Описанные выше пути улучшения топливоиспользования в ВВЭР могут быть пополнены еще одним способом получения дополнительной энергии. Речь идет о дожигании топлива, выгруженного из реакторов. В какой-то мере такое дожигание осуществляется в самих реакторах в тех случаях, когда топливный цикл продолжается и после достижения в первом контуре нулевой концентрации борной кислоты. При этом критическое состояние активной зоны поддерживается за счет снижения температуры топлива и теплоносителя, т. е. работа реактора осуществляется на части мощностного и температурного эффектов реактивности. Реализуемые соотношения между снижающейся во времени мощностью реактора и температурой теплоносителя для ВВЭР- 1000 описаны в гл. 7 (см. рис. 7.15).
Простые оценки показывают, что дополнительная энергия получается в основном за счет снижения температуры замедлителя. Для топливной решетки реактора ВВЭР-1000 дополнительная тепловая энергия, получаемая в конце цикла, при уменьшении средней температуры первого контура на 13° С от 278° С составляет около 0,7-109 кВт -ч. Если же имеется возможность работы реактора при средней температуре в активной зоне примерно 200° С, указанное количество энергии может быть увеличено примерно в 4 раза. По современным представлениям такое снижение температуры теплоносителя в первом контуре электрогенерирующей установки считается невыгодным и проблематичным, так как приводит к необходимости работать во втором контуре на слишком низком давлении насыщенного пара. Но все же этот вариант, по-видимому, должен быть подробно проработан при выборе конструкции реакторной установки повышенной безопасности, особенно с учетом ведущегося в настоящее время тщательного изучения физики выгорания топлива в различных спектрах энергий нейтронного потока. Наиболее же приемлемым сегодня представляется дополнительное использование отработавшего топлива ВВЭР путем его перегрузки в специальный реактор, предназначенный для теплофикационных целей и работающий при средней температуре теплоносителя первого контура около 200° С.
Вводимые в настоящее время теплофикационные станции АСТ-500 имеют в качестве источника тепла реактор с параметрами, представленными ниже [83]:
Тепловая мощность реактора, МВт............... 500
Параметры теплоносителя первого контура:
давление, МПа............................................. 2,0
температура на входе в активную зону, °С........ 131
температура на выходе из активной зоны, °С... .................................................................................. .................................................................................. 208
Диаметр активной зоны, м............................... 2,8
Высота активной зоны, м................................. ЗД
Энергонапряженность активной зоны, кВт/л Λ.. 30
Загрузка урана, т................................................ 50
Время работы топлива первой загрузки, эф. сут. 460
Продолжительность топливного цикла (при трех перегрузках), годы ... 6
Глубина выгорания в стационарном режиме работы, МВт сут/кг................................................. .............................................................................. 14
При тепловой мощности этого реактора 500 МВт приведенное выше количество энергии, дополнительно получаемое от топлива, выгружаемого из ВВЭР-1000, может обеспечить работу ACT в номинальном режиме в течение более чем 10 000 ч. Отсюда следует, что при ежегодной перегрузке топлива из реактора энергоблока в теплофикационные реакторы может быть обеспечена работа нескольких блоков ACT.
Существенно более низкие теплогидравлические параметры ACT по сравнению с параметрами энергоустановки с реактором, например, ВВЭР-1000 создают реальную возможность дополнительного получения энергии от топлива, отработавшего проектную кампанию с сохранением его полной работоспособности. Тем более это справедливо с учетом успешного опыта эксплуатации топливных кассет в течение сверхпроектного срока (6 лет) даже в условиях самих ВВЭР.
Для уточнения потенциального количества энергии, имеющейся в выгружаемом топливе реактора ВВЭР-1000, при его дальнейшей работе в условиях реактора ACT в ИАЭ были проведены специальные нейтронно-физические расчеты. Результаты расчетов позволили, с одной стороны, установить, для скольких реакторов ACT может служить источником тепловой энергии ВВЭР-1000, а с другой, определить характеристики активной зоны, скомпонованной из выгоревшего топлива данного реактора.
Активная зона реактора ACT компоновалась из 151 топливной кассеты, проработавшей в головном реакторе ВВЭР- 1000 на V блоке НВАЭС.
Поскольку в выгружаемых кассетах всегда имеется разброс по концентрациям шлаков и делящихся нуклидов, появляется возможность ввести профилирование энерговыделений по радиусу активной зоны путем размещения на периферии топливных кассет с повышенными размножающими свойствами. Для состояния на начало выгорания активная зона теплофикационного реактора имеет характеристики, приведенные в табл. 2.8.
Таблица 2.8. Характеристики активной зоны теплофикационного реактора по
состоянию на начало выгорания
Расчет позволяет оценить выгорание топлива без промежуточных пере-' грузок в 4,1 кг шлаков на 1 т урана. При ежегодных перегрузках с частичной заменой топлива может быть достигнута дополнительная глубина выгорания, соответствующая 6,8 кг шлаков на 1 т урана. Если принять коэффициент нагрузки ACT 0,457, что определяет ежегодную продолжительность работы на номинальной мощности в течение 4000 ч, то дополнительная кампания топлива может составить 5 лет. Таким образом, при эксплуатации ACT с реактором, способным принимать топливо от ВВЭР-1000, могут обеспечиваться топливом 3 — 5 реакторов ACT.
Возможность дожигания твэлов, отработавших в ВВЭР с «нулевой стоимостью», в реакторах ACT повышает конкурентоспособность последних при технико-экономических сопоставлениях с альтернативными источниками энергоснабжения по раздельному и комбинированному вариантам.
Так, сравнительные расчеты вариантов, приведенных к равному энергетическому эффекту: районная котельная (РК) + АЭС, пиковая котельная (ПК) + АТЭЦ, ACT + пиковая котельная + АЭС, проведенные ВНИПИ Энергопромом, обосновывают следующие затраты, %:
Из анализа данных следует, что если расход ядерного топлива на ACT составляет (по минимальной оценке) всего 20 — 25% суммарного по ACT и АЭС, то при такой же ядерной топливной составляющей в приведенных затратах по всему комплексу дожигание в ACT твэлов «нулевой» стоимости может снизить уровень этих затрат на 4 — 6%. При более высокой оценке ядерной топливной составляющей (30-35%) снижение затрат в системе с ACT составит не менее 10- 12%, что приближает по эффективности вариант с ACT к наиболее выгодному варианту с ПК + АТЭЦ.
Подробные технико-экономические сопоставления не входят в задачи предлагаемой книги, поэтому ограничимся лишь несколькими замечаниями качественного характера. Результаты сравнений зависят от важнейших исходных данных: соотношения затрат на ядерное и органическое топливо, коэффициентов теплоснабжения ACT и теплофикаций (на атомной теплоэлектроцентрали), удельных капиталовложений в РК, ACT и АТЭЦ и др. Предъявляемые жесткие требования по ядерной безопасности и радиоактивной чистоте перекачиваемого к потребителю теплоносителя могут существенно сместить названные выше оценки в пользу ACT в сравнении с АТЭЦ и АЭС с нерегулируемыми отборами. По ряду причин (некоторые из них уже рассматривались) реакторы ACT представляют меньшую потенциальную радиационную опасность, в отличие от реакторов АТЭЦ и АЭС, и могут размещаться существенно ближе (в 2 2,5 раза) к городской черте, чем последние. Это резко снижает капиталовложения в транзитные тепловые сети, уменьшает затраты металла, повышает надежность их тепловых и гидравлических режимов.
Отметим, что сроки сооружения ACT существенно короче, чем АТЭЦ и АЭС, что уменьшает степень «замораживания» капиталовложений и должно учитываться в расчетах разными коэффициентами дисконтирования. В силу достаточной пропускной способности межсистемных связей ввод замещающих мощностей АЭС в вариант с ACT может рассматриваться как развитие там, где это возможно, уже действующих - АЭС. В ряде случаев на решения при выборе варианта теплоэнергоснабжения определяющее влияние могут оказать местные и региональные условия.
