Justification of the transition to erbium fuel in VVER-1000 type reactors based on a comparative analysis of reactivity coefficients for gadolinium and erbium burnable absorbers

The paper presents the neutron-physical justification of replacement of the burn-up gadolinium absorber placed in a small number of fuel elements by erbium placed in all fuel elements of the fuel assembly. A scheme of fuel elements placement is chosen for the gadolinium absorber, modeling their real
arrangement in fuel assemblies with maximum concentration of gadolinium in fuel elements (8%). In the selected scheme the center fuel element is symmetrically surrounded by two rows of fuel elements with the total number of fuel elements of 18. When selecting the weight content of erbium in fuel elements not only the total compensated reactivity reserve for the campaign is taken into account but also intrinsic safety properties such as the density and total temperature coefficients of reactivity on the fuel loading coolant which allows reducing the negative influence of erbium on the burnup of unloaded fuel. In addition, the erbium homogeneous arrangement in fuel elements leads to a uniform distribution of energy release in comparison with the gadolinium absorber. The comparative analysis of neutron-physical characteristics of the reactor is carried out for the considered absorbers on unit cells and polycells taking into account simplified burnup models at partial reloads without fuel assemblies rearrangements. Repetitive structures consisting of 3 fuel assemblies with different irradiation durations are formed under the condition of application of threefold partial fuel reloading in the core. The obtained results clearly demonstrate that the reactivity coefficients for the erbium absorber have higher values than for the gadolinium variant under the condition of equal compensation of excess reactivity. Taking this factor into account, it is possible to select such a weight content of erbium in fuel elements when losses in burnup will be insignificant.

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).