ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО РЕАКТОРА
FUEL ELEMENT OF RESEARCH REACTOR

Изобретение относится к ядерной технике, к конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов), используемых для формирования активных зон ядерных реакторов, в частности для высокоэнергонапряженных активных зон исследовательских реакторов. К настоящему времени известно множество конструкций твэлов, в частности стерженьковых твэлов.
Известен твэл типа СМ, который хорошо зарекомендовал себя в работе и подробно описан в литературе [1] (Цыканов В.А. Тепловыделяющие элементы для исследовательских реакторов. Монография. Димитровград, 2001, 250 с.). Твэл типа СМ имеет поперечное сечение крестообразной формы, лопасти, топливный сердечник, оболочку. По длине ТВЭЛа лопасти закручены и образуют винтовую линию, этим обеспечивается дистанционирование твэлов в треугольной решетке кассеты. Между лопастями образована впадина.
Этот твэл планируется использовать в реакторе ПИК [2] (Агеенков В.И., Волков B.C., Солонин М.И.и др. Параметры и технология изготовления твэлов реактора ПИК. Атомная Энергия, 2002, т.92, вып.6, с.438-444).
Из-за утолщения сердечника между впадинами возникает неравномерность температуры по периметру твэла. Это обстоятельство не желательно, так как ограничивает допустимую максимальную удельную мощность в реакторе.
Для снижения температуры сердечника и выравнивания температуры по периметру твэла создан экспериментальный твэл типа СМ с центральным вытеснителем из алюминия: (В.А. Цыканов, В.А. Старков, А.В. Клинов, и др. Высокопоточный реактор СМ-2 и его роль в развитии ядерной науки и техники. Сборник докладов международной научной конференции «Исследовательские реакторы в разработке ядерных технологий нового поколения и фундаментальных исследованиях», Димитровград, 2012, с.473-471) [3]. Твэл состоит из оболочки, топливного сердечника, вытеснителя.
В качестве прототипа рассмотрен твэл, описанный в патенте RU 2389089 «Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов (варианты) и способ изготовления (варианты)», (А.В. Ватулин, В.С. Волков, С.А. Ершов и др.) [4]. Твэл состоит из оболочки, топливного сердечника, вытеснителя, расположенного в центре топливного сердечника. Твэл имеет лопасти, топливный сердечник, оболочку. По длине твэла лопасти закручены и образуют винтовую линию. Поперечное сечение имеет вид четырехлучевой звезды. Для вытеснителя предлагается использовать цирконий или алюминий.
Как было сказано выше, вытеснитель служит для снижения температуры сердечника и выравнивания температуры по периметру твэла, т.к. из-за утолщения сердечника между впадинами возникает неравномерность температуры по периметру твэла, что ограничивает допустимую максимальную удельную мощность в реакторе.
Однако наличие вытеснителя в твэл(е) частично исключает общий полезный объем активной зоны, что приводит к ухудшению нейтронных характеристик реактора.
Задачей предлагаемого изобретения является создание твэла с центральным вытеснителем внутри, обеспечивающего улучшение нейтронных параметров исследовательского реактора (на примере пучкового высокопоточного реактора для физических исследований ПИК).
Техническим результатом является возможность увеличить запас реактивности реактора, несмотря на уменьшение объема сердечника твэлов, обусловленного наличием вытеснителя в твэле. Предлагаемый твэл может быть использован полезным образом или для увеличения числа облучаемых устройств в реакторе, или для увеличения продолжительности кампании реактора, и тем самым экономии расходуемого урана.
Поставленная задача достигается тем, что в известном тепловыделяющем элементе исследовательского реактора, имеющем поперечное сечение в виде четырехлучевой звезды и вытеснитель, расположенный в центре топливного сердечника ТВЭЛа, новым является то, что вытеснитель выполнен из водородосодержащего вещества, например, легкой воды или гидрида.
Вытеснитель выполнен из гидрида титана либо гидрида циркония.
Вытеснитель выполнен в виде канала, обеспечивающего протекание легкой воды теплоносителя реактора.
Заявляемая совокупность признаков не обнаружена в открытой печати и основана на впервые выполненных расчетах авторов данного изобретения применительно к штатным твэлам, используемым в реакторе ПИК.
ПИК - это высокопоточный реактор для физических исследований [5] (Ерыкалов А.Н., Захаров А.С., и др. Конструкция активной зоны и отражателя реактора ПИК. Препринт ПИЯФ 2472, Гатчина, 2003, 30 с.).
На фиг.1 показано поперечное сечение заявляемого твэла, где 1 - лопасть твэла, 2 - впадина между лопастями, 3 - топливный сердечник твэла, 4 - оболочка твэла, 5 - водородосодержащий вытеснитель.
эфф
На фиг.2 приведена расчетная зависимость эффективного коэффициента размножения нейтронов реактора ПИК (К) от времени выгорания активной зоны на мощности 100 МВт при использовании в твэлах центрального вытеснителя диаметром 1.7 мм из алюминия (кривая 0), без вытеснителя (кривая 1), из легкой воды (кривые 2, 3, 4), из гидрида циркония (кривая 5) и из гидрида титана (кривая 6).
Влияние материала центрального вытеснителя твэла на нейтронофизические параметры выполнено расчетным образом по программе Монте Карло МСВ [6] (Cetnar J. Wallenius J. Gudowski W. МСВ: A continuous energy Monte Carlo burn up simulations code. In “Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation”. EUR 18898 EN, OECD/NEA, 1999, p.523).
c
o
2
2
2
Для расчетов взяты размеры и характеристики твэла реактора ПИК [2]. Штатный твэл реактора ПИК имеет поперечное сечение крестообразной формы. Твэл имеет лопасти, топливный сердечник, оболочку. По длине твэла лопасти закручены и образуют винтовую линию. Этим обеспечивается дистанционирование твэлов в треугольной решетке кассеты. Между лопастями образована впадина. Размер внешне описанной окружности составляет 5.15 мм; радиус впадины 1 мм; радиус лопасти 0.5 мм; толщина стальной оболочки 0.15 мм. По длине твэла лопасти закручены и образуют винтовую линию с шагом 30 см. Этим обеспечивается дистанционирование твэлов в треугольной решетке кассеты с шагом 5.23 мм. Поперечное сечение топливного сердечника составляет S=7.23 мм, поперечное сечение оболочки S=2.50 мм, смачиваемый периметр Р=17.17 мм, поперечное сечение ячейки в топливной сборке S=23.69 мм, хорошо развитая поверхность теплопередачи в ячейке составляет P/S=7.25 1/см. Сердечник твэла состоит из диоксида урана с обогащением 90% в меднобериллиевой матрице. Для твэлов реактора ПИК загрузка штатного твэла по урану-235 составляет 7.14 г.
Из-за утолщения сердечника между впадинами возникает неравномерность температуры по периметру твэла. Отношение максимальной температуры к средней по периметру твэла составляет около 1.4. [7] (патент RU 2360305, «Тепловыделяющий элемент реактора» А.Н. Ерыкалов. Как было сказано выше, это ограничивает допустимую максимальную удельную мощность в реакторе.
В таблице 1 приведены расчетные значения длительности кампании и расхода урана в реакторе ПИК на мощности 100 МВт при использовании различных вытеснителей и без вытеснителя вообще.
Таблица 1
Расчетные значения длительности кампании и расхода урана в реакторе ПИК на мощности 100 МВт
№
Материал центрального вытеснителя в твэле
Диаметр вытеснителя
Относительная концентрация урана в сердечнике твэла
Длительность кампании
Относительная доля расходуемого урана при одинаковой энерговыработке со штатными твэлами реактора ПИК
№ кривой на фиг.2
мм
суток
1
алюминий
1.70
1.00
19
1.26
0
2
нет вытеснителя
0.0
1.00
35
1.00
1
3
легкая вода
1.70
1.00
31
0.77
2
4
легкая вода
1.70
1.20
43
0.67
3
5
легкая вода
1.70
1.04
35
0.71
4
6
гидрид циркония
1.70
1.20
45
0.64
5
7
гидрид титана
1.70
1.20
37
0.78
6
Расчетный коэффициент размножения реактора ПИК с загрузкой штатными твэлами составляет 1.1384(10) и уменьшается до 1.1079(12) при использовании твэлов с центральным вытеснителем диаметром 1.7 мм из алюминия. Реактивность реактора при этом уменьшается на 2.42(14)%. Это обстоятельство, например, приводит к уменьшению длительности кампании реактора для твэлов с вытеснителями. При диаметре вытеснителя 1.7 мм оставшееся количество топлива в твэле составляет 0.686 от штатного количества топлива. Из-за меньшего количества топлива активная зона с вытеснителем из алюминия выгорит за 19 суток (кривая 0 на фиг.2) вместо выгорания штатной активной зоны 35 суток (кривая 1 на фиг.2). При одинаковой энерговыработке расход урана составит 0.686(35/19)=1.26 от штатного.
Таким образом, использование алюминиевого вытеснителя, т.е. прототипа, снижает реактивность реактора и тем самым укорачивает кампанию и увеличивает расход урана. Это относится к критике прототипа, и это есть цена за выравнивание температуры по периметру твэла.
По своим физическим характеристикам охлаждаемая легкой водой компактная активная зона является “недозамедленной”. [8] (А.Н. Ерыкалов, О.А. Колесниченко, К.А. Коноплев, В.А. Назаренко, Ю.В. Петров, С.Л. Смольский. Реактор ПИК. Препринт ПИЯФ №1784, С-Петербург, 1992, 41 стр.). Из такой активной зоны часть нейтронов, не достигнув энергии, при которой значение сечения захвата ураном достаточно велико, вытекает из нее. Для таких реакторов уменьшение доли воды в активной зоне приводит к ухудшению замедления нейтронов и уменьшению реактивности, а увеличение доли воды - к увеличению реактивности.
Как следует из расчетов, для реактора ПИК замена части топливного сердечника на легкую воду приводит даже к увеличению реактивности, и тем самым к появлению возможности или увеличить загрузку реактора облучаемыми устройствами, или увеличить время кампании за счет увеличения глубины выгорания, что приводит к сокращению расхода урана (табл.1).
Расчеты, выполненные для твэлов реактора ПИК, показали, что замена центральной части сердечника твэла диаметром 1.7 мм на легкую воду приводит к увеличению реактивности реактора ПИК на 0.95(12)% (фиг.2, кривые 1-2). Этому обстоятельству способствует частичная самоблокировка топлива в центральной части сердечника твэла.
При диаметре вытеснителя 1.7 мм оставшееся количество топлива в твэле составляет 0.686 от штатного количества топлива. Из-за меньшего количества топлива такая активная зона выгорит за 31 сутки (кривая 2 на фиг.2) вместо выгорания штатной активной зоны 35 суток (кривая 1 на фиг.2). При одинаковой энерговыработке расход урана составит 0.686(35/31)=0.77 от штатного.
Если увеличить загрузку ураном в оставшемся объеме сердечника в 1.04 раза, то время работы реактора с водным вытеснителем сравняется со временем работы штатного (кривая 4 на фиг.2), и расход урана составит 0.686(1.04)=0.71 от штатного.
В работе [3] сообщается о возможности использования твэлов с увеличенной на 20% загрузкой ураном сердечника. Если увеличить загрузку в оставшемся объеме сердечника в 1.2 раза, то время работы реактора составит 43 сутки (кривая 3 на фиг.2). В этом случае расход урана составит 0.686×1.2(35/43)=0.67 от штатного расхода.
Как следует из фиг.2, использование вытеснителя таких же размеров из гидрида циркония (кривая 5 на фиг.2) приводит к 45 суткам работы, т.е. даже к большей, чем с легководным вытеснителем энерговыработке из-за большей плотности водорода в гидриде циркония, чем в воде. Расход урана составит 0.686×1.2(35/45)=0.64 от штатного расхода.
Использование для вытеснителя более поглощающего нейтроны гидрида титана позволяет проработать только 37 суток (кривая 6, фиг.2). В этом случае используется 0.686×1.2(35/37)=0.78 от штатного в активной зоне количества урана.
Таким образом, использование в твэле легководного вытеснителя или вытеснителя из гидрида циркония позволяет сократить приблизительно на треть расход урана при одинаковой энерговыработке с загрузкой штатными твэлами. При этом остается положительный эффект от введения вытеснителя, т.е. снижение температуры в сердечнике и выравнивание теплового потока по периметру твэла [3], [4]. Это получилось благодаря наличию хорошо замедляющего нейтроны водорода в центральном вытеснителе твэла.
Если провести сравнение предлагаемых твэлов с легководным центральным вытеснителем с твэлами прототипа (где вытеснитель: алюминий или цирконий) в реакторе ПИК, то расход урана в реакторе на предлагаемых твэлах будет в (31/19)=1.6 раза меньше.
Конструктивно легководный вытеснитель можно выполнить в виде канала для теплоносителя по оси в центре твэла. Очевидно, что можно за счет изменения глубины впадины согласовать гидравлический диаметр этого центрального канала с гидравлическим диаметром ячейки вне твэла.
Возможность замены алюминиевого или циркониевого вытеснителя на вытеснитель из гидрида циркония (или гидрид титана) не вызывает сомнений.
Литература
1. Цыканов В.А. Тепловыделяющие элементы для исследовательских реакторов. Монография. Димитровград, 2001, 250 с.
2. Агеенков В.И., Волков B.C., Солонин М.И.и др. Параметры и технология изготовления твэлов реактора ПИК. Атомная Энергия, 2002, т.92, вып.6, с.438-444.
3. В.А. Цыканов, В.А. Старков, А.В. Клинов, и др. Высокопоточный реактор СМ-2 и его роль в развитии ядерной науки и техники. Сборник докладов международной научной конференции «Исследовательские реакторы в разработке ядерных технологий нового поколения и фундаментальных исследованиях», Димитровград, 2012, с.473-471.
7
4. Патент RU 2389089 «Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов (варианты) и способ изготовления (варианты)», МПК G21C 3/02 - прототип.
5. Ерыкалов А.Н., Захаров А.С., и др. Конструкция активной зоны и отражателя реактора ПИК. Препринт ПИЯФ 2472, Гатчина, 2003, 30 с.
6. Cetnar J. Wallenius J. Gudowski W. MCB: A continuous energy Monte Carlo bum up simulations code. In “Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation”. EUR 18898 EN, OECD/NEA, 1999, p.523.
7. Патент RU 2360305, МПК G21C 3/02.
8. А.Н. Ерыкалов, О.А. Колесниченко, К.А. Коноплев, В.А. Назаренко, Ю.В. Петров, С.Л. Смольский. Реактор ПИК. Препринт ПИЯФ №1784, С-Петербург, 1992, 41 стр.