старший научный сотрудник
WosResearher ID: D-3381-2019
Senior Scientific Officer (SSO)
WosResearher ID: D-3381-2019
Разрушение твэлов с циркониевой оболочкой в авариях с потерей теплоносителя (LOCA) в первую очередь вызвано экзотермической реакцией циркония с водяным паром между оболочкой твэла и теплоносителем в реакторах типа ВВЭР, что приводит к образованию взрывоопасного водорода и нарушению целостности оболочки. Повышение безопасности твэлов может быть достигнуто путем замены циркониевой оболочки на материалы толерантного топлива (ATF), которые обладают улучшенной стойкостью к высокотемпературному окислению и пониженным взаимодействием с теплоносителем как в нормальных, так и в аварийных условиях. Авария с потерей теплоносителя является проектной аварией для реакторов ВВЭР, что делает разработку альтернативных материалов оболочки приоритетной задачей для атомных электростанций нового поколения. В данном исследовании с помощью подробного моделирования методом Монте-Карло в коде SERPENT для геометрии реактора ВВЭР-1200 изучается эффективный коэффициент размножения (Keff) стандартных твэлов с циркониевой оболочкой по сравнению с твэлами, использующими три перспективных материала ATF – сплав FeCrAl, композит SiC и сплав NiCr. Результаты демонстрируют значительные различия между материалами: один кандидат проявляет нейтронное поведение, очень близкое к цирконию, с минимальным влиянием на реактивность; другой показывает умеренное, но растущее влияние на протяжении всей кампании; в то время как третий демонстрирует существенное влияние на реактивность, которое потребовало бы серьезного изменения конструкции активной зоны. Эти количественные результаты подтверждают перспективность отдельных материалов ATF в качестве замены циркония, способствуя снижению рисков окисления, исключению образования водорода и уменьшению вероятности аварий на ядерных реакторах при сохранении приемлемых нейтронно-физических характеристик. Расчеты выполнены специально для атомной электростанции с реактором ВВЭР-1200 и предоставляют необходимые данные для выбора материалов и оптимизации проектирования активной зоны
The failure of zirconium (Zr) fuel elements in Loss-of-Coolant Accidents (LOCAs) is primarily caused by the exothermic zirconium-steam reaction between the Zr fuel cladding and coolant water in VVER-type reactors, which generates explosive hydrogen gas and compromises cladding integrity. Enhancing fuel element safety can be achieved by replacing the Zr cladding with Accident Tolerant Fuel (ATF) materials that exhibit improved high-temperature oxidation resistance and reduced interaction with coolant under both normal and emergency conditions. LOCA is a design basis accident for VVER reactors, making the development of alternative cladding materials a priority for next-generation nuclear power plants. This study investigates the effective multiplication coefficient (Keff) of standard Zr-clad fuel rods compared to those with three candidate ATF cladding materials – FeCrAl alloy, SiC composite, and NiCr alloy–using detailed Monte Carlo simulations with the SERPENT code for the VVER-1200 reactor geometry. The results demonstrate significant differences among the materials: one candidate exhibits neutronic behavior very close to zirconium with minimal reactivity control, another shows a moderate but increasing penalty throughout the burnup cycle, while the third displays a substantial reactivity control that would necessitate major core redesign. These quantitative findings highlight the promise of select ATF materials as replacements for Zr, contributing to reduced oxidation risks, elimination of hydrogen generation, and decreased accident probabilities in nuclear reactors while maintaining acceptable neutronic performance. The calculations are specifically performed for the WWER-1200 nuclear power plant and provide essential data for material selection decisions and core design optimization.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.