Проектирование энергоустановок с газоохлаждаемыми реакторами - Физические расчеты реакторов БГР-300 и БГР-1600

Регулирование и эффекты реактивности.

В оптимизационных расчетах (см. п. 3.3.1) наличие органов регулирования учитывалось лишь косвенно — завышением значения критического kэф на 0,01 в расчетах реактора со средним изотопным составом. Для учета органов регулирования в реальном реакторе вначале следует выбрать способ регулирования реактивности. Применение кассетного регулирования с помощью топливных компенсаторов позволяет существенно улучшить воспроизводящие характеристики активной зоны по сравнению с принятым за рубежом (реакторы GCFR, GBR) регулированием с помощью поглощающих нейтроны стержней (стержневым регулированием).
Рассмотрим один из вариантов активной зоны реактора БГР-300, в котором регулирование осуществляется 31 стержнем, выполненным из карбида природного бора плотностью 1,7 г/см³ в стальной оболочке толщиной 0,5 мм. Для размещения в ТВС стержня диаметром 67 мм из центральной части ТВС необходимо удалить 91 твэл и на их месте разместить шестигранный стальной вытеснитель толщиной 0,5 мм. Сравним этот вариант с вариантом активной зоны БГР-300, в котором используются 19 топливных регуляторов. Регулятор представляет собой подвижную сборку из 217 твэлов, каждый из которых включает топливо активной зоны и объединенный с ним в одной оболочке воспроизводящий материал верхней и нижней зон воспроизводства. Замена ТВС топливным регулятором возможна при удалении из обычной ТВС 54 твэлов внешнего ряда и размещении на их месте дополнительного неподвижного стального кожуха, в котором происходит перемещение регулятора с остальными твэлами ТВС в кожухе меньшего размера. По сравнению со стержневым регулированием в случае кассетного регулирования КВ больше на 0,24 и Т2 меньше на 1,8 года. Этот факт является основным аргументом в пользу использования топливных регуляторов и связан с полезным поглощением нейтронов в процессе регулирования. Рассмотрим кратко достоинства и недостатки данных способов регулирования реактивности в реакторах на быстрых нейтронах. Конструкционные различия, обусловленные применением разных систем регулирования реактивности, приводят в случае стержневого регулирования к снижению kэф на 1 % и к увеличению критической загрузки 239Pu + 241Pu на ~60 кг. Однако полные рабочие загрузки с учетом топлива в регулирующих кассетах приблизительно одинаковы.
Ввиду меньшего КВА (0,64 против 0,74) темп падения реактивности при стержневом регулировании (7,7% ∆kэф/год) выше, чем при кассетном регулировании (5% ∆kэф/год). Для получения одинаковой глубины выгорания в конце кампании реактора перед перегрузкой в активной зоне с поглощающими стержнями требуется большая на 1,5% начальная реактивность. С учетом эффектов реактивности, равных 2,5% ∆kэф, и суммарных эффективностей регуляторов АЗ и АР, равных 3,3% ∆kэф при кассетном и 3,6% ∆kэф при стержневом регулировании, полная эффективность регуляторов должна составлять 9,8% ∆kэф в случае топливных компенсаторов и 11,6% ∆kэф — в случае стержневых. Именно такие значения суммарной эффективности имеют описанные системы компенсации.
Оценки зависимости компенсирующей способности центрального стержня от его диаметра показали отсутствие блок-эффекта вплоть до диаметров стержня, близких к 120 мм. Эффекты интерференции стержней в данной системе заметны и приводят к снижению эффективности трех стержней АЗ на 23%: с 3,44% ∆kэф при выведенных в верхнее положение стержнях АР и стержнях системы компенсации до 2,64% ∆kэф — в случае погружения всех стержней в активную зону.
Распределение энерговыделения в реакторе с поглощающими стержнями значительно стабильнее, чем в реакторе с топливными регуляторами, поскольку поглощение в них нейтронов не приводит к образованию вторичного топлива. Изменение энерговыделения в топливных регуляторах, обусловленное движением и накоплением плутония, затрудняет теплосъем без захолаживания гелия на выходе из активной зоны. Поэтому в конструкции реактора БГР-300 предусмотрено регулирование расхода теплоносителя в процессе перемещения кассет.
Система топливных компенсаторов реактора предназначена для обеспечения в состоянии с максимальной избыточной реактивностью запаса подкритичности не менее 1% ∆kэф при взведенных стержнях системы АЗ и стержнях АР, находящихся в среднем положении. Избыточная реактивность, равная в рассматриваемом варианте реактора БГР-300 5,6% ∆kэф, тратится на компенсацию падения реактивности (0,3%) при заполнении реактора гелием, на температурный и мощностной эффекты (1,1%), а также на обеспечение работы реактора между перегрузками (4% ∆kэф) при трехкратных перегрузках топлива.
Полный температурный эффект реактивности складывается в реакторах на быстрых нейтронах из трех основных составляющих. Радиальное расширение опорных плит приводит в реакторе БГР-300 к падению реактивности на 0,2% ∆kэф, увеличение высоты активной зоны при осевом удлинении столба топливных таблеток снижает kэф, на 0,43%, и доплеровское уширение резонансных уровней 238U обусловливает мощностной эффект реактивности, равный —0,45% ∆kэф.
Высокий темп падения реактивности при выгорании топлива в реакторе БГР-300 связан с довольно низким КВА=0,75, обусловленным сравнительно высокой удельной загрузкой делящихся нуклидов и большой утечкой нейтронов в реакторе небольшого размера.
Основные различия в физике опытно-промышленного реактора БГР-300 и перспективного реактора БГР-1600 связаны с более высоким в БГР-1600 КВА, который в начале кампании в среднем по активной зоне равен 1,12. Активная зона БГР-1600 может быть скомпонована из тех же элементов (ТВС и твэлов) и на тех же принципах кассетного регулирования, что и активная зона БГР-300, но с увеличением высоты торцевых зон воспроизводства до 0,7 м.
В зависимости от изотопного состава используемого плутония реактивность при работе реактора до проектной глубины выгорания (10%) либо вначале растет, а затем падает (при использовании плутония с изотопным составом, средним между составами плутония, нарабатываемого в реакторах ВВЭР и РБМК), либо монотонно падает — в случае чистого Рu, являющегося предельным случаем, иллюстрирующим особенности использования плутония из реакторов с расширенным воспроизводством топлива, с более высоким, чем в реакторах на тепловых нейтронах, содержанием Рu (рис. 3.5). В случаях, когда топливо содержит Рu,

Рис. 3.5. Зависимость от времени kЭф реактора БГР-1600 при разном изотопном составе загружаемого плутония:

Рис. 3.6. Спектр нейтронов в реакторе БГР-1600                (реактор БН-1600 с натриевым теплоносителем)
изменение реактивности незначительно (~1-2%) и частичные перегрузки для восстановления реактивности не требуются. Принципиальная возможность сжигания в БГР-1600 топлива, содержащего лишь 238U и 240Рu, обусловлена низким порогом сечения деления 240Рu и жестким спектром нейтронов в реакторе (рис. 3.6). Сложность эксплуатации реактора, работающего на Рu, связана с низкой энергией запаздывающих нейтронов (по сравнению с пороговой энергией сечения деления 240Рu) и трудностью управления реактором ввиду малой величины эффективной доли запаздывающих нейтронов.

В отличие от принятого в БРГ-300 двухзонного радиального профилирования энерговыделения в БРГ-1600 для стабилизации радиального энергораспределения в течение всей кампании реактора применено трехзонное профилирование с помощью различного обогащения топлива плутонием в зонах малого, среднего и большого обогащения. Радиальный коэффициент неравномерности энерговыделения kT изменяется от 1,16 в начале до 1,25 в конце кампании при глубине выгорания 10%. Это объясняется различной скоростью накопления плутония в ЗМО, ЗСО и ЗБО из-за разницы парциальных КВА, соответственно равных 1,38; 1,13 и 0,84, что влияет на характер изменения изотопного состава в этих зонах. Так, в ЗМО концентрация 239Рu увеличивается за 720 сут. на 30%, в ЗСО—на 10%, а в ЗБО падает на 5%.

Двухзонное профилирование в БГР-1600 осложняется накоплением большого количества 239Рu в ЗМО и необходимостью осуществлять перестановку или перегрузку кассет в середине кампании для стабилизации радиального распределения энерговыделения. Без перестановки кассет kr увеличивается от 1,19 в начале кампании до 1,4 в конце. При профилировании обогащением полезно начальное перепрофилирование за счет снижения обогащения в ЗМО ниже оптимального значения, т. е. переход через минимум в сторону увеличения kr с тем, чтобы в начале работы реактора происходило снижение kr с последующим его ростом. Однако из-за значительной нестабильности распределения энерговыделения при двухзонном профилировании требуется периодическая корректировка гидравлического профилирования, нежелательная в связи с необходимостью остановки реактора, поэтому в БГР-1600 предполагается трехзонное профилирование.
Снижение эффективности топливного регулятора в БГР-1600 по сравнению с БГР-300, обусловленное увеличением активной зоны, приводит к необходимости увеличить число регуляторов, несмотря на снижение общей компенсирующей способности системы из-за меньшего запаса реактивности на выгорание. Достаточность 37 топливных регуляторов в БГР-1600 обусловлена их «утяжелением» за счет добавления поглотителя (окиси европия) в верхнюю торцевую часть регуляторов систем АЗ, компенсации температурного эффекта и создания подкритичности. Топливные регуляторы без поглотителя используются в системах АР и для компенсации выгорания.
Оптимальное для стабилизации распределения энерговыделения место размещения топливных регуляторов в активной зоне БГР-1600 определяется характером изменения реактивности во времени. В случае начального роста реактивности с последующим выбегом и уменьшением регуляторы целесообразно разместить в ЗМО, при монотонном падении реактивности — в ЗСО или ЗБО. Ввод торцевой части регулятора с воспроизводящим материалом в ЗМО, когда там накопилось достаточно много нуклида 239Рu, стабилизирует распределение энерговыделения. В ЗСО или ЗБО вводится топливная часть регулятора, компенсирующая недостаток плутония ввиду повышенной скорости его выгорания в этих зонах, что также стабилизирует распределение энерговыделения.
Снижение времени удвоения в БГР-1600 по сравнению с БГР-300 объясняется интенсификацией теплосъема при больших, чем в БГР-300, допустимых уплощениях активной зоны, а также меньшим обогащением топлива делящимся плутонием, поскольку здесь меньше утечка нейтронов из активной зоны.

Перегрузки и перестановки топлива в реакторе БГР-300.

Рассмотренная выше активная зона рассчитана на трехкратные частичные перегрузки и является перспективной для реактора БГР-300. Для упрощения эксплуатации опытного реактора на начальном этапе определим условия его работы с минимальным числом перегрузок и перестановок топлива.
Для обеспечения полного (до 10%) выгорания топлива начальная реактивность БГР-300 должна составлять 12%, из которых 5,7% можно подавить топливными компенсаторами (11 кассет), и 6,3%—девятью кассетами боковой зоны воспроизводства, установленными в первый ряд ЗБО (рис. 3.7). В активной зоне имеется также пять топливных компенсаторов систем АЗ и АР и три топливных регулятора системы компенсации температурного эффекта и создания подкритичности. Все эти компенсаторы (кроме АР) являются комбинированными и имеют поглощающую часть в торцевой зоне воспроизводства.


Рис. 3.7. Картограмма активной зоны реактора БГР-300 с девятью кассетами боковой зоны воспроизводства, установленными в ЗБО:
1— кассеты ЗМО; 2 — кассеты ЗБО; 3 — кассеты боковой зоны воспроизводства; 4 — кассеты системы компенсации выгорания; 5 — кассеты АЗ; 6 — кассеты АР; 7 — кассеты систем компенсации температурного эффекта и создания подкритичности
После выработки начальной реактивности и достижения 5—6%-ной глубины выгорания реактивность восстанавливается посредством замены девяти кассет боковой зоны воспроизводства, стоящих в ЗБО, свежими кассетами ЗБО. Одновременно для выравнивания распределения энерговыделения и глубины выгорания топлива в зонах осуществляется перестановка кассет наружного и внутреннего рядов ЗБО. В конце кампании топлива производится полная выгрузка активной зоны в места выдержки за боковой зоной воспроизводства и установка новой активной зоны. Первый и третий ряд кассет боковой зоны воспроизводства после первой кампании переставляются местами, и первый ряд остается в реакторе на вторую кампанию, несмотря на превышение оптимальной (1—2%) нормы накопления 239Рu в 238U. В БГР-300 это допустимо, поскольку это опытный реактор относительно небольшой мощности, и можно пренебречь необходимостью быстрой переработки вторичного плутония и использовать в реакторе кассеты активной зоны и боковой зоны воспроизводства вплоть до достижения технологического предела их работоспособности, что снижает топливную составляющую стоимости электроэнергии на начальном этапе эксплуатации реактора.

Кассеты боковой зоны воспроизводства, компенсирующие избыточную реактивность активной зоны, играют роль дополнительных поглотителей с полезным поглощением в них нейтронов. Их присутствие заметно увеличивает КВА. Однако основная их функция — компенсировать реактивность на выгорание, и при необходимости их можно удалить из активной зоны в любой момент кампании.

Этим объясняется такое преимущество, как возможность восстановить полный запас реактивности, компенсируемый органами регулирования, при любых аварийных остановках, связанных с необходимостью вскрытия крышки реактора, например в случае удаления из активной зоны кассет с разгерметизированными твэлами.
Альтернативным способом достижения полного выгорания топлива могут быть частичные, например трехкратные, перегрузки топливных кассет, являющихся в данном случае двухфункциональными элементами: кассетами, которые должны выгорать на 1/3 полной глубины выгорания на каждом этапе работы, и компенсаторами выгорания, восстанавливающими реактивность после перегрузки. Такое двойное назначение кассет может создать затруднения при эксплуатации первого реактора. Кроме того, данный способ связан с некоторым недожиганием топлива, выгружаемого при первых перегрузках, и неудобством испытания на опытном реакторе активных зон разного типа. Тем не менее отработка частичных перегрузок предусматривается на последующих стадиях работы реактора БГР-300, что может дать полезный опыт и быть использовано при эксплуатации реактора БГР-1600.

Основные показатели реактора и пути улучшения воспроизводящих характеристик.

Основные конструкционные и физические характеристики реакторов БГР-300 и БГР-1600 приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4
Расчетные конструкционные и нейтронно-физические характеристики реакторов
БГР-300 и БГР-1600

Модель А реактора БГР-300 характеризуется большей толщиной кожуха ТВС и оболочек твэлов, большим относительным шагом твэлов в ТВС и соответственно меньшим перепадом давления на реакторе, а также использованием кассет боковой зоны воспроизводства для компенсации начальной реактивности (см. п. 2). Модель Б — более перспективная модификация реактора, имеющая структуру и показатели, близкие к результатам оптимизационных расчетов, полученных с помощью комплекса РОКБАР. Аналогичную структуру имеет и активная зона реактора БГР-1600 [29, 94].
Дальнейшее совершенствование перспективного реактора БГР-1600 может быть достигнуто при использовании гетерогенных окисно-металлических композиций «пятнистого» типа, т. е. активных зон, составленных из повторяющихся гетерогенных ячеек, включающих ТВС с окисным и с металлическим топливом. В качестве окисного может быть использовано смешанное топливо из PUO2+UO2 с эффективной плотностью в пределах оболочек твэлов 8,8 г/см³. Металлическим топливом может служить природный уран, легированный 3% молибдена, плотностью 16 г/см³. Выбор оптимальной гетерогенной композиции осуществлялся при фиксированных значениях шага ТВС (145 мм), толщины кожуха (2 мм) и размера ТВС под ключ (140 мм), совпадающих с параметрами варианта А реактора БГР-300 (табл. 3.4).
При определении наилучшей гетерогенной композиции необходимо выявить оптимальную по времени удвоения структуру окисной ТВС, найти приемлемую по выходным температурам гелия и накоплению плутония композицию ТВС с металлическим ураном и определить оптимальную объемную долю εм этих ТВС в гетерогенной активной зоне. В теплогидравлических расчетах должны быть учтены ограничения по температурам оболочки и центра топлива (800 и 2300 °C для окисного топлива и 700 и 850°C для металлического), и ограничения по перепаду давления на реакторе, равные 0,2 МПа, при относительном шаге твэлов в ТВС h≥1,2. Кроме того, должны быть учтены ограничения по допустимой степени неравномерности выходной температуры гелия по сечению активной зоны.
Оптимальной по Т2 среди окисных композиций является активная зона из ТВС с большим (397 шт.), чем в БГР-300, числом твэлов сравнительно небольших диаметров (5,5—5,6 мм), с удельной мощностью активной зоны 440—500 кВт/л. Наилучшей ТВС с металлическим топливом можно считать ТВС, содержащую 127 твэлов диаметром 11 мм. Толщина оболочки твэлов составляет 0,3 мм для окисного и 0,4 мм для металлического топлива.
Оптимальной по Т2 является гетерогенная структура с εм=1/3, с высотой активной зоны 1000 мм и толщиной торцевых зон воспроизводства 500 мм. Обогащение топлива по 239Pu+241Pu составляет в окисных ТВС 16,8%, накопление плутония в металлическом уране 0,74%, средний по гетерогенной ячейке КВ = 1,79 и Т2—5,9 лет при времени переработки топлива активной зоны Тп.а=1 год и торцевых зон воспроизводства Тп.з.в =0,5 года.

Выигрыш в Т2 по сравнению с оптимальной окисной композицией составляет при этом 27%. С уменьшением объемной доли металлических ТВС до εм=0,2 выигрыш в Т2 снижается до 19% при росте допустимого по температурным условиям накопления плутония в металлическом топливе до 1,4%.
Гетерогенные окисно-металлические композиции имеют заметное преимущество по Т2 (до 32%) перед окисными типа БГР-300 с небольшим (217—271 шт.) числом более крупных по диаметру (6,9 мм) твэлов, даже при значительных (1,7%) накоплениях плутония в металлическом топливе.