Численная нейтрон-эмиссионная спектрометрия и излучение топлива реактора ВВЭР-1200

Для длительной и безаварийной работы реактора топливо модифицируют путем добавления различных гомогенных и гетерогенных соединений. Практическое применение получило уран-гадолиниевое топливо в гомогенном исполнении с аксиальным профилированием тепловыделяющих элементов. Исследуется возможность гетерогенного применения Gd₂O₃, ZrB₂, Am₂O₃ и других выгорающих и легирующих добавок, которые позволяют сохранить теплопроводность топлива на уровне обычного оксидного топлива. Исследуемые модификации показывают удовлетворительное поведение под облучением при экстремально высокой температуре и предельном выгорании. Однако менее изученными остаются вопросы радиационной безопасности при обращении как со свежим, так и с отработавшим топливом. В настоящей работе проведена расчетная оценка нейтронной составляющей радиационных характеристик UO₂-композиции с гетерогенным вариантом локализации микрокапсул ^natGd₂O₃ и Am₂O₃. Такой вариант исполнения не ухудшает теплопроводность топлива и положительно сказывается на ядерно-физических и теплофизических свойствах. Америций исследован не только в качестве возможной альтернативы Gd, но и с позиции утилизации в тепловых реакторах. Рассмотрено влияние Am на фотонную составляющую радиационных характеристик свежего топлива. Исследования выполнены с целью разработки процедур и регламентов обращения с новым топливом в процессе его изготовления и после облучения в реакторе. Исследования выполнены с применением верифицированных расчетных кодов программ Nedis‑2m и MCNP 6.2. 

1. Minato K., Shiratori T., Serizawa H., Hayashi K. et al. Thermal conductivities of irradiated UO2 and (U,Gd)O2. Journal of nuclear materials. 2001;288(1):57–65. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00578-X

2. Shelley A., Ovi M.H. Use of americium as a burnable absorber for VVER-1200 reactor. Nuclear engineering and technology. 2021;53(8):2454–2463. https://doi.org/10.1016/j.net.2021.02.024

3. Панов В.С., Лопатин В.Ю., Мякишева О.В., Еремеева Ж.В. и др. Оценка использования модифицирущих добавок для повышения производительности ядерного топлива в реакторе. Известия Юго-Западного государственного университета. 2017;21(2):48–59; https://doi.org/10.21869/2223-1560-2017-21-2-48-59

4. Карпюк Л.А., Савченко А.М., Коновалов Ю.В., Кулаков Г.В. и др. Особенности поведения дисперсионного топлива МЕТМЕТ под облучением. Вопросы материаловедения. 2022;3(111):148–155. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2022-111-3-148-155

5. Tran H-M. et al. Neutronics design of VVER-1000 fuel assembly with burnable poison particles. Nuclear engineering and technology. 2019;51(7):1729–1737. https://doi.org/10.1016/j.net.2019.05.026

6. Al’davakhra S., Savander V.I., Belousov I.N. Computational method for and analysis of the application of granular absorbers in VVÉR reactors. Atomic energy. 2006;100:8–13. https://doi.org/10.1007/s10512-006-0042-3

7. Андрианов А.Н., Баранов В.Г., Годин Ю.Г. Круглов В.А., Тенишев А.В. Влияние нестехиометрии и легирования на теплопроводность диоксида урана. Перспективные материалы. 2003;6:43–49. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=21260464 (дата обращения: 11.11.2024).

8. Баранов В.Г., Покровский С.А., Тенишев А.В., Хлунов А.В. Михеев Е.Н., Федотов А.В. Теплофизические свойства модифицированного оксидного ядерного топлива. Атомная энергия. 2011;110(1):36–40. Режим доступа: https://j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/download/1988/1968 (дата обращения: 11.11.2024).

9. 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

10. Hoai-Nam Tran, et al. Feasibility of using Gd2O3 particles in VVER-1000 fuel assembly for controlling excess reactivity. Energy Procedia. 2017;131:29–36. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.442

11. Iwasaki K., Matsui T., Yanai K., Yuda R. et al. Effect of Gd2O3 Dispersion on the Thermal Conductivity of UO2. Nuclear science and technology. 2009;46(7):673–676; https://doi.org/10.1080/18811248.2007.9711574

12. Внуков Р.А., Колесов В.В., Жаворонкова И.А., Котов Я.А., Праманик М.М. Влияние размещения выгорающего поглотителя на нейтронно-физические характеристики тепловыделяющей сборки ВВЭР-1200. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2021;2:27–37. https://doi.org/10.26583/npe.2021.2.03

13. Карпеева А.Е., Колосовский В.Г., Пахомов Д.С., Скомороха А.Е., Тимошин И.С. Способ оптимизации термической стабильности уран-гадолиниевого топлива. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2021;3:97–106. https://doi.org/10.26583/npe.2021.3.08

14. Vlaskin G.N., Khomyakov Y.S. (α, n) Neutron spectra on thick light target. Atomic energy. 2021;130:104–118. https://doi.org/10.1007/s10512-021-00781-0

15. Vlaskin G.N., Khomyakov Y.S. Calculation of Neutron Production Rates and Spectra from Compounds of Actinides and Light Elements. The European Physical journal conferences. 2017;153(5):07033; https://doi.org/10.1051/epjconf/201715307033

16. Vlaskin G.N., Khomyakov Y.S, Bulanenko V.I. Neutron yield of the reaction (α, n) on thick targets comprised of light elements. Atomic energy. 2015;117:357–365. https://doi.org/10.1007/s10512-015-9933-5

17. Власкин Г.Н., Чванкин Е.В., Даренских О.Г., Дзекун Е.Г., Маркин Е.Г. Контроль выгорания топлива по собственному нейтронному излучению отработавших ТВС. Атомная энергия. 1993;74(5):437–438. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t74-5_1993/p437/ (дата обращения: 11.11.2024).

18. Власкин Г.Н., Матвеев Л.В., Рогожкин В.Ю., Сидоренко В.Д. Нейтронное излучение отработавшего топлива ВВЭР-1000. Атомная энергетика. 1989;67(3):219–220. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/

19. text/atomnaya-energiya_t67-3_1989/p219/ (дата обращения: 11.11.2024).

20. Шаманин И.В., Буланенко В.И., Беденко С.В. Neutron radiation field of irradiated ceramic nuclear fuel of various types. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2010;2:97–103. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=14933427 (дата обращения: 11.11.2024).

21. Bedenko S, Shamanin I, Grachev V, Knyshev V, Ukrainets O, Zorkin A. Neutron radiation characteristics of the IVth generation reactor spent fuel. AIP Conference proceedings. 2018;1938(1):020001. https://doi.org/10.1063/1.5027208

22. Шаманин И.В., Беденко С.В., Павлюк А.О., Лызко В.А. Использование программы Origen-Arp при расчете изотопного состава отработанного топлива реактора ВВЭР-1000. Известия томского политехнического университета. 2010;317(4):25–28. Режим доступа: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/3408/1/bulletin_tpu-2010-317-4-05.pdf (дата обращения: 11.11.2024).

23. Plevaka M.N., Bedenko S.V., Gubaidulin I.M., Knyshev V.V. Neutron-physical studies of dry storage systems of promising fuel compositions. Bulletin of the Lebedev Physics institute. 2015;42:240–243. https://doi.org/10.3103/S1068335615080059

24. Шаманин И.В., Беденко С.В., Нестеров В.Н., Луцик И.О., Прец А.А. Решение системы многогрупповых уравнений переноса нейтронов в подкритических системах. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2017;2017(4):38–49. https://doi.org/10.26583/npe.2017.4.04

25. Vlaskin G.N., Bedenko S.V., Ghal-Eh N., Vega-Carrillo H.R. Neutron yield and energy spectrum of 13C(alpha,n)16O reaction in liquid scintillator of KamLAND: A Nedis-2m simulation. Nuclear engineering and technology. 2021;53(12):4067–4071. https://doi.org/10.1016/j.net.2021.06.023

26. Писарев А.Н., Колесов В.В. Исследование переноса неопределенностей в ядерных данных на ядерные концентрации нуклидов в расчетах выгорания. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2020;2:108–121. https://doi.org/10.26583/npe.2020.2.10