CC BY
9
2023;13(4):51-59 Глобальная ядерная безопасность / Global nuclear safety
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ОТРАСЛИ
OPERATION OF FACILITIES NUCLEAR INDUSTRY
УДК 621.039.54:621.039.524.441 https://doi.org/10.26583/gns-2023-04-07 EDN VKHUTB
Анализ и оптимизация внутрикассетной неравномерности энерговыделения и выгорания топлива ВВЭР-1000
A.A. Лапкис1'2 El, A.C. Старченко1 , Д.В. Тришечкин1 , И.Ю. Попова1
1Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета
«МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.
"Ростовская атомная станцня - филиал АО «Концерн Росэнергоатом», г. Волгодонск, Ростовская обл., Россия
Аннотация. В данной работе рассмотрены и систематизированы варианты тепловыделяющих сборок (ТВС) для реактора ВВЭР-1000. В нейтронно-физическом коде Serpent смоделирована бесконечная по высоте ТВС с шестью твэгами по образцу U49G6, применяемой в топливных загрузках ВВЭР-1000 «большой серии». В результате расчетов были выбраны варианты размещения твэгов с меньшей неравномерностью энерговыделения по ТВС, и проведена оценка влияния количества твэгов и их размещения на реактивность. Показано, что размещение твэгов в четвёртом кольце оптимально с точки зрения неравномерности потвэльного энерговыделения и глубины выгорания. Рассмотрено влияние компоновки ТВС на глубину выгорания топлива по отдельным группам твэлов. Предложен вариант сокращения затрат вычислительных ресурсов путём выделения наиболее различающихся по энерговыделению и выгоранию групп твэлов. Проведено сравнение исследуемых сборок с существующей ТВС типа U49G6. Предложен способ оценить недовыработку тепловой энергии в ТВС, связанную с неравномерностью выгорания твэлов в ней, при сохранении максимальной глубины выгорания по отдельным твэлам на уровне существующих образцов. На основе анализа величины недовыработки предложен вариант усовершенствования компоновки ТВС с шестью твэгами для выравнивания поля энерговыделения и сокращения непроизводительных потерь топлива. Для этого может быть снижено обогащение в первом, втором и десятом кольцах твэлов, считая от центральной трубы ТВС. В результате такого профилирования глубина выгорания наиболее выгоревших твэлов в кассете может быть снижена до 1,015 от средней по ТВС.
Ключевые слова: твэг, ТВС, ВВЭР-1000, реактивность, гадолиний, энерговыделение, выгорание, глубина выгорания, Serpent.
Для цитирования: Лапкис А.А., Старченко А.С., Тришечкин Д.В., Попова И.Ю. Анализ и оптимизация внутрикассетной неравномерности энерговыделения и выгорания топлива ВВЭР-1000. Глобальная ядерная безопасность. 2023;13(4):51-59. https://doi.org/10.26583/gns-2023-04-07
For citation: Lapkis А.А., Starchenko A.S., Trishechkin D.V., Popova I.Yu. Analysis and optimization of energy release and fuel bumup nonuniformity in the WWER-1000 fuel assembly. Global nuclear safety. 2023;13(4):51-59 (In Russ.) https://doi.org/10.26583/gns-2023-04-07
Analysis and optimization of energy release and fuel burnup nonuniformity in the WWER-1000 fuel assembly
| Л 1 1
Aleksandr A. Lapkis ' El, Aleksandr S. Starchenko , Dmitry У. Trishechkin ,
Irina Yu. Popova1
1 Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhl», Volgodonsk, Rostov
region, Russia
~ Rostov Nuclear Power Plant - a branch of Rosenergoatom Concern JSC, Volgodonsk, Rostov region, Russia
Abstract. The paper considers and systematises the options of fuel assemblies (FAs) for the WWER-1000 reactor. In the Serpent neutron-physics code, an infinite-height fuel assembly with six fuel pins is modelled using the U49G6 pattern used in the WWER-1000 «large series» fuel assemblies. Variants of fuel elements placement with lower non-uniformity of energy release on fuel assemblies were selected as a result of calculations, and the influence of the number of fuel elements and their placement on reactivity was evaluated. It is shown that gadolinium fuel elements placement in the fourth ring is optimal from the point of view of non-uniformity of fuel energy release and burn-up depth. The influence of the fuel assembly layout on the fuel burnup depth for separate groups of fuel pins is considered. The variant of reduction of computational resources expenditures by means of allocation of the most different in energy release and burnup groups of gadolinium fuel rods is offered. Comparison of the investigated assemblies with the existing U49G6 type fuel assembly is carried out. A method to estimate the underproduction of thermal energy in the fuel assembly associated with the non-uniformity of fuel element burnup in it, while maintaining the maximum burnup depth for individ© Лапкис А.А., Старченко А.С. Тришечкин Д.В., Попова И.Ю., 2023
© 0®
ual fuel elements at the level of existing samples is proposed. On the basis of the analysis of the value of underproduction, a variant of improving the configuration of fuel assemblies with six fuel elements is proposed to equalise the field of energy release and reduce unproductive fuel losses. Therefore, enrichment in the first, second and tenth rings of fuel elements, counting from the centre tube of the fuel assembly, can be reduced. As a result of such profiling, the burnup depth of the most burned-out fuel elements in the cassette can be reduced to 1.015 of the average for the fuel assembly.
Keywords: gadolinium fuel rod, fuel assembly, WWER-1000, reactivity, gadolinium, energy release, burnout, burnup, Serpent.
Введение
В конце топливной кампании в ядерном топливе реактора ВВЭР всегда имеется невыгоревшая часть топливных нуклидов, обусловленная неравномерностью поля энерговыделения в активной зоне. Чем выше эта доля, тем ниже эффективность и выше потенциал для оптимизации использования топлива. Основную часть выработки ядерной энергии сейчас обеспечивают тепловые реакторы, что означает повышенную потребность в использовании ископаемого урана-235, запасы которого ограничены. Так как переход к замкнутому топливному циклу в краткие сроки осуществить затруднительно, то важно сократить все возможные потери топлива.
Вторым аспектом, требующим ещё более равномерного поля энерговыделения в ТВС ядерных реакторов, является повышение их единичной мощности. В настоящее время реакторы ВВЭР-1000 массово прошли повышение мощности до 104%, но АО «Концерн Росэнергоатом» рассматривает и варианты повышения мощности до 107-110%. Так, при неизменном поле энерговыделения и конструкции топлива повышение мощности неизбежно приведёт к снижению запасов по предельным тепловых нагрузкам на твэлы, и такие образом снизит уровень теплотехнической надёжности активных зон.
Обеспечение равномерности поля энерговыделения является одной из главных задач, стоящих перед разработчиками ядерного топлива и топливных загрузок. Чтобы достичь необходимых результатов, в проектах рассматриваются различные варианты ТВС как с использованием выгорающего поглотителя, так и без него, но с разным обогащением по 235^ В роли выгорающего поглотителя применяется Gd2O3. в отдельных топливных элементах - твэгах.
Проблема неравномерности поля энерговыделения рассматривалась в работах НИЯУ МИФИ [1-6], НТЦ ЯРБ [3], Курчатовского института [7, 8]. Изучались влияние профилирования по радиусу твэга с выгорающим поглотителем, влияние различных обогащений твэлов и концентраций Gd2O3 в твэгах. Особо стоит отметить, что неравномерность энерговыделения в ТВС влияет на характеристики безопасности при обращении с облучёнными ТВС, на радиационную безопасность контейнеров с ОЯТ [3, 4].
Разработчиками ядерного топлива предлагаются варианты ТВС с 6, 12, 18, 24 и 27 твэгами. Применение высокого количества выгорающего поглотителя способствует компенсации большего запаса реактивности [5], но провоцирует неравномерное энерговыделение и выгорание топлива внутри кассеты. Рассмотрим эту проблему на примере ТВС реактора ВВЭР-1000 с шестью твэгами. В качестве прототипа существующей кассеты этого типа может служить
модификация U49G6. Данная ТВС содержит шесть симметрично расположенных твэгов в восьмом гексагональном кольце в соответствии со схемой нумерации на рисунке 1.
Рисунок 1. Нумерация гексагональных колец Figure 1. Hexagonal ring numbering
Такая кассета включает 306 твэлов и 6 твэгов. Обогащение твэлов по урану-235 составляет 4,92%, твэгов - 3,6% с добавкой оксида гадолиния массовой долей 5,0%
Для оптимизации потвэльного распределения энерговыделения и глубины выгорания в данной работе необходимо:
- смоделировать решетку ТВС реактора ВВЭР-1000;
- установить зависимость между расположением твэгов в ТВС и их влиянием на степень неравномерности энерговыделения и глубины выгорания;
- оценить недовыработку энергии в ТВС, связанную с потвэльной неравномерностью, в зависимости от ее компоновки;
- предложить усовершенствованную компоновку ТВС, которая позволит минимизировать потвэльную неравномерность энерговыделения и выгорания топлива и недовыработку энергии.
Методы исследования
Моделирование внутрикассетных распределений энерговыделения и глубины выгорания ТВС проводилось с помощью нейтронно-физического кода Serpent [9], работа которого основана на методе Монте-Карло. Данный метод подразумевает моделирование случайных траекторий отдельных нейтронов. Это позволяет сократить до минимума количество приме-
няемых при расчёте приближений. Таким образом, метод Монте-Карло можно рассматривать как численный эксперимент, способный заменить эксперимент реальный. Основным недостатком является время, необходимое для получения результата, а также высокая потребность в вычислительных ресурсах.
Так как метод основан на случайных событиях, ему присуща статистическая погрешность. Для обеспечения точности получаемых результатов была проведена проверка сходимости.
Для исследования неравномерности энерговыделения была смоделирована бесконечная по высоте ТВС U49G6 с зеркальными граничными условиями, с использованием ядерных данных по библиотеке ШБТ'-ЗЛЛ. Проверка сходимости по коэффициенту размножения (Кэф) показала, что результат с установившейся погрешностью на уровне 0,1% можно получить при 70000 нейтронных историй и 600 циклах (рис. 2). Планки погрешностей на рисунке 3 и последующих соответствуют трём стандартным отклонениям.
1,293 -
1,2925 1,292 1,2915 т" 1,291 1,2905 1,29 1,2895 1,289
О 20000 40000 60000 80000 100000
Число нейтронных историй Рисунок 2. Проверка сходимости Figure 2. Verification of convergence
При этом несимметричность между секторами ТВС по величине относительного энерговыделения в твэле КТВС не превышает 0,01. Относительное энерговыделение в i-м твэле или твэге определялось по формуле (1):
. Qt
К
TBC(i)
<Qi>
(1)
где Р1 - мощность, выделяемая в 1-м твэле;
<Р1> - мощность, выделяемая в «среднем» твэле.
Анализ неравномерности энерговыделения и глубины выгорания в ТВС
В ходе работы рассматривались варианты сборок с количеством твэгов 6, 12, 18 и 24. Помимо количества, также менялось расположение твэгов в гексагональных кольцах. Результаты расчетов оценивались с помощью диаграмм и графиков энерговыделения, которые строились для каждой сборки.
При размещении твэгов во втором гексагональном кольце центр ТВС будет обладать более слабым энерговыделением, чем периферия. Поэтому целесообразно размещать твэги, начиная с третьего гексагональ-
ного кольца. В этом случае энерговыделение ТВС станет более равномерным (табл. 1).
Таблица 1. Энерговыделения и Кэф в разных вариантах расположения твэгов
Table 1. Energy Emissions and Cef in different variants of gadolinium fuel rods arrangement
Мин. относитель- Макс. относи-
№ кольца ное энерговыде- тельное энерго- Кэф
ление выделение
2 0.83 1.10 1.3594
3 0.92 1.10 1.3552
4 0.93 1.10 1.3540
6 0.89 1.10 1.3556
7 0.89 1.11 1.3583
8 0.89 1.12 1.3584
9 0.88 1.12 1.3588
10 0.87 1.11 1.3651
2 и 3 0.78 1.14 1.3115
3 и 4 0.85 1.14 1.3041
3 и 6 0.93 1.14 1.2917
3 и 7 0.94 1.12 1.2924
3 и 8 0.93 1.10 1.2919
3 и 9 0.93 1.10 1.2917
3 и 10 0.92 1.10 1.2978
2, 6 и 9 0.91 1.14 1.2336
3, 6 и 9 0.93 1.13 1.2311
4, 6 и 9 0.93 1.16 1.2332
2, 6, 9 и
10 0.96 1.15 1.1769
3, 6, 9 и
10 0.96 1.15 1.1742
3, 6, 8 и 9 0.96 1.14 1.1727
4, 6, 8 и 9 0.95 1.21 1.1756
Данные результаты приведены на графике (рис. 3).
3,80% 3,60% 3,40% 3,20%
2,80% 2,60% 2,40% 2,20%
- вес шести твэгов
- вес следующих шести
0123456789 10 11 № кольцэ
Рисунок 3. Эффективность шести твэгов в различных кольцах ТВС
Figure 3. Efficiency of six gadolinium fuel rods in different fuel assembly rings
На графике приведена эффективность (в единицах реактивности) группы из шести твэгов в случаях:
а) ТВС с шестью твэгами;
б) ТВС с 12 твэгами при условии, что первые шесть твэгов уже установлены в 3-м кольце.
Наличие в одном секторе двух твэгов в соседних кольцах снижает эффективность компенсации запаса реактивности. Твэг максимально эффективно выполняет свою задачу, когда он располагается в центре
сектора. Равная удалённость твэгов друг от друга позволяет нейтронам со всей ТВС с одинаковой вероятностью поглощаться именно в твэге.
По коэффициентам неравномерности энерговыделения и влияния твэгов на реактивность были отобраны две конфигурации ТВС: одна с шестью твэгами в 4-м кольце и одна с двенадцатью твэгами в 3-м и 7-м кольцах. Данные сборки обладают наиболее равномерным энерговыделением по сравнению с остальными рассмотренными сборками.
Выводы, сделанные выше, носят отпечаток принятых допущений: так, зеркальные граничные условия подразумевают, что свежая ТВС окружена другими такими же свежими ТВС. Исходя из картограмм загрузки ВВЭР-1000, это не полностью так. Но в противном случае сделанные выводы не носили бы общего характера, а касались бы только ТВС в определённой позиции в активной зоне.
Для определения зависимости глубины выгорания от расположения была выбрана сборка с шестью твэгами: в варианте U49G6 и в предложенном варианте с твэгами в 4-м кольце. Так как при расчетах в Serpent параметры твэлов были заданы одним материалом, и программа усредняла глубину выгорания по всей сборке, то было принято решение условно разделить твэлы на группы, не меняя при этом их параметры. Разделение проводилось следующим образом: твэлы на последнем кольце, на первом кольце, вокруг твэгов и все остальные.
Чтобы наглядно показать, как компоновка ТВС влияет на глубину выгорания, стоит ввести понятие неравномерности выгорания. Неравномерность выгорания представляет собой отношение глубины выгорания в определенном материале к средней глубине выгорания. Таким образом, была проведена серия расчетов с изменением расположения твэгов (рис. 4-6).
1,08
ОС
s X ro 1,06 Остальные
р о .Q 1,04 1,02 твэлы
CÛ Твэлы на
.Q 1 последнем
1- U
О X р 0,98 кольце Твэлы в центре
CD О X 0,96 0,94 0,92
CÛ го р Твэлы вокруг
ш X твэгов
0,9
8 16 24 32 40 48 56 Глубина выгорания, МВт*сут/кг 64
1,15
х
го
о
1,1
.о 1,05
I-и О X
Œ 1 ф
о
Ï 0,95 го
ш
Х 0,9
■ Остальные твэлы
Твэлы на последнем кольце
Твэлы в центре Твэлы вокруг твэгов
16 24 32 40 48 56 64
Глубина выгорания, МВт*сут/кг
Рисунок 5. Неравномерность выгорания при твэгах в 7-м кольце Figure 5. Unevenness of burnout at gadolinium fuel rods in the 7th ring
8
Рисунок 4. Неравномерность выгорания при твэгах в 4-м кольце Figure 4. Unevenness of burnout at gadolinium fuel rods in the 4th ring
1,15
< Остальные
1,1 твэлы
i с о я1,05 и н 9 Твэлы на
н р CD последнем
а р1 о г вы0,95 кольце
о н в а р CD Твэлы в центре Твэлы вокруг твэгов
X 0,9
0,85
8 16 24 32 40 48 56 Глубина выгорания, МВт*сут/кг 64
Рисунок 6. Неравномерность выгорания при твэгах в 10-м кольце Figure 6. Unevenness of burnout at gadolinium fuel rods in the 10th ring
По результатам, представленным на графиках, видно, что в случаях расположения твэгов в средних кольцах ТВС наблюдается меньшая неравномерность выгорания в сравнении с другими вариантами расположения. Таким образом, неравномерность энерговы-
деления и выгорания имеют одинаковую зависимость от компоновки ТВС (рис. 7).
В настоящее время в загрузках ВВЭР-1000 применяются ТВС типа U49G6, где твэги располагаются в восьмом кольце (рис. 8).
1,11
.о
Ь 1,09
0
о, 1,07 ш
1 1,05 о '
ш 1,03 го
.
ш
16 24 32 40 48 56 Глубина выгорания, МВт*сут/кг
64
Неравномерность выгорания
Неравномерность энерговыделения
8
Рисунок 7. Неравномерности при расположении твэгов во 4-м кольце Figure 7. Irregularities in the positioning of gadolinium fuel rods in the 4th ring
Рисунок 8. Потвэльное энерговыделение в ТВС типа U49G6 Figure 8. Potential energy release in U49G6 type fuel assemblies
Данная сборка рассматривалась в качестве эталона, с которым можно сравнивать результаты расчетов сборок, используемых в работе. Поскольку такие кассеты применяются, и ядерная безопасность их применения обоснована, то снижение неравномерности энерговыделения и выгорания приведёт либо к дополнительной выработке тепловой энергии кассетой, либо к увеличению запасов по теплотехнической надёжности и прочности твэлов. Для оценки недовыработки в ТВС использовалась формула (2):
где п - количество твэлов в 1-й группе,
В1 - глубина выгорания твэлов 1-й группы; Вмах - глубина выгорания в группе наиболее выгоревших твэлов.
Результаты расчетов при средней по ТВС глубине выгорания 64 МВтсут/кг представлены в таблице 2.
Лучшим образом, в сравнении с эталонной сборкой, себя показала ТВС с твэгами в четвертом кольце (рис. 9), поэтому она будет использоваться для дальнейшего исследования.
Д В= S J СВтах -Вд-п, (2)
Таблица 2. Влияние компоновки ТВС на глубину выгорания и недовыработку
Расположение твэгов Недовыработка в ТВС, МВт*сут/кг Максимальная глубина выгорания, МВт*сут/кг Минимальная глубина выгорания, МВт*сут/кг
ТВС без твэгов 686.982 66.2029 63.7569
2 кольцо 633.588 66.5911 58.5090
3 кольцо 647.251 66.6206 62.0657
4 кольцо 613.002 66.4973 62.7743
6 кольцо 941.955 67.5784 61.4411
7 кольцо 1043.767 67.8665 60.9249
8 кольцо (U49G6) 1091.639 68.1526 60.6327
9 кольцо 1102.109 68.1076 60.8108
10 кольцо 1081.551 67.9694 60.1965
Рисунок 9. Потвэльное энерговыделение в ТВС с твэгами в 4-м кольце Figure 9. Potential energy release in fuel assemblies with gadolinium fuel rods in the 4th ring
Проверим, есть ли необходимость в разбиении твэлов на большее количество групп, например, по кольцам. При перерасчете ТВС с твэгами в четвертом кольце для данного случая были получены результаты, приведенные в таблице 3. Посчитанная по формуле (2) недовыработка составила 617,5 МВт*сут/кг, что мало отличается от результатов, полученных в случае
разбиения твэлов на 4 группы (613, МВт*сут/кг). Разбиение на большее число групп является более точным, но в то же время требует использовать при расчете методом Монте-Карло больше оперативной памяти. Поэтому, если нет необходимости изменять обогащение отдельных твэлов, исследование можно проводить и с меньшим числом групп.
Таблица 3. Глубина выгорания в различных группах твэлов
Table 3. Burn-up depth in different fuel element groups
№ кольца Глубина выгорания, МВт*сут/кг
1 8.4239 16.821 25.161 33.443 41.640 49.789 57.894 65.963
2 8.2822 16.564 24.816 33.031 41.186 49.303 57.383 65.431
3 7.9355 15.917 23.906 31.909 39.902 47.900 55.889 63.881
4 7.7675 15.606 23.475 31.368 39.282 47.216 55.169 63.115
5 7.8901 15.825 23.786 31.754 39.727 47.700 55.702 63.684
6 8.0453 16.094 24.141 32.183 40.223 48.262 56.296 64.322
7 7.9667 15.925 23.885 31.850 39.830 47.810 55.791 63.783
8 7.9231 15.835 23.752 31.688 39.639 47.609 55.581 63.558
9 8.0706 16.114 24.157 32.193 40.233 48.265 56.293 64.323
10 8.4796 16.902 25.278 33.605 41.886 50.126 58.331 66.513
твэги 3.0587 6.6185 10.591 14.970 19.755 24.938 30.524 36.475
Предложения по усовершенствованию компоновки ТВС
Для снижения неравномерности выгорания рассмотрен ряд вариантов с внутрикассетным профилированием обогащения ядерного топлива. Было принято решение снижать обогащение в отдельных твэлах. В разных вариантах ТВС обогащение менялось по кольцам. Сборкой, в которой удалось добиться заметного снижения недовыработки и неравномерности,
была ТВС с понижением обогащения в твэлах первого, второго и десятого колец. При этом, общее количество урана-235 в кассете было сохранено, недостаток обогащения был равномерно распределён между остальными твэлами. Обогащение первого и десятого колец было снижено на 0,3%, второго на 0,1%. Результаты расчёта глубины выгорания по кольцам ТВС с предлагаемой схемой профилирования приведены в таблице 4.
Таблица 4. Глубина выгорания в различных группах твэлов с уменьшенным обогащением в 10-м кольце
№ кольца Глубина выгорания, МВт*сут/кг
1 8.4599 16.890 25.265 33.580 41.823 49.994 58.125 66.234
2 8.3075 16.608 24.897 33.128 41.327 49.476 57.604 65.688
3 7.9501 15.942 23.959 32.001 40.029 48.074 56.113 64.137
4 7.7974 15.665 23.566 31.496 39.450 47.419 55.391 63.369
5 7.9233 15.897 23.892 31.896 39.918 47.940 55.965 63.994
6 8.0981 16.196 24.297 32.390 40.471 48.545 56.606 64.664
7 8.0272 16.037 24.052 32.070 40.087 48.111 56.134 64.153
8 8.0006 15.989 23.977 31.972 39.978 47.984 55.991 63.992
9 8.1992 16.346 24.465 32.574 40.671 48.747 56.806 64.850
10 8.1984 16.372 24.514 32.626 40.709 48.781 56.847 64.911
твэги 3.0666 6.6398 10.639 15.037 19.856 25.073 30.690 36.682
Полученная компоновка ТВС имеет недовыработку равную 1,02 МВтсут/кг при общей выработке 34486,38 МВт*сут. Коэффициент неравномерности энерговыделения в начале и в конце кампании равен 1,06 и 1,04 соответственно, а коэффициент неравномерности по выгоранию составил 1,015. Максимальное выгорание снизилось до 64,97 МВт сут/кг при среднем значении 64,0 МВт сут/кг. В этом случае недовыработка составила 462 МВтсут на одну ТВС, что меньше недовыработки и в исходном варианте U49G6, и в предложенном варианте с твэгами в четвёртом кольце.
Кроме того, на графике энерговыделения для не-профилированной ТВС (см. рис. 9) есть заметные пи-
ки энерговыделения в угловых твэлах. В случае с уменьшением обогащения в том же кольце данные пики снизились с 1,10 до 1,06 в относительных величинах (рис. 10).
Выводы
В работе построена и проанализирована модель ТВС ВВЭР-1000 для расчета потвэльного распределения энерговыделения и глубины выгорания методом Монте-Карло. Рост количества выгорающих материалов слабо влияет на точность результатов, но при этом требует больше вычислительных ресурсов.
Рисунок 10. Потвэльное энерговыделение в ТВС с твэгами в 4-м кольце и с понижением обогащения
в твэлах 10-го кольца
Figure 10. Potential energy release in fuel assemblies with gadolinium fuel rods in the 4th ring and with decreasing enrichment in
fuel elements of the 10th ring
Расположение твэгов в ТВС оказывает заметное профилирования - выделения групп твэлов различно-влияние на распределение поля энерговыделения и го обогащения. Многовариантные расчёты позволили глубины выгорания в ТВС реактора ВВЭР-1000. предложить усовершенствованную компоновку ТВС, На примере множества кассет с шестью твэгами уста- позволяющую уменьшить потвэльную неравномер-новлено, что расположение твэгов в 4-м кольце пока- ность энерговыделения и выгорания топлива в срав-зывает лучшие результаты по неравномерности энер- нении с используемой в топливных загрузках говыделения. ВВЭР-1000 ТВС типа U49G6. Для этого следует сни-
Для оценки экономического ущерба от неравно- зить обогащение в первом, втором и десятом гексаго-мерности энерговыделения в ТВС можно определить нальных кольцах, считая от центральной трубы. До-недовыработку энергии с помощью формулы (2). полнительная выработка при этом при условии опти-ТВС с твэгами в 4-м кольце показала меньшую недо- мального проектирования топливной загрузки соста-выработку в сравнении с прочими вариантами кассет вит до 462 МВт сут с одной усовершенствованной с шестью твэгами. кассеты.
Дальнейшего снижения неравномерности выгорания топлива в ТВС возможно добиться применением
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Внуков Р.А., Жаворонкова И.А., Колесов В.В., Карпович Г.В. Подходы к оптимизации глубины выгорания с помощью радиального профилирования твэга. Ученые записки физического факультета московского университета. 2021;1:2110303. Режим доступа: http://uzmu.phys.msu.rU/file/2021/1/2110303.pdf (дата обращения: 29.08.2023).
2. Внуков Р.А., Колесов В.В., Жаворонкова И.А., Котов И.А., Праманик М.Р. Влияние выгорающего поглотителя на нейтронно-физические характеристики тепловыделяющей сборки ВВЭР-1200. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2021;(2):27-37. https://doi.org/10.26583/npe.2021.2.03
3. Соболев А.В., Каражелевская Ю.Е., Зубков А.А. Анализ неравномерности высотной глубины выгорания топлива в сборках ВВЭР-1000 при работе на низких уровнях мощности. Ядерная и радиационная безопасность. 2019;2(92):10-16. EDN HLBFBO https://doi.org/10.26277/SECNRS.2019.92.2.002
4. Внуков В.С., Куликов В.И., Чкуасели Л.И. Влияние аксиального распределения глубины выгорания ОТВС на значение Кэфф контейнеров с отработавшим ядерным топливом. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2015;2:108-116. https://doi.org/10.26583/npe.2015.2.11
5. Абу Сондос М.А. Демин В.М., Савандер В.И. Сравнение влияния выгорающих поглотителей (Gd и Eu) на нейтронно-физические характеристики ТВС реакторов ВВЭР-1000. Вестник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». 2019;8(3):199-205. EDN WBOFAI. https://doi.org/10.1134/S2304487X19030027
6. Музафаров А.Р., Савандер В.И. Использование выгорающих поглотителей в реакторах типа ВВЭР для снижения доли запаса реактивности, компенсируемого жидкостной системой при удлиненных кампаниях. Глобальная ядерная безопасность. 2022;(2):42-55. https://doi.org/10.26583/gns-2022-02-05
7. Бергельсон Б.Р. [и др.] Глубина выгорания ядерного топлива ВВЭР с разными поглотителями. Атомная энергия. 2010;109(4):240-245. Режим доступа: http://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya t109-4 2010/go,14/ (дата обращения: 29.08.2023).
8. Бикеев А.С., Дайченкова Ю.С., Калугин М.А., Шкаровский Д.А. Оптимизация параметров расчётной схемы при моделировании выгорания активной зоны ВВЭР-1000 по прецизионной программе MCU. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2018;4;5-14. Режим доступа: URL: https://vant.ippe.ru/year2018/4/neutron-constants/1559-1 .html (дата обращения: 30.09.2023).
9. Leppänen J. Pusa M., Viitanen T., Valtavirta V., Kaltiaisenaho T. The Serpent Monte Carlo code: Status, development and applications in 2013. Annals of Nuclear Energy. 2014;82:06021 https://doi.org/10.1051 /snamc/201406021
ВКЛАД АВТОРОВ:
Лапкис А.А. - постановка задач, определение методики исследования;
Старченко А.С. - выполнение расчётов. Тришечкин Д.В. - литературный обзор, анализ достоверности и сходимости результатов Попова И.Ю. - анализ и визуализация результатов
ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ:
Работа выполнена без дополнительных источников финансирования
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ: Конфликта интересов нет.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ:
Александр Аркадьевич Лапкис, к.т.н., доцент кафедры атомной энергетики, Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»; ведущий инструктор учебно-тренировочного подразделения, Ростовская атомная станция -филиал АО «Концерн Росэнергоатом», г. Волгодонск, Ростовская обл., Российская Федерация. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9431-7046 e-mail: [email protected]
Александр Сергеевич Старченко, 5 курс 14.05.02 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг», Вол-годонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», г. Волгодонск, Ростовская обл., Российская Федерация.
ORCID: https://orcid.org/0009-0009-8797-5831 e-mail: [email protected]
Дмитрий Витальевич Тришечкин, 5 курс 14.05.02 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг», Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», г. Волгодонск, Ростовская обл., Российская Федерация.
ORCID: https://orcid.org/0009-0006-7402-7224 e-mail: [email protected]
Ирина Юрьевна Попова, к.б.н., доцент кафедры атомной энергетики, Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», г. Волгодонск, Ростовская обл., Российская Федерация. e-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 17.10.2023 После доработки 21.11.2023 Принята к публикации 23.11.2023
AUTHORS' CONTRIBUTION:
Lapkis A.A. - setting the objectives, defining the research methodology;
Starchenko A.S. - making calculations;
Trishechkin D.V. - literature review, analysis of reliability
and convergence of results;
Popova I.Yu. - analysing and visualising results.
FUNDING: No additional funding.
CONFLICT OF INTEREST: No conflict of interest.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS: Aleksandr A. Lapkis, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Atomic Energy, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhl»; Senior Instructor of the Training Department, Rostov Nuclear Power Plant - branch of Rosenergoatom Concern JSC, Volgodonsk, Rostov region, Russian Federation. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9431-7046 e-mail: [email protected]
Aleksandr S. Starchenko, 5th-year student of «Nuclear Power Plants: Design, Operation and Engineering» Department, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», Volgodonsk, Rostov region, Russian Federation. ORCID: https://orcid.org/0009-0009-8797-5831 e-mail: [email protected]
Dmitry V. Trishechkin, 5th-year student of «Nuclear Power Plants: Design, Operation and Engineering» Department, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», Volgodonsk, Rostov region, Russian Federation. ORCID: https://orcid.org/0009-0006-7402-7224 e-mail: [email protected]
Irina Yu. Popova, Cand. Sci. (Bio.), Associate Professor, Department of Atomic Energy, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», Volgodonsk, Rostov region, Russian Federation. e-mail: [email protected]
Received 17.10.2023 Revision 21.11.2023 Accepted 23.11.2023
