Топливная таблетка тепловыделяющего элемента ядерного реактора с выгорающим поглотителем

Использование: Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано в активных зонах реакторных установок преимущественно с тепловым или промежуточным спектром нейтронов. Сущность изобретения. Топливная таблетка тепловыделяющего элемента ядерного реактора состоит из ядерного топлива и имеет центральное отверстие, в которое вставлен сердечник с выгорающим поглотителем. Сердечник выполнен по меньшей мере из одного вида выгорающего материала. Выгорающий материал диспергирован в матрицу из слабопоглощающего нейтроны вещества. Использование изобретения позволит повысить надежность, безопасность и экономичность реакторной установки.

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть применено для компенсации избыточной в активных зонах ядерных реакторных установок преимущественно с тепловым или промежуточным спектром нейтронов.

Известны топливные таблетки тепловыделяющих элементов ядерных реакторов с выгорающим поглотителем, например, топливные таблетки из гомогенной смеси оксидов редкоземельных элементов с диоксидом урана и/или плутония, например, Еr ₂О₃+UO₂ в реакторах РБМК (Краюшкин А.В., Новиков В.Г., Тишкин Ю.А. и др. Использование уранэрбиевого топлива в реакторах РБМК. Материалы Х Международного семинара по проблемам физики реакторов ВОЛГА 97. Москва, 2-6 сентября 1997. М., МИФИ, 1997, с. 72), Gd₂ O₃+UO₂ в легководных реакторах (Махова В.А., Семеновская И.В. Использование редкоземельных элементов в качестве выгорающих поглотителей для реакторов PWR во Франции. Атомная техника за рубежом, 1997, № 11, с. 3-7). При этом, в случае сильнопоглощающего материала, каковым является гадолиний (Gd), смешанное уран-гадолиниевое топливо используется в отдельных твэлах, называемых твэгами. В случае использования менее поглощающего материала - эрбий (Еr), предпочтительнее использовать уран-эрбиевое топливо либо во всех, либо в большей части твэлов тепловыделяющей сборки.

Недостатками указанных топливных таблеток являются относительно низкая теплопроводность и температура плавления, а также относительно малая доля в них тяжелых делящихся материалов (урана или плутония).

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является топливная таблетка тепловыделяющего элемента реактора ВВЭР-1000 с центральным отверстием и с выгорающим поглотителем - гадолинием, размещенным в виде гомогенной смеси Gd₂O₃

с UO ₂ (G.L. Lunin, A.N. Novikov, V.I. Pavlov. Development of four-years fuel cycle based on advanced FA with U-Gd fuel and its implementation to the operating VVER-1000 units. Proceedings of the tenth Symposium of AER II, Moscow, 18-22 October 2000. С. 75-89). Недостатками прототипа являются:

- относительно низкие теплопроводность и температура плавления ядерного топлива, что вынуждает осуществлять эксплуатацию твэгов при пониженных тепловых нагрузках;

- относительно малая объемная доля урана в топливной таблетке, из-за уменьшения объемной доли оксида урана (UO₂) и относительно низкое обогащение урана изотопом урана-235 для снижения линейной нагрузки на твэг;

- повышенная внутрикассетная неравномерность энерговыделения в начале кампании, из-за малой мощности твэгов.

Для устранения указанных недостатков в топливной таблетке тепловыделяющего элемента ядерного реактора, состоящей из ядерного топлива и выгорающего поглотителя и имеющей центральное отверстие, предлагается:

- в центральное отверстие поместить сердечник с выгорающим поглотителем;

- сердечник выполнить по меньшей мере из одного вида выгорающего материала;

- выгорающий материал диспергировать в матрицу из слабопоглощающего вещества.

Сущность изобретения представлена на чертежах, где на фиг.1 и 2 изображены, соответственно, поперечное и продольное сечения топливной таблетки с выгорающим поглотителем в виде сердечника, размещенного в центральном отверстии; на фиг.3 -зависимости изменения коэффициента критичности (К_inf ) бесконечной решетки ТВС реактора ВВЭР-1000 с различными топливными таблетками от времени выгорания при средней энергонапряженности топлива 42,6 кВт/кгU.

На фиг.1, 2 приняты следующие обозначения: 1 - ядерное топливо, 2 - сердечник с выгорающим поглотителем.

Топливная таблетка устроена следующим образом.

В центральное отверстие топливной таблетки вставлен сердечник 2 с выгорающим поглотителем.

Сердечник 2 может иметь как гомогенную структуру - смесь поглощающего материала и нейтральной матрицы, так и гетерогенную, когда поглощающая часть сконцентрирована преимущественно в части объема сердечника, например в центральной части.

Устройство работает следующим образом.

Топливные таблетки помещаются в оболочки тепловыделяющих элементов, из которых собирается тепловыделяющие сборки, загружаемые в активную зону ядерного реактора. Наличие поглощающего материала в топливных таблетках снижает избыточный запас реактивности в активной зоне в начале работы топливной загрузки. Облучение таблетки нейтронами при работе реактора на мощности приводит к выгоранию выгорающего поглотителя и высвобождению реактивности, частично компенсирующей потерю реактивности при выгорании топлива.

Заявляемое техническое решение позволяет:

- повысить теплопроводность и увеличить температуру плавления ядерного топлива;

- увеличить объемную долю ядерного топлива;

- уменьшить внутрикассетную неравномерность энерговыделения в начале кампании.

Представленные на фиг.3 зависимости коэффициента критичности получены для трех вариантов топливной загрузки, обозначенных:

1)×-ТВС с 312 твэлами, содержащими таблетки из UO₂ со средним обогащением урана х=3,86% по U-235, без выгорающего поглотителя;

2) сплошная линия - ТВС теми же топливными таблетками в 300 твэлах и с 12 твэгами с содержанием гадолиния 5% вес.;

3) о - топливные таблетки во всех твэлах с поглощающими сердечниками (диаметр поглощающего сердечника 14 мм, состав: порошок карбида бора в смеси с углеродом, содержание бора в выгорающем сердечнике ˜ 0,07 г/см³, плотность графитовой матрицы ˜ 1 г/см³).

В таблице 1 приведены значения реактивностной способности (_вп) выгорающих поглотителей (гадолиния в 12 твэгах с содержанием Gd₂O ₃ 5% вес. и бора в выгорающих сердечниках с содержанием 0,07 г/см³) в зависимости от энерговыработки топлива. Реактивностная способность определялась по формуле:

_вп=l/K_inf(c ВП)-1/K_inf(c ВП) Содержание бора в выгорающих сердечниках выбрано из условия равенства их реактивностной способности и реактивнстной способности 12 твэгов в начале кампании.

Как видно из графиков, изображенных на фиг.3, и данных, приведенных в таблице 1, при одинаковой исходной реактивностной способности выгорающие сердечники выгорают более плавно, чем твэги и при энерговыработке 17 ˜ МВт·сут/кг их реактивностные способности оказываются примерно одинаковыми. Такой уровень энерговыработки примерно соответствует энерговыработке топлива ТВС первого цикла облучения перед перегрузкой при 12-месячной кампании реактора. Количество выгорающего поглотителя выбирается таким образом, чтобы он максимально выгорел за первый цикл облучения. Недовыгорание поглотителя приводит к увеличению расхода топлива. С этой точки зрения, как это видно из таблицы 1 и фиг.2, вариант с выгорающими сердечниками более предпочтителен, т.к. потери реактивности от недовыгорания поглотителя при энерговыработке топлива больше ˜ 17 МВт·сут/кг в этом варианте меньше, чем в варианте с твэгами. Это связано с тремя обстоятельствами. Во-первых, с большим остаточным поглощением на слабовыгорающих изотопах гадолиния,

во-вторых, с большей загрузкой топлива в варианте с выгорающими сердечниками и, в третьих, с некоторым увеличением коэффициента конверсии из-за ужесточения спектра нейтронов в топливной таблетке, обусловленного присутствием бора. Последний эффект объясняет некоторый выигрыш в реактивности варианта с выгорающими сердечниками по сравнению с вариантом без выгорающих поглотителей при энерговыработке топлива больше 30 МВт·сут/кг.

Таким образом, вариант с выгорающими борными сердечниками в топливных таблетках по своей компенсирующей способности, как минимум не проигрывает варианту с 12 твэгами при длительности межперегрузочного интервала 12 месяцев. При переходе на удлиненные топливные циклы 18 и 24 месяца использование борных выгорающих сердечников предпочтительней.

Возможный экономический эффект от внедрения изобретения состоит в следующем. Устройство позволит повысить надежность и безопасность реакторной установки за счет повышения теплопроводности и температуры плавления сердечника в топливных элементах и снижения внутрикассетной неравномерности, а также позволит увеличить топливную загрузку и добиться снижения потерь реактивности от недовыгорания выгорающего поглотителя, что способствует увеличению длительности кампании реактора и росту коэффициента использования установленной мощности.

Таблица 1Результаты нейтронных расчетов для ТВС ВВЭР-1000 с выгорающим поглотителем
Параметр
Выгорающийпоглотитель		Gd2O 3	Веет
Число твэлов с ВП		12	312
Реактивностная	Шаг 0,	-8,998	-8,995
способность ВП, %К/К	МВт·сут/кг
	Шаг 5,	-5,269	-4,352
	МВт·сут/кг
	Шаг 10,	-1,142	-2,025
	МВт·сут/кг
	Шаг 15,	-0,633	-0,869
	МВт·сут/кг
	Шаг 20,	-0,561	-0,311
	МВт·сут/кг
	Шаг 25,	-0,467	-0,042
	МВт·сут/кг
	Шаг 30,	-0,383	+0,096
	МВт·сут/кг
	Шаг 40,	-0,144	+0,231
	МВт·сут/кг

Топливная таблетка тепловыделяющего элемента ядерного реактора с центральным отверстием, отличающаяся тем, что в центральное отверстие таблетки вставлен сердечник с выгорающим поглотителем, выполненный из борного выгорающего материала, в нейтральной матрице из слабопоглощающего нейтроны вещества.