ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ПУЧКОВОГО РЕАКТОРА ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПИК

Полезная модель относится к устройству тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) пучкового реактора для физических исследований ПИК [1] (Ерыкалов А.Н., Захаров А.С., Коноплев К.А., Петров Ю.В., Смольский С.Л. Конструкция активной зоны и отражателя реактора ПИК. Препринт ПИЯФ-2472, Гатчина, 2002, 30 с). Реактор ПИК имеет охлаждаемую легкой водой активную зону и тяжеловодный отражатель, в котором расположены каналы для вывода пучков нейтронов. Активная зона реактора ПИК заполнена ТВЭЛами. ТВЭЛ реактора ПИК это ТВЭЛ типа СМ с увеличенной длиной активной части до 500 мм. ТВЭЛ реактора СМ хорошо зарекомендовал себя в работе и подробно описан в [2] (Цыканов В. А. Тепловыделяющие элементы для исследовательских реакторов. Монография, 2001, 278 с).
Наиболее близок к заявляемому объекту является ТВЭЛ реактора ПИК. [3] (Агеенков В.И., Волков B.C., Солонин М.И., Гарусов Е.А., Звездкин B.C., Коноплев К.А., Бек Е.Г., Ильяшик М.И., Потоскаль Г.Г., Самохин М.Г., Цыбуля В.А. Параметры и технология изготовления ТВЭЛов реактора ПИК. Атомная Энергия, 2002, т. 92, вып. 6, с. 438-444). (Прототип).
2
3
3
Штатный ТВЭЛ реактора ПИК имеет поперечное сечение крестообразной формы. 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 лопасти закручены с шагом 30 см. Этим обеспечивается дистанционирование ТВЭЛов в треугольной решетке с шагом 5,23 мм. Загрузка бронзового сердечника ТВЭЛа 90% ураном составляет 7,11 г урана-235/ТВЭЛ. Поперечное сечение сердечника ТВЭЛа составляет S=7,23 мм, его объем при длине топливного слоя 50 см составляет 3,615 см. Таким образом, штатная начальная концентрация урана-235 составляет 1,967 г урана-235/см. Она для ТВЭЛа реактора ПИК не является оптимальной, ибо приводит к завышенным расходам на топливо.
Задачей данного изобретения является снижение расходов на топливо.
Технический эффект данного изобретения заключается в нахождении оптимальной начальной концентрации топлива в ТВЭЛе, обеспечивающей снижение до минимума топливных затрат.
Поставленная задача достигается тем, что в тепловыделяющем элементе пучкового реактора для физических исследований ПИК, новым является то, что начальная загрузка ураном-235 составляет 14-17 г урана-235/ТВЭЛ.
На фиг. 1 показано поперечное сечение крестообразной формы штатного ТВЭЛа реактора ПИК: D=5, 15 мм, R=1 мм, δ=0,15 мм.
На фиг. 2 представлена расчетная зависимость плотности шлаков в выгоревших ТВЭЛах реактора ПИК в зависимости от начальной загрузки ТВЭЛов ураном-235, где: а - без ограничения на выгорание; б - при максимальном выгорании 60%; с - при максимальном выгорании 80%.
На фиг. 3 изображено расчетное поведение относительной величины топливных затрат в зависимости от начальной загрузки урана-235 в ТВЭЛах, где: a - без ограничения на выгорание, b - при максимальном выгорании 60%, c - при максимальном выгорании 80%.
Обоснование заявляемых признаков основано на следующем. Для определения оптимальной концентрации топлива рассмотрим функционал пропорциональный топливной составляющей удельных затрат при эксплуатации реактора:
,
a
-5
где =1,5-10 г/МВт·с для урана-235, делящегося на тепловых нейтронах;
Φ - используемый средний по времени и по каналам невозмущенный поток нейтронов;
n - число каналов;
P - средняя по времени работы реактора мощность;
y - глубина выгорания горючего в выгружаемых ТВЭЛах;
g - стоимость грамма урана-235 в ТВЭЛах с учетом затрат на их материалы и изготовление. [4] (Ерыкалов А.Н., Петров Ю.В. Параметры, характеризующие реакторы для физических исследований. Атомная Энергия, (1968), т. 25, вып. 1, с. 52-53).
f
С ростом загрузки топливом избыточную реактивность можно использовать для увеличения глубины выгорания топлива «y» и тем самым снижения топливных затрат S. Однако, увеличивать загрузку ураном можно до определенного предела, определяемого технологической стойкостью ТВЭЛов типа СМ.
В реакторе СМ выгорание штатных ТВЭЛов составляет около 35%. Далее они дожигаются в реакторе РБТ до 50-60%. [5] (Цыканов В.А., Старков В.А., Клинов А.В., Святкин М.И. Высокопоточный реактор СМ-2 и его роль в развитии ядерной науки и техники. Сборник докладов, Дмитровград, (2012), с. 473-491).
Известно, что ТВЭЛы реактора СМ сохраняют свою работоспособность до выгорания 80%. [6] (Козлов А.В., Морозов А.В., Волков B.C., Ершов С.А. Разработка экспериментального ТВЭЛа с малопоглощающими нейтроны материалами для модернизированного реактора СМ. Сборник докладов, Дмитровград, (2012), с. 691-698).
3
3
3
3
Для дальнейшего рассмотрения ограничим глубину выгорания в ТВЭЛах реактора ПИК уже достигнутой в реакторе СМ (60-80)%. На фиг. 2 представлена расчетная зависимость плотности шлаков в выгоревших ТВЭЛах реактора ПИК в зависимости от начальной загрузки ТВЭЛов ураном-235. Видно, что с ростом начальной загрузки ураном-235 за счет увеличения выгорания «y» плотность шлаков увеличивается. 80% шлаков от начальной загрузки ураном-235 в штатных ТВЭЛах составляют 1,57 г/см, а 60% составляют 1,18 г/см. Такие выгорания достигаются в реакторе ПИК при начальной плотности урана-235 в сердечнике ТВЭЛов 4,8 г урана-235/см и 4 г урана-235/см соответственно, что в 2,4-2 раза больше, чем существующая плотность в штатных ТВЭЛах. При дальнейшем увеличении загрузки топливом глубину выгорания следует снижать, сохраняя предельно допустимую концентрацию шлаков.
f
f0
На фиг. 3 изображено расчетное поведение относительной величины топливных затрат (S/S) в зависимости от начальной загрузки урана-235 в ТВЭЛах. Из фиг. 3 следует, что если увеличить начальную загрузку урана-235 в ТВЭЛах реактора ПИК от штатной (7.11 г урана-235/ТВЭЛ) в 2-2.4 раза, доведя загрузку урана-235 в ТВЭЛах до 14-17 г урана-235/ТВЭЛ, то топливная составляющая затрат уменьшится до 0,62 от затрат для штатных ТВЭЛов.
В этом заключается положительный эффект от увеличения начальной загрузки топливом ТВЭЛов реактора ПИК до 14-17 г урана-235/ТВЭЛ.