Некоторые аспекты оптимизации параметров ядерного топлива для ВВЭР

Лунин Г.Л., Духовенский А.С., Горохов В.Ф.,

Доронин А.С., Алексеев П.Н., Прошкин А.А.

Российский Научный Центр Курчатовский институт

В подавляющем большинстве энергетических реакторов ядерное топливо используется в виде законченных в конструктивном отношении единичных узлов, имеющих строгую геометрию и состав материалов (ТВС) и поступающих на АЭС от заводов-изготовителей. Активная зона формируется для каждого топливного цикла на основании схемы размещения ТВС, выбранный по результатам вариантных нейтронно-физических расчетов. В отечественной практике такие схемы размещения ТВС в конкретном виде разрабатываются соответствующим персоналом АЭС с учетом различных факторов, в том числе установленных нормативных требований и рекомендаций по основным характеристикам активной зоны после очередной перегрузки топлива. С учетом установившегося порядка в топливообеспечении реакторов можно выделить, следовательно, два направления в оптимизации показателей использования топлива, а именно:

совершенствование топливных циклов с применением отработанных ТВС и обоснованных характеристик их работоспособности и

поиск резервов , выявление излишних запасов в конструкционном оформлении топлива и внесение изменений в геометрию решетки и состав используемых материалов; после получения успешных результатов в этом направлении могут возобновляться работы по совершенствованию в первом направлении.

Выход на мировой рынок ядерного топлива требует от отечественных поставщиков определенных усилий в обоих направлениях. Анализ складывающейся ситуации показывает, что для успешной конкуренции необходимо, помимо проводимых работ по первому направлению , обратить серьезное внимание и интенсифицировать работы второго направления. При этом возникает ряд специфических задач, содержание и возможные пути решения которых кратко изложены в данном докладе.

Исходной целью использования ядерного топлива является получение тепловой энергии. Накопленный опыт в проектировании и эксплуатации ТВС указывает на то, что экономичность работы реакторов типа ВВЭР достигается при достаточно высоких тепловых нагрузках топлива. При этом, однако, должны надежно обеспечиваться определенные запасы до некоторых предельных величин с тем, чтобы работа реактора была стабильной и безопасной, особенно в случаях отказа оборудования, т.е. в режимах с нарушением нормальных условий эксплуатации и при постулируемых проектных авариях. Определенный компромисс между стремлением к повышению отводимой тепловой энергии и обеспечением соответствующих запасов достигается и фиксируется в проекте твэл, ТВС и реакторной установки. Основой для компромиссных решений являются, в частности, нормативные документы. По мере накопления опыта успешной эксплуатации ТВС, изготавливаемых на проектной основе, естественно, возникает намерение увеличить энерговыработку топлива. В принципе такое увеличение может быть реально, если не будут нарушены проектные основы и соответствующие нормативные критерии. Для достижения поставленной цели необходим правильный выбор вносимых изменений и проведено достаточное обоснование предлагаемых технических решений. В конечном счете, работы по совершенствованию ТВС должны включать объемный комплекс многоплановых исследований, поскольку в силу специфики ядерного топлива затрагиваются весьма различные и важные аспекты решения указанной проблемы [1].

Количественной характеристикой, выражающей топливную энергию, отведенную от единицы массы выгружаемого топлива, является, как известно, средняя глубина выгорания - [МВтхэфф.сут/кг].

Исходя из указанной размерности данной характеристики, видно, что стремление к увеличению отводимой тепловой энергии может реализовываться либо повышением удельной весовой мощности [МВт/кг], либо продлением пребывания топлива в активной зоне при сохранении номинальной мощности реактора [эфф.суток/кг], т.е. без ее изменения. Может анализироваться увеличение и обоих указанных параметров. Но в любом случае необходимо проведение исследований для проверки приемлемости принимаемых изменений относительно всего комплекса проектных основ и нормативных величин.

Следует отметить, что при совершенствовании единичных конструкционных узлов ядерного топлива (ТВС), поставляемых для работы реактора на АЭС, вносимые изменения, как правило, малы, и ожидаемые положительные эффекты также незначительны с технической точки зрения. Поэтому при проведении соответствующих исследований приходится иметь дело с достаточно тонкими эффектами влияния предполагаемых изменений на проверенные практикой характеристики, параметры и материалы. Это требует использования достаточно точных и надежных средств для анализа и представительных результатов для обоснования намеченных мероприятий по изменениям, поскольку некоторые последствия могут быть весьма значительными (как положительные, так и отрицательные).

Для того, чтобы выяснить приемлемость вносимых конструкционных изменений, можно указать следующие критерии, относительно которых необходимо сопоставлять новые характеристики твэлов, ТВС, активной зоны, реактора.

1. Достигаемая глубина выгорания топлива при проектном обогащении должна быть, с одной стороны, выше проектной (что и является исходной целью вносимых изменений) или сохраняться на проектном уровне при пониженном обогащении; с другой стороны, повышенная глубина выгорания топлива должна быть на уровне, при котором обеспечивается работоспособность твэл в течение срока пре