Цель профилирования энерговыделения в ВТГР — выравнивание на выходе из реактора параметров: температуры гелия Твых, глубины выгорания топлива, а также объемного распределения температуры в центре твэлов tц. Эта температура не должна превышать предельно допустимых значений 1300—1400° С, но в то же время должна быть достаточно близка к ним для увеличения средней удельной мощности реактора и Твых гелия.
В вариантах реактора ВТГР-500 с графитовой кладкой и загрузкой твэлов снизу (или сверху) радиальное профилирование энерговыделения наиболее целесообразно осуществить путем выравнивания потока тепловых нейтронов за счет различного содержания в твэлах 238U, играющего в данном случае роль поглотителя нейтронов. Поглощение нейтронов в 238U полезно с точки зрения воспроизводства и накопления вторичного топлива, однако накопление 239Ри нарушает начальное профилирование. Содержание 235U в каждом твэле во всех, например в двух, зонах радиального профилирования при этом целесообразно сохранить постоянным.
Рис. 3.3. Радиальные распределения энерговыделения для различных высот загрузки активной зоны:
1— зона с X5 = 6,5%, рu =0,346 г/см3; 2 — зона с x5= 10%, Рu =0,225 г/см3
Рассмотрим профилирование начальной загрузки реактора ВТГР-500 с одинаковым по высоте в данной радиальной зоне составом топлива. На рис. 3.3 приведены радиальные распределения энерговыделения для шаровых твэлов, содержащих около 1,5 г 235U каждый, при различной высоте активной зоны. Падение потока тепловых нейтронов на периферии активной зоны и рост радиальной неравномерности энерговыделения по мере снижения ее высоты вплоть до критической связаны с ростом аксиальной утечки нейтронов.
Радиальное распределение энерговыделения в случае неполных загрузок реактора ВТГР-500 с графитовой кладкой легко улучшается, если увеличивать высоту столба шаровых твэлов в периферийных каналах по сравнению с высотой активной зоны в ее центральной части [91]. Пример ступенчатого профилирования приведен на рис. 3.4. Для профилирования оказывается достаточным различие высот радиальных зон в два-три твэла, так как выравнивающее действие обусловлено двумя факторами — выравниванием потока нейтронов из-за снижения аксиальной утечки на периферии зоны и непосредственным увеличением высоты засыпки, т. е. числа твэлов и мощности в канале.
Рис.3.4. Радиальное распределение мощности каналов при ступенчатом профилировании
Распределение энерговыделения по высоте при использовании принципа ОПАЗ в установившемся режиме непрерывных перегрузок характеризуется значительной неравномерностью с kz≈3. Тем не менее рост температуры топлива в центре твэла по мере нагревания гелия происходит достаточно плавно, без превышения допустимых значений. Именно в этом состоит преимущество принципа ОПАЗ с обдувом твэлов попутным потоком гелия. При нагревании гелия снижается температурный перепад между теплоносителем и центром твэлов вследствие повышения глубины выгорания топлива, снижения мощности и потока тепла через поверхность твэла при продвижении твэлов через активную зону. В результате Тц оказывается практически постоянной величиной на большей части высоты активной зоны.
Расчет установившегося режима перегрузок может быть проведен двумя способами: непосредственным расчетом начального состояния и переходного режима и с помощью итерационного процесса. В последнем случае определяется аксиальное распределение энерговыделения q(z) и подбираются свойства активной зоны с различной глубиной выгорания топлива, соответствующей глубине выгорания E(z) в МВт-сут/кг U.
Подбор осуществляется вплоть до выполнения в каждой точке по высоте условия
(3.1)
(3.2)
где vтв — скорость перемещения твэлов по высоте активной зоны, см/сут; qT(z)—энергонапряженность топлива (урана и тория), МВт/кг; gT — начальное содержание топлива на входе в активную зону, кг/см3; Еf— энергия деления, МДж. В процессе итераций по полученной зависимости E(z) корректируются макроскопические сечения деления Σfj(z) в j-x группах по энергии, определяемые из расчетов выгорания в ячейке.
Помимо определения зависимости Σfj(z) в процессе подбора параметров установившегося режима необходимо за счет выбора хт добиться равенства kэф реактора заданному значению kэф при условии получения заданного энергосъема на выходе из активной зоны E(Hа.з):
(3.3) где χτ — начальное обогащение топлива в загружаемых твэлах; kэф—необходимое для режима непрерывных перегрузок значение kэф реактора, включающее, например, оперативный запас реактивности на выход из иодной ямы.
Увеличение в какой-либо зоне реактора скорости продвижения шаровых твэлов приводит к снижению глубины выгорания, росту kэф и изменению распределения энерговыделения по высоте и радиусу реактора. Распределение по высоте выравнивается при этом всегда, по радиусу — в случае увеличения скорости движения периферийных твэлов в не профилированной активной зоне реактора. Радиальное профилирование скоростью твэлов используется в реакторах типа ВТГР-500 в качестве вспомогательного средства, поскольку основной эффект профилирования достигается другими путями.
Радиальное профилирование в кольцевом и модульном вариантах активной зоны ВТГР-500 осуществляется не только путем использования в центральных и периферийных зонах или модулях твэлов с различным содержанием 238U, но и выбором высоты засыпки твэлов в зонах. Расчеты семимодульного варианта реактора ВТГР-500 методом статистических испытаний [92] показали, что рост энерговыделения в активной зоне вблизи графитовых стенок модулей может быть снижен, например, размещением в них поглощающих стержней, компенсирующих оперативный запас реактивности. Другая возможность — загрузка различных по содержанию 235U и твэлов в разные точки площади поперечного сечения модуля.
