Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Физико-технический факультетКафедра теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов

Использование эрбия в качестве выгорающего поглотителя в реакторах типа ВВЭР при удлиненных

кампаниях

Авторы сообщения:Савандер В.И.Самойлов А.А.

Москва 2011

Повышение экономической эффективности АЭС с реакторами типа ВВЭР

Предполагаемые походы к решению задачи

Физический подход Экономический подходПовышение выгорания выгружаемого топлива

Повышение КИУМ:

Положительный эффект достигается за счет уменьшения относительного времени простоя под перегрузкой

Особенности ВВЭР при удлиненной кампании

- Необходимость повышения надежности оборудования, в том числе твэлов и ТВС

- Кампания реактора составляет 1,5 - 2 года

- Примерно в 2 раза снижается относительное время остановки для перегрузок

- Повышение запаса реактивности на одну кампанию

- Снижение выгорания на 10-15%

Способы компенсации избыточной реактивности

Жидкостная система компенсации Добавление в замедлитель/теплоноситель раствора борной кислоты. «+» Регулируемая система; не оказывает влияния на распределение энерговыделения «-» Создается большое количество жидких радиоактивных отходов; большое содержание B10 в теплоносителе оказывает негативное воздействие на коэффициент обратной связи по плотности и температуре теплоносителя

Выгорающие поглотители Использование твэгов – 12, 18 или 24 твэла в ТВС с 3%, 5% или 8% массовым содержанием оксида гадолиния в топливных элементах

Органы регулирования

Выгорающие поглотители

Сильный поглотитель – гадолиний (оксид) Имеет сечение захвата порядка десятков-сотен тысяч барн; размещается в ограниченном числе твэлов; сильно блокированный поглотитель; при большом весовом содержании заметно снижает теплопроводность твэла; довольно быстро выгорает; при удлиненных кампаниях необходимо увеличивать число твэгов в ТВС

Общие свойства Нерегулируемая система; не оказывает воздействие на обратные связи по температуре и плотности теплоносителя

Слабый поглотитель – эрбий (оксид) Имеет сечение захвата порядка тысяч барн; может размещаться во всех твэлах или в большей их части; оказывает слабое влияние на теплопроводность твэла; не влияет на распределение энерговыделения по ТВС; не полностью выгорает – снижает выгорание топлива

Количественные характеристики Гадолиний

Число твэгов в ТВС

Среднее выгорание топлива,

МВт сут/кг∙

Компенсируемый твэгами запас реактивности

Компенсируемый запас реактивности

жидкостной системой

Доля твэгов в компенсации,

%

12 52.5 50.7 0.032 0.042 0.106 0.096 23.4 30.418 51.9 49.2 0.0402 0.062 0.098 0.076 29.1 44.624 51.6 47.7 0.042 0.079 0.096 0.059 30.4 57.3

Таблица 1. Выгорающий поглотитель на основе гадолиния (3% / 8%)

Количественные характеристики Эрбий

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

График зависимости коэффициента размножение от выгорания топлива для различных массовых долей выгорающего поглотителя

e=0.3e=0.5e=0.65e=1.0Без Er66,67

B

K(B)

Схема размещения эрбия в ТВС

Массовое содержание

эрбия

Среднее выгорание топлива,

МВт сут/кг∙

Компенсируемый запас реактивности

эрбием

Доля эрбия в компенсации

реактивности, %

1:0 0,4 50,4 0,034 28,51:1 0,5 46,8 0,039 29,21:2 1,0 45,9 0,045 32,9

Таблица 2. Выгорающий поглотитель на основе эрбия

Количественные характеристики Эрбий

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2График относительного изменения (ε) выгорания и концентрации борной

кислоты в зависимости от массовой доли эрбия (е, %) в топливе

Борная кислота

e

εДля кампании в 1,5 года при гомогенном размещении эрбия

Коэффициент неравномерности Содержание эрбия в топливе, % по массе

Без эрбия 0,3 0,5 0,65- начало кампании- середина кампании (230 сут)- конец кампании

1,0671,1201,132

1,0461,1061,122

1,0391,0961,114

1,0411,0881,109

Таблица 3. Выгорающий поглотитель на основе эрбия

Заключение

- При удлиненных кампаниях необходимо увеличивать число твэгов, что приводит к увеличению потвэльного коэффициента неравномерности. Использование эрбия в качестве ВП позволяет снизить неравномерность энерговыделения

- Переход на удлиненные кампании длительностью 18 и 24 месяцев сопровождается снижением кратности перегрузок при заданном обогащении. Это приводит к снижению среднего выгорания выгружаемого топлива примерно на 12% и 18% соответственно.

- С точки зрения безопасности изменяя содержание эрбия в твэлах можно изменить в положительную сторону коэффициент обратной связи по температуре/плотности теплоносителя

Заключение

- Из-за снижения коэффициента неравномерности по ТВС можно компенсировать потери в выгорании за счет подбора режимов перегрузки топлива

- При гомогенном размещении эрбия в каждом твэле достаточно небольшого его количества, что не сказывается на теплопроводности твэла, однако снижается среднее выгорание топлива

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Физико-технический факультетКафедра теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов

Использование эрбия в качестве выгорающего поглотителя в реакторах типа ВВЭР при удлиненных

кампаниях

Авторы сообщения:Савандер В.И.Самойлов А.А.

Москва 2011