glonucsecГлобальная ядерная безопасностьGlobal Nuclear Safety2305-414X2499-9733National Research Nuclear University "MEPhI"10.26583/gns-2021-02-06glonucsec-80Research ArticleЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ОТРАСЛИOPERATION OF FACILITIES NUCLEAR INDUSTRYСРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДИАПАЗОНА СПЕКТРАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ В РЕАКТОРАХ С ВОДОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С ПОМОЩЬЮ ЦИРКОНИЕВЫХ ВЫТЕСНИТЕЛЕЙ ДЛЯ УРАНОВОГО И ТОРИЕВОГО ТОПЛИВНЫХ ЦИКЛОВComparative Study of Spectral Regulation Range of Excess Reactivity Control in Pressurized Water Reactors Using Zirconium Displacers for Uranium and Thorium Fuel Cycleshttps://orcid.org/0000-0003-2132-2634ЭлазакаА. И.ElazakaA. I.aielazaka@mephi.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9309-5616СавандерВ. И.SavanderV. I.savander@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5332-7272ТихомировГ. В.TikhomirovG. V.gvtikhomirov@mephi.ruУниверситет Аль-АзхарAl-Azhar UniversityНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)202101062021025867Copyright © Элазака А.И., Савандер В.И., Тихомиров Г.В., 20222022Элазака А.И., Савандер В.И., Тихомиров Г.В.Elazaka A.I., Savander V.I., Tikhomirov G.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://glonucsec.elpub.ru/jour/article/view/80

Компенсация избыточной реактивности в реакторах с водой под давлением типа ВВЭР осуществляется с помощью сильных поглотителей нейтронов. Это приводит к непроизводительному использованию нейтронов, снижению коэффициента воспроизводства и выгорания топлива. В настоящей работе рассматривается один из способов спектрального регулирования запаса реактивности на выгорание путем изменения водо-топливного отношения в процессе выгорания. Для изменения водо-топливного отношения используются цилиндрические пустотелые стержни из циркония, внедряемые в межтвэльное пространство ТВС. Расчетные исследования проведены для уран-ториевой топливной загрузки на основе урана-233. Оценен диапазон изменения водо-топливного отношения в зависимости от диаметра внедряемых пустотелых циркониевых стержней. Проведено сравнение с аналогичными расчетами для уранового топлива при условии одинакового весового содержания делящихся изотопов (3.7%). Исследованы концентрации топливных сырьевых и делящихся изотопов в обоих топливных циклах. В топливном цикле Th-U233 при снижении водо-топливного отношения коэффициент накопления делящихся изотопов может достигать 0,75. Проведено сравнение изменения концентрации продуктов деления в обоих топливных циклах. Для всех рассматриваемых значений водо-топливного отношения оценены температурные коэффициенты реактивности по температуре топлива и замедлителя и вес управляющих стержней. Параметры безопасности в топливном цикле Th-U233 имеют более высокие значения, чем в топливном цикле UO2. Показано, что при одинаковых весовых содержаниях делящегося изотопа в топливе, при внедрении пустотелых Zr-стержней диапазон изменения реактивности больше для топливного цикла с UO2 по сравнению с его эффектом в топливном цикле Th-U233.

The compensation for the excess reactivity in the pressurized water reactors WWER is realized with high neutron absorber materials. The traditional excess reactivity regulation methods lead to unfeasible neutron utilization and reduce the breeding coefficient and fuel burnup. In the current work, the change of moderator-to-fuel ratio is investigated as one of the spectral regulation methods for excess reactivity control and its effect on the fuel burnup. Cylindrical Zirconium rods (Zr rods) are used to fulfill the moderator-to-fuel ratio change. The Zr rods are placed between fuel rods in WWER-1000 fuel assembly. The current work calculations are performed for the thorium fuel cycle (Th-U233). The change of the Zr rods diameter leads to the variation in moderator-to-fuel ratio. A comparison between the Zr rods as a reactivity regulator in WWER-1000 fuel assembly for both fuel cycles UO2 and Th-U233. The concentration of the fertile and fissile fuel components for both fuel cycles has been analyzed. The fissile isotopes accumulation coefficient can reach 0.75 with the decrease of the moderator-to-fuel ratio in the Th-U233 fuel cycle. The primary safety parameters such as the Control rods worth, Doppler Effect reactivity coefficient, and Moderator Temperature reactivity Coefficient have been studied at different moderator-to-fuel ratio values. The safety parameters in the Th-U233 fuel cycle have higher values more than the UO2 fuel cycle with the insertion of Zr rods. From the comparison between the Zr rods effect in both fuel cycles, it is clearly shown that Zr rods in the UO2 fuel cycle have a more influential role in regulating the WWER-1000 core reactivity compared with its effect in the Th-U233 fuel cycle.

Вытеснители водыкоэффициенты реактивностиВВЭР-1000ториевый топливный циклзапас реактивностиспектральное регулирование реактивностиwater displacersreactivity coefficientsWWER-1000thorium fuel cycleexcess reactivityspectral reactivity regulationReferencesCampolina D. et al. Parametric Study of Enriched Gadolinium in Burnable Neutron Poison Fuel Rods for Angra-2 // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2018. Vol. 118. P. 375-380.Campolina D. et al. Parametric Study of Enriched Gadolinium in Burnable Neutron Poison Fuel Rods for Angra-2 // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2018. Vol. 118. P. 375-380.Fadaei A.H. Investigation of Burnable Poisons Effects in Reactor Core Design // Ann. Nucl. Energy. 2011.Fadaei A.H. Investigation of Burnable Poisons Effects in Reactor Core Design // Ann. Nucl. Energy. 2011.Frybortova L. Recommended Strategy and Limitations of Burnable Absorbers Used in WWER Fuel Assemblies // Nucl. Sci. Tech. 2019. Vol. 30, № 8.Frybortova L. Recommended Strategy and Limitations of Burnable Absorbers Used in WWER Fuel Assemblies // Nucl. Sci. Tech. 2019. Vol. 30, № 8.Galahom A.A. Study of Possibility of Using Europium and Pyrex Alloy as Burnable Absorber in PWR // Ann. Nucl. Energy. 2017. Vol. 110.Galahom A.A. Study of Possibility of Using Europium and Pyrex Alloy as Burnable Absorber in PWR // Ann. Nucl. Energy. 2017. Vol. 110.Galahom A.A. Investigation of Different Burnable Absorbers Effects on the Neutronic Characteristics of PWR Assembly // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2016. Vol. 94. P. 22-31.Galahom A.A. Investigation of Different Burnable Absorbers Effects on the Neutronic Characteristics of PWR Assembly // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2016. Vol. 94. P. 22-31.Safarzadeh O., Saadatian-Derakhshandeh F., Shirani A.S. Calculation of Reactivity Coefficients with Burnup Changes for WWER-1000 Reactor // Prog. Nucl. Energy. 2015.Safarzadeh O., Saadatian-Derakhshandeh F., Shirani A.S. Calculation of Reactivity Coefficients with Burnup Changes for WWER-1000 Reactor // Prog. Nucl. Energy. 2015.Parisi C., Negrenti E., Pecchia M. B&W Spectral Shift Control Reactor Lattice Experiments: Evaluation of Core I and Core VIII // Nucl. Sci. Eng. 2014. Vol. 178, № 4.Parisi C., Negrenti E., Pecchia M. B&W Spectral Shift Control Reactor Lattice Experiments: Evaluation of Core I and Core VIII // Nucl. Sci. Eng. 2014. Vol. 178, № 4.Chibinyaev A. V., Alekseev P.N., Teplov P.S. Estimation of the Effect of Neutron Spectrum Regulation on WWÉR-1000 Fuel Burnup // At. Energy. 2006. Vol. 101, № 3. P. 680-683.Chibinyaev A. V., Alekseev P.N., Teplov P.S. Estimation of the Effect of Neutron Spectrum Regulation on WWÉR-1000 Fuel Burnup // At. Energy. 2006. Vol. 101, № 3. P. 680-683.Teplov P. et al. The Main Characteristics of the the WWER-S with Spectrum Shift Regulation. 2015.Teplov P. et al. The Main Characteristics of the the WWER-S with Spectrum Shift Regulation. 2015.Elazaka A.I., Tikhomirov G. V. Potential of the WWER Reactor Spectral Regulation with Regard for Fuel Burnup// Izv. Wysshikh Uchebnykh Zawedeniy, Yad. Energ. 2020. Vol. 2020, № 2.Elazaka A.I., Tikhomirov G. V. Potential of the WWER Reactor Spectral Regulation with Regard for Fuel Burnup// Izv. Wysshikh Uchebnykh Zawedeniy, Yad. Energ. 2020. Vol. 2020, № 2.Elazaka A.I., Tikhomirov G.V., Abdelghafar Galahom A. Study the Neutronic Feasibility of Using Zr as an Energy Regulator Instead of Traditional Methods // Int. J. Energy Res. 2021.Elazaka A.I., Tikhomirov G.V., Abdelghafar Galahom A. Study the Neutronic Feasibility of Using Zr as an Energy Regulator Instead of Traditional Methods // Int. J. Energy Res. 2021.Akbari-Jeyhouni R. et al. The Utilization of Thorium in Small Modular Reactors - Part I: Neutronic assessment // Ann. Nucl. Energy. 2018. Vol. 120.Akbari-Jeyhouni R. et al. The Utilization of Thorium in Small Modular Reactors - Part I: Neutronic assessment // Ann. Nucl. Energy. 2018. Vol. 120.Castro V.F., Velasquez C.E., Pereira C. Criticality and Depletion Analysis of Reprocessed Fuel Spiked with Thorium in a PWR Core // Nucl. Eng. Des. 2020. Vol. 360.Castro V.F., Velasquez C.E., Pereira C. Criticality and Depletion Analysis of Reprocessed Fuel Spiked with Thorium in a PWR Core // Nucl. Eng. Des. 2020. Vol. 360.Cui D.Y. et al. Possible Scenarios for the Transition to Thorium Fuel Cycle in Molten Salt Reactor by Using Enriched Uranium // Prog. Nucl. Energy. 2018. Vol. 104.Cui D.Y. et al. Possible Scenarios for the Transition to Thorium Fuel Cycle in Molten Salt Reactor by Using Enriched Uranium // Prog. Nucl. Energy. 2018. Vol. 104.International Atomic Energy Agency IAEA. Advances in Small Modular Reactor Technology Developments A Supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS) 2018 Edition // Iaea. 2018.International Atomic Energy Agency IAEA. Advances in Small Modular Reactor Technology Developments A Supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS) 2018 Edition // Iaea. 2018.International Atomic Energy Agency. Thorium Fuel Cycle: Potential Benefits and Challenges. 2005. № May.International Atomic Energy Agency. Thorium Fuel Cycle: Potential Benefits and Challenges. 2005. № May.Lung M., Gremm O. Perspectives of the Thorium Fuel Cycle // Nucl. Eng. Des. 1998. Vol. 180, № 2. P. 133-146.Lung M., Gremm O. Perspectives of the Thorium Fuel Cycle // Nucl. Eng. Des. 1998. Vol. 180, № 2. P. 133-146.Thilagam L. et al. A WWER-1000 LEU and MOX Assembly Computational Benchmark Analysis Using the lattice Burnup Code EXCEL // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2009. Vol. 36, № 4. P. 505-519.Thilagam L. et al. A WWER-1000 LEU and MOX Assembly Computational Benchmark Analysis Using the lattice Burnup Code EXCEL // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2009. Vol. 36, № 4. P. 505-519.Leppänen J. et al. The Serpent Monte Carlo code: Status, Development and Applications in 2013 // Ann. Nucl. Energy. 2015. Vol. 82. P. 142-150.Leppänen J. et al. The Serpent Monte Carlo code: Status, Development and Applications in 2013 // Ann. Nucl. Energy. 2015. Vol. 82. P. 142-150.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.