-240, хотя в других областях энергий поглощение нейтронов этим нуклидом незначительно.
Изменение реактивности определяется не столько уменьшением количества делящихся нуклидов, сколько поглощением нейтронов продуктами деления. Вклад в поглощение в ходе выгорания топлива показан на рис. 2.16.
Таблица 2.6. Сравнение характеристик реакторов PWR и LWHCR

Рис. 2.15. Распределение потока нейтронов (а), реакций поглощения (б) и деления (в) по энергиям для топливных решеток реактора LWHCR при содержании в топливе делящихся изотопов плутония в количестве 7,5%:
1 — 238U; 2 — 239Pu; 3 — 240Pu; 4 — 241 Pu

Рис. 2.16. Поглощение нейтронов некоторыми продуктами деления в различные моменты выгорания топлива

Накопление и выгорание шлаков приводят к перераспределению поглощения нейтронов различными продуктами деления, в частности по мере выгорания значительно снижается относительное поглощение нейтронов ксеноном-135. Примерно 25 продуктов деления обусловливает более 8 5 % непроизводительных захватов.
Высокий КВ обусловливает слабое изменение количества делящихся изотопов в топливе при выгорании и значительное уменьшение расхода естественного урана. В табл. 2.7 приведены значения достигаемых глубин выгорания и расхода урана при использовании энергетического плутония с содержанием делящихся изотопов 7,0, 7,5 и 8,0%. В этой же таблице представлены соответствующие данные для реакторов PWR. Расход урана на единицу вырабатываемой энергии в LWHCR примерно в 3 раза меньше. Однако напомним, что это достигается в условиях замкнутого топливного цикла и при содержании делящихся нуклидов в активной зоне примерно в 2,5 раза выше, чем в PWR.
Таблица 2.7. Коэффициенты конверсии и расход делящихся веществ в различных легководных реакторах