Основные характеристики реакторов-размножителей на быстрых нейтронах КВ и Т2 зависят от многих параметров как собственно реактора, так и внешнего топливного цикла. Достижение оптимальных значений этих параметров часто ограничено техническими возможностями конкретной реализации реактора, такими, как работоспособность оболочек твэлов, показатели гелиевых газодувок и т. п. Однако выявление чувствительности КВ и Т2 к изменению различных параметров облегчает выбор общего направления разработок и позволяет сосредоточить усилия на улучшении наиболее критических параметров.
Чувствительность показателей воспроизводства к изменению параметров реактора
При проектировании реактора. БГР-300 задача оптимизации времени удвоения решалась для двух уровней тепловой мощности— 810 МВт [или 300 МВт (эл.)] и 4000 МВт [или 1600 МВт (эл.)]. Результаты проработок показали близость относительных изменений Т2 при варьировании различных параметров для обоих случаев [88]. Поэтому многие рекомендации по оптимизации БГР-300 справедливы и для БГР-1600. Удобным расчетным средством для подобных исследований является оптимизационный комплекс РОКБАР [43] с теплофизическим блоком, приспособленным для расчета охлаждения реактора гелием. Рассмотрим цилиндрические реакторы, набранные из ТВС со стерженьковыми твэлами, активная зона которых имеет две подзоны физического профилирования с размерами ∆R1, ∆R2 и окружена боковой и торцевыми зонами воспроизводства. В блоке физического расчета определялась начальная загрузка реактора делящимися нуклидами Pf, кампания топлива в активной зоне Та и боковой зоне воспроизводства
Тб.з.в, проводилось физическое профилирование за счет выбора обогащения хf топлива всеми изотопами плутония с расчетом радиального kr и высотного kz коэффициентов неравномерности, определялись общий КВ и частные КВА, КВБ и КВТ — коэффициенты воспроизводства в активной зоне, боковой и торцевых зонах воспроизводства для среднего по кампании изотопного состава топлива. В теплофизическом блоке на основе заданной мощности на прокачку Nпр производилось гидравлическое профилирование реактора, определялись перепад на реакторе ΔΡ, максимальные массовые скорости теплоносителя (yv), максимальные температуры оболочек твэлов Тоб и топлива Тц и средняя энергонапряженность активной зоны qv.
Таблица 3.2
Исходные данные и результаты оптимизации основных вариантов реакторов БГР-300 и БГР-1600
В табл. 3.2 приведены характеристики основных вариантов реакторов БГР-300 и БГР-1600, по отношению к которым рассматривалось влияние различных параметров на Т2 и КВ, а также тепловая мощность активной зоны Na.з, толщина кожуха ТВС δоб, толщина оболочки твэлов δоб, размеры каждой из торцевых Нт.з.в и боковой ΔRб.з.в зон воспроизводства, давление гелия Р и его выходная температура Твых, отношение диаметра и высоты— уплощение активной зоны β=dа.з/hа.з, относительный шаг твэлов h=sTB/(dт+2δоб) при их размещении по треугольной сетке с шагом sTB, объем активной зоны Vа.з и объемные доли оболочек твэлов, топлива, приведенного к нулевой пористости, ε(0) (реальная пористость составляет 20% при глубине выгорания 10%) и теплоносителя εΤΗ. Расчеты проводились для состава плутония, близкого к составу плутония, нарабатываемого в уран-графитовых реакторах на тепловых нейтронах типа РБМК с процентным соотношением изотопов 239Pu:240Pu:24IPu, равным 47,5:42,5:10, а также для плутония, среднего по составу между, реакторами ВВЭР и РБМК, с соотношением тех же изотопов 60:30:10. Состав боковой зоны воспроизводства принимался постоянным с объемными долями топлива, теплоносителя и конструкционных материалов 0,581; 0,297; 0,122 соответственно. При гидравлических расчетах учитывалась полость для сбора газовых продуктов деления высотой 0,5 м, расположенная со стороны входа теплоносителя. При расчете Τ2 принималось, что времена внешнего цикла для переработки топлива из активной зоны Тп.а и из зоны воспроизводства равны: Τп.а= Тп.з.в= 0,5 года, а относительные потери топлива при переработке составляют 2%.
Для основных вариантов реакторов рассматривалось влияние на Т2 и КВ состава плутония, величин β, δкож, δоб, Нт.з.в, ∆Rб.з.в, Νпр, Р, Твых, Тоб. Коэффициенты чувствительности, равные абсолютным изменениям Т2 и КВ при изменениях перечисленных параметров, приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Коэффициенты чувствительности величин КВ и Т2 к изменениям параметров реактора, приведенных в табл. 3.2
Данные табл. 3.3 показывают большую эффективность 240Рu как топлива быстрых реакторов. Увеличение уплощения активной зоны повышает КВ, но практически не сказывается в случае БГР-1600 на Т2, тогда как в БГР-300 отклонение в любую сторону от оптимального β приводит к значительному росту Т2 и к падению КВ при снижении β. Очень сильное влияние, особенно в БГР-300, оказывает на Т2 и КВ толщина кожуха ТВС и оболочек твэлов.
Желательность снижения количества конструкционных материалов стимулирует разработку безкожуховых активных зон, в которых объемные доли кожуха и межкассетного гелия, равные в опорных вариантах 5,2% и 6,8%, снижены до нуля, а также активных зон с вентилируемыми твэлами с δоб=0,3 мм. Увеличение толщин зон воспроизводства сверх некоторого оптимального значения, близкого к их толщинам в основных вариантах реакторов, слабо улучшает КВ и Т2 и экономически не выгодно. Увеличение мощности на прокачку с 5 до 7,5% электрической мощности снижает Т2 на 0,3 года в обеих установках и приводит в БГР-1600 к росту КВ на ~0,02. Уменьшение давления теплоносителя ведет к значительному росту Т2, но к сравнительно умеренному падению КВ. Поскольку КВ реакторов-размножителей имеет самостоятельное значение, реакторы на быстрых нейтронах с гелиевым охлаждением можно использовать в развитой атомной энергетике и при меньших давлениях теплоносителя с целью экономичной наработки вторичного топлива для реакторов на тепловых нейтронах.
Если уменьшение выходной температуры слабо, но улучшает Т2 при некотором падении КВ, то снижение допустимой температуры покрытий твэлов резко ухудшает показатели воспроизводства газоохлаждаемых реакторов, особенно в области температур ниже 750° С. Поэтому необходимо использовать оболочки твэлов из жаропрочных сплавов типа нимоник (~40% Ni), выдерживающих температуру нагрева до 850° С в наиболее горячих точках, если учтены технологические отклонения, и 800° С — без их учета. Заметим, что в данных расчетах не принималась во внимание возможность нанесения на поверхность покрытий искусственной шероховатости, существенно улучшающей показатели реактора по удельной мощности и Т2 при использовании твэлов со стальными оболочками и допустимой температурой 710— 720° С.
Однако использование всех рекомендаций, полученных в оптимизационных расчетах (см. табл. 3.2, 3.3), не всегда возможно, особенно для первых реакторов, по различным соображениям технического порядка. Рассмотрим реальные проектируемые активные зоны реакторов-размножителей БГР-300 и БГР-1600 и вопросы, связанные с их эксплуатацией.
