Обоснование перехода на эрбиевое топливо в реакторах типа ВВЭР-1000 на основе сравнительного анализа коэффициентов реактивности для гадолиниевого и эрбиевого выгорающих поглотителей

В работе приведены результаты нейтронно-физического обоснования замены выгорающего поглотителя гадолиния, размещаемого в небольшом числе твэлов (твэгов), на эрбий, размещаемый во всех твэлах ТВС. Для гадолиниевого поглотителя выбрана схема размещения твэгов, моделирующая их реальное расположение в ТВС с максимальной концентрацией гадолиния в твэгах (8 %).
В выбранной схеме твэг, расположенный в центре, симметрично окружен двумя рядами твэлов, с общим их количеством 18 штук. При выборе весового содержания эрбия в твэлах принимается во внимание не только общий компенсируемый запас реактивности за кампанию, но и внутренне присущие свойства безопасности, такие, как плотностной и полный температурный коэффициенты реактивности по теплоносителю топливной загрузки, что позволяет уменьшить негативное влияние эрбия на выгорание выгружаемого топлива. К тому же однородное расположение эрбия в твэлах приводит к равномерному распределению энерговыделения по сравнению с гадолиниевым поглотителем. Сравнительный анализ нейтронно-физических характеристик реактора для рассматриваемых поглотителей ведется на элементарных ячейках и полиячейках с учетом упрощённых моделей выгорания при частичных перегрузках без перестановок ТВС. При условии применения трехкратной частичной перегрузки топлива в активной зоне образуются повторяющиеся структуры, состоящие из 3 ТВС с различными длительностями облучения. Полученные результаты наглядно демонстрируют что при условии равной компенсации избыточной реактивности коэффициенты реактивности для эрбиевого поглотителя имеют более высокие значения чем для гадолиниевого варианта. С учетом этого фактора можно подобрать такое весовое содержание эрбия в твэлах, при котором потери в выгорании будут незначительны.

1. Cавандер В.И., Альассаф С.Х. Анализ эффективности применения удлиненных кампаний на зарубежных АЭС с реактором типа ВВЭР. Ядерная физика и инжиниринг. 2019;10(1):5–8. https://doi.org/10.1134/S2079562918040152

2. Хащламун Т.М., Выговский С.Б. Исследование возможности повышения экономичности использования топлива на АЭС с ВВЭР-1000 для 18-ти месячного топливного цикла. Ядерная физика и инжиниринг. 2018;9(2):107–116. https://doi.org/10.1134/S2079562917060100

3. Бергельсон Б.Р., Белоног В.В., Герасимов А.С., Тихомиров Г.В. Глубина выгорания ядерного топлива ВВЭР с разными поглотителями. Атомная энергия. 2010;109(4):194–197. Режим доступа: http://ap.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/1513 (дата обращения: 20.05.2024).

4. Музафаров А.Р., Савандер В.И. Использование выгорающих поглотителей в реакторах типа ВВЭР для снижения доли запаса реактивности, компенсируемого жидкостной системой при удлиненных кампаниях. Глобальная ядерная безопасность. 2022;2(43):42–54. https://doi.org/10.26583/gns-2022-02-05

5. Khoshaval F., Foroutan Sh. Sh., Zolfaghari A., Minuchehr H. Evaluation of burnable absorber rods effect on neutronic performance in fuel assembly of WWER-1000 reactor. Annals of nuclear energy. 2016;87:648–658. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2015.10.012

6. Музафаров А.Р., Савандер В.И. Использование выгорающих поглотителей для снижения водообмена при жидкостном регулировании в реакторах типа ВВЭР. Атомная энергия. 2023.134(5–6):216–221. Режим доступа: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/5300/0 (дата обращения: 01.06.2024).

7. Galperin A., Segev M., Radkowsky A. Substitution of the Soluble Boron Reactivity Control System of a Pressurized Water Reactor by Gadolinium Burnable Poisons. Nuclear technology. 1986;75(2):127–133. https://doi.org/10.13182/NT86-A33855

8. Hwanyeal Y., Mohd-Syukri Y., Yonghee K. A reduced boron ORP100 core based on the BigT burnable absorber. Nuclear engineering and technology. 2016;75:127–133. https://doi.org/10.1016/j.net.2015.12.010

9. Абу Сондос М.А., Демин В.М., Савандер В.И. Снижение объема борного регулирования запаса реактивности при использовании выгорающего поглотителя на основе (GD2O3) в топливе реактора ВВЭР-1200. Глобальная ядерная безопасность. 2019;3(32):56–65. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=qkvcfe&ysclid=ly1ivnaec1851156176 (дата обращения: 10.06.2024).

10. Muzafarov A.R., Savander V.I. Use of Erbium as a Burnable Absorber in VVER-Type Reactors in a Closed Fuel Cycle. Physics of atomic nuclei. 2023;86(12):2569–2576. https://doi.org/10.1134/S1063778823120049

11. Альассаф С.Х., Савандер В.И., Хассан А.А. Использование эрбия в качестве выгорающего поглотителя в реакторах типа ВВЭР при работе на удлиненных кампаниях. Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2020;3:62–71. https://doi.org/10.26583/npe.2020.3.06

12. Pavlovichev A., Kosourov E., Shcherenko A. [et al.] Use of erbium as burnable poison for VVER reactors. Kerntechnik. 2013;78(4):272–279. https://doi.org/10.3139/124.110371

13. Недобежкин А.С., Савандер В.И., Музафаров А.Р. Сравнительный анализ коэффициентов реактивности для гадолиниевого и эрбиевого выгорающего поглотителя при использовании на удлиненных кампаниях в реакторах типа ВВЭР. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции «Нейтронно-физические проблемы атомной энергетики (Нейтроника-2024). Обнинск, 2024. С. 43–44. https://www.ippe.ru/images/science_info/conference/neutron2024/thesis-nf-2024.pdf (дата обращения: 20.06.2024).

14. Hafez N., Shahbunder H., Amin E., Elfiki S.A., Abdel-Latif A. Study on criticality and reactivity coefficients of VVER-1200 reactor. Progress in Nuclear Energy. 2021;131:1–16. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2020.103594

15. Зимин В.Г., Выговский С.Б., Семёнов А.А., Давиденко В.Д., Цибульский В.Ф. Расчетный анализ экспериментов по определению коэффициентов реактивности на ВВЭР-1000 3-го блока Калининский АЭС с помощью программного комплекса ПРОСТОР. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика ядерных реакторов. 2013;4:34–45. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21005029&ysclid=ly1jewaier545937988 (дата обращения: 25.06.2024).

16. Faghihi F., Fadaie A.H., Sayareh R. Reactivity coefficients simulation of the Iranian VVER-1000 nuclear reactor using WIMS and CITATION codes. Progress in nuclear energy. 2007;49:68–78. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2006.09.003

17. Leppa ̈nen J. Serpent – a Continuous – energy Monte Carlo reactor physics burnup calculation code. VTT Technical Research Centre of Finland. (June 18, 2015). Available at: https://serpent.vtt.fi/serpent/download/Serpent_manual.pdf (accessed: 30.06.2024).