ТОПЛИВНАЯ ТАБЛЕТКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ВЫГОРАЮЩИМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть применено для компенсации избыточной в активных зонах ядерных реакторных установок преимущественно с тепловым или промежуточным спектром нейтронов.
2
3
2
2
3
2
Известны топливные таблетки тепловыделяющих элементов ядерных реакторов с выгорающим поглотителем, например, топливные таблетки из гомогенной смеси оксидов редкоземельных элементов с диоксидом урана и/или плутония, например, ЕrО+UO в реакторах РБМК (Краюшкин А.В., Новиков В.Г., Тишкин Ю.А. и др. Использование уранэрбиевого топлива в реакторах РБМК. Материалы Х Международного семинара по проблемам физики реакторов ВОЛГА 97. Москва, 2-6 сентября 1997. М., МИФИ, 1997, с. 72), GdO+UO в легководных реакторах (Махова В.А., Семеновская И.В. Использование редкоземельных элементов в качестве выгорающих поглотителей для реакторов PWR во Франции. Атомная техника за рубежом, 1997, № 11, с. 3-7). При этом, в случае сильнопоглощающего материала, каковым является гадолиний (Gd), смешанное уран-гадолиниевое топливо используется в отдельных твэлах, называемых твэгами. В случае использования менее поглощающего материала - эрбий (Еr), предпочтительнее использовать уран-эрбиевое топливо либо во всех, либо в большей части твэлов тепловыделяющей сборки.
Недостатками указанных топливных таблеток являются относительно низкая теплопроводность и температура плавления, а также относительно малая доля в них тяжелых делящихся материалов (урана или плутония).
2
3
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является топливная таблетка тепловыделяющего элемента реактора ВВЭР-1000 с центральным отверстием и с выгорающим поглотителем - гадолинием, размещенным в виде гомогенной смеси GdO
2
с UO (G.L. Lunin, A.N. Novikov, V.I. Pavlov. Development of four-years fuel cycle based on advanced FA with U-Gd fuel and its implementation to the operating VVER-1000 units. Proceedings of the tenth Symposium of AER II, Moscow, 18-22 October 2000. С. 75-89). Недостатками прототипа являются:
- относительно низкие теплопроводность и температура плавления ядерного топлива, что вынуждает осуществлять эксплуатацию твэгов при пониженных тепловых нагрузках;
2
- относительно малая объемная доля урана в топливной таблетке, из-за уменьшения объемной доли оксида урана (UO) и относительно низкое обогащение урана изотопом урана-235 для снижения линейной нагрузки на твэг;
- повышенная внутрикассетная неравномерность энерговыделения в начале кампании, из-за малой мощности твэгов.
Для устранения указанных недостатков в топливной таблетке тепловыделяющего элемента ядерного реактора, состоящей из ядерного топлива и выгорающего поглотителя и имеющей центральное отверстие, предлагается:
- в центральное отверстие поместить сердечник с выгорающим поглотителем;
- сердечник выполнить по меньшей мере из одного вида выгорающего материала;
- выгорающий материал диспергировать в матрицу из слабопоглощающего вещества.
inf
Сущность изобретения представлена на чертежах, где на фиг.1 и 2 изображены, соответственно, поперечное и продольное сечения топливной таблетки с выгорающим поглотителем в виде сердечника, размещенного в центральном отверстии; на фиг.3  -зависимости изменения коэффициента критичности (К) бесконечной решетки ТВС реактора ВВЭР-1000 с различными топливными таблетками от времени выгорания при средней энергонапряженности топлива 42,6 кВт/кгU.
На фиг.1, 2 приняты следующие обозначения: 1 - ядерное топливо, 2 - сердечник с выгорающим поглотителем.
Топливная таблетка устроена следующим образом.
В центральное отверстие топливной таблетки вставлен сердечник 2 с выгорающим поглотителем.
Сердечник 2 может иметь как гомогенную структуру - смесь поглощающего материала и нейтральной матрицы, так и гетерогенную, когда поглощающая часть сконцентрирована преимущественно в части объема сердечника, например в центральной части.
Устройство работает следующим образом.
Топливные таблетки помещаются в оболочки тепловыделяющих элементов, из которых собирается тепловыделяющие сборки, загружаемые в активную зону ядерного реактора. Наличие поглощающего материала в топливных таблетках снижает избыточный запас реактивности в активной зоне в начале работы топливной загрузки. Облучение таблетки нейтронами при работе реактора на мощности приводит к выгоранию выгорающего поглотителя и высвобождению реактивности, частично компенсирующей потерю реактивности при выгорании топлива.
Заявляемое техническое решение позволяет:
- повысить теплопроводность и увеличить температуру плавления ядерного топлива;
- увеличить объемную долю ядерного топлива;
- уменьшить внутрикассетную неравномерность энерговыделения в начале кампании.
Представленные на фиг.3 зависимости коэффициента критичности получены для трех вариантов топливной загрузки, обозначенных:
2
1)×-ТВС с 312 твэлами, содержащими таблетки из UO со средним обогащением урана х=3,86% по U-235, без выгорающего поглотителя;
2) сплошная линия - ТВС теми же топливными таблетками в 300 твэлах и с 12 твэгами с содержанием гадолиния 5% вес.;
3
3
3) о - топливные таблетки во всех твэлах с поглощающими сердечниками (диаметр поглощающего сердечника 14 мм, состав: порошок карбида бора в смеси с углеродом, содержание бора в выгорающем сердечнике ~ 0,07 г/см, плотность графитовой матрицы ~ 1 г/см).
вп
2
3
3
В таблице 1 приведены значения реактивностной способности (Δρ) выгорающих поглотителей (гадолиния в 12 твэгах с содержанием GdO 5% вес. и бора в выгорающих сердечниках с содержанием 0,07 г/см) в зависимости от энерговыработки топлива. Реактивностная способность определялась по формуле:
вп
inf
inf
Δρ=l/K(c ВП)-1/K(c ВП) Содержание бора в выгорающих сердечниках выбрано из условия равенства их реактивностной способности и реактивнстной способности 12 твэгов в начале кампании.
Как видно из графиков, изображенных на фиг.3, и данных, приведенных в таблице 1, при одинаковой исходной реактивностной способности выгорающие сердечники выгорают более плавно, чем твэги и при энерговыработке 17 ~ МВт·сут/кг их реактивностные способности оказываются примерно одинаковыми. Такой уровень энерговыработки примерно соответствует энерговыработке топлива ТВС первого цикла облучения перед перегрузкой при 12-месячной кампании реактора. Количество выгорающего поглотителя выбирается таким образом, чтобы он максимально выгорел за первый цикл облучения. Недовыгорание поглотителя приводит к увеличению расхода топлива. С этой точки зрения, как это видно из таблицы 1 и фиг.2, вариант с выгорающими сердечниками более предпочтителен, т.к. потери реактивности от недовыгорания поглотителя при энерговыработке топлива больше ~ 17 МВт·сут/кг в этом варианте меньше, чем в варианте с твэгами. Это связано с тремя обстоятельствами. Во-первых, с большим остаточным поглощением на слабовыгорающих изотопах гадолиния,
во-вторых, с большей загрузкой топлива в варианте с выгорающими сердечниками и, в третьих, с некоторым увеличением коэффициента конверсии из-за ужесточения спектра нейтронов в топливной таблетке, обусловленного присутствием бора. Последний эффект объясняет некоторый выигрыш в реактивности варианта с выгорающими сердечниками по сравнению с вариантом без выгорающих поглотителей при энерговыработке топлива больше 30 МВт·сут/кг.
Таким образом, вариант с выгорающими борными сердечниками в топливных таблетках по своей компенсирующей способности, как минимум не проигрывает варианту с 12 твэгами при длительности межперегрузочного интервала 12 месяцев. При переходе на удлиненные топливные циклы 18 и 24 месяца использование борных выгорающих сердечников предпочтительней.
Возможный экономический эффект от внедрения изобретения состоит в следующем. Устройство позволит повысить надежность и безопасность реакторной установки за счет повышения теплопроводности и температуры плавления сердечника в топливных элементах и снижения внутрикассетной неравномерности, а также позволит увеличить топливную загрузку и добиться снижения потерь реактивности от недовыгорания выгорающего поглотителя, что способствует увеличению длительности кампании реактора и росту коэффициента использования установленной мощности.
Таблица 1Результаты нейтронных расчетов для ТВС ВВЭР-1000 свыгорающим поглотителем
Параметр
Выгорающийпоглотитель
Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Веет
Число твэлов с ВП
12
312
Реактивностная
Шаг 0,
-8,998
-8,995
способность ВП, %ΔК/К
МВт·сут/кг
Шаг 5,
-5,269
-4,352
МВт·сут/кг
Шаг 10,
-1,142
-2,025
МВт·сут/кг
Шаг 15,
-0,633
-0,869
МВт·сут/кг
Шаг 20,
-0,561
-0,311
МВт·сут/кг
Шаг 25,
-0,467
-0,042
МВт·сут/кг
Шаг 30,
-0,383
+0,096
МВт·сут/кг
Шаг 40,
-0,144
+0,231
МВт·сут/кг