Void reactivity effect in the MTIR-SKD multipurpose test research reactor
https://doi.org/10.26583/gns-2025-02-03
EDN: EOQCEC
Abstract
This scientific article discusses the problem of the positive void reactivity effect for reactors operating in the fast neutron spectrum, in particular for the VVER-SKD reactor. The relevance of the study is due to the need to ensure the safety of these reactors in the conditions of out-of-design accidents. The research focuses on the MTIR-SKD reactor application as an experimental platform for peer analysis. It is shown that changing the composition of the fuel and reflectors makes it possible to obtain a void reactivity effect of a different sign. It is assumed that a negative void reactivity effect will be implemented to ensure safety at the first stage of work with the reactor, and later it may be changed to a positive one. In the first part of the work calculations of neutron balances are carried out, revealing the mechanisms of the void reactivity effect formation. The results show that the steel reflector and the plutonium-240 isotope significantly affect the positive void reactivity effect. Options to achieve negative and zero void reactivity effect also being discussed as well as achieving a positive effect using high-carbon plutonium which eliminates the risk of uncontrolled reactor overclocking. The results obtained can serve as a basis for justifying the safe operation of the VVER-SKD reactor with a positive void reactivity effect. This work has both scientific and practical significance for the development and design of safe new generation nuclear reactors that provide reliable reactivity control in various operating conditions.
About the Authors
A. S. Lapin
National Research Nuclear University «MEPhI»;
Scientific Research Center «Kurchatov Institute»
Russian Federation
Russian Federation
Postgraduate student
Yu. N. Volkov
National Research Nuclear University «MEPhI»;
Scientific Research Center «Kurchatov Institute»
Russian Federation
Russian Federation
Cand. Sci. (Engin.), Associate Professor
S. A. Subbotin
National Research Nuclear University «MEPhI»;
Scientific Research Center «Kurchatov Institute»
Russian Federation
Russian Federation
Cand. Sci. (Engin.), Associate Professor
References
1. Уолтер А., Рейнольдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах. Перевод с англ. А.А. Ванькова, В.В. Яровицина. Москва: Энергоатомиздат, 1986. 624 с. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/text/uolter_reaktory-razmnozhiteli_1986/p3/ (дата обращения: 21.01.2025).
2. Ашурко Ю.М., Андреева К.А., Бурьевский И.В., Волков А.В. [и др.]. Исследование влияния натриевого пустотного эффекта реактивности на безопасность быстрого натриевого реактора большой мощности. Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2014;3:5–14. https://doi.org/10.26583/npe.2014.3.01
3. Поплавский В.М., Матвеев В.И., Елисеев В.А., Кузнецов И.А. [и др.]. Исследование влияния натриевого пустотного эффекта реактивности на технико-экономические характеристики и безопасность перспективного быстрого реактора. Атомная энергия. 2010;108(4):230–235. Режим доступа: https://j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/1460/1441 (дата обращения: 24.01.2024).
4. Арутюнян А.К., Выговский С.Б., Хачатрян А.Г. Исследование способов повышения КВ в быстрых реакторах с МОХ-топливом при стремлении к минимальным значениям НПЭР. Безопасность ядерной энергетики: тезисы XV Научно-практической конференции, 6–8 июня 2019 г. НИЯУ МИФИ [и др.]. Волгодонск: ВИТИ НИЯУ МИФИ, 2019. С. 68–71. Режим доступа: https://nps.viti-mephi.ru/files/page/file/sbornik_tezisov_byae-2019_0.pdf (дата обращения: 24.01.2025).
5. Ашурко Ю.М., Андреев К.А., Бурьевский И.В., Волков А.В. [и др.]. Исследование влияния натриевого пустотного эффекта реактивности на безопасность быстрого натриевого реактора большой мощности. Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2014;3:5–14. Режим доступа: https://static.nuclear-power-engineering.ru/articles/2014/03/01.pdf (дата обращения: 24.01.2025).
6. Елисеев В.А., Забудько Л.М., Малышева И.В., Матвеев В.И. Нитридное топливо для перспективного быстрого натриевого реактора типа БН-1200. Атомная энергия. 2013;114(5)266–270. Режим доступа: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/1128 (дата обращения: 21.01.2025).
7. Хаммел Г., Окрент Д. Коэффициенты реактивности в больших энергетических реакторах на быстрых нейтронах. Москва: Атомиздат, 1975. 237 с. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01006956830?ysclid=mbavpcsx6v208191008 (дата обращения: 25.01.2025).
8. Lou M. Loss of Coolant Accident Simulation for the Canadian Supercritical Water-Cooled Reactor Using RELAP5/MOD4. Diss. Master of App. Sci. McMaster University, 2016. 143 p. Available at: https://macsphere.mcmaster.ca/bitstream/11375/19137/2/Lou_Mengmeng_2016Apr_MASc.pdf (accessed: 25.01.2025).
9. Алексеев П.Н., Ковалишин А.А., Седов А.А., Андрианова Е.А. [и др.]. Развитие технологии ВВЭР на базе энергетических реакторов с легководным теплоносителем сверхкритических параметров. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов. 2023;1:48–63. EDN: EXYEZU. Режим доступа: http://nrcki.ru/files/pdf/VANT-2023-01.pdf (дата обращения: 24.01.2025).
10. Лапин А.С., Седов А.А, Бландинский В.Ю., Котов Я.А. [и др.]. Обоснование выбора физических характеристик и мощности многоцелевого тестового исследовательского реактора со сверхкритическими параметрами легководного теплоносителя. Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Физика ядерных реакторов. 2024;2:76–88. Режим доступа: http://nrcki.ru/files/pdf/VANT-2024-02.pdf (дата обращения: 24.01.2025).
11. Лапин А.С., Бландинский В.Ю., Невиница В.А., Пустовалов С.Б., Седов А.А., Субботин С.А., Фомиченко П.А. Нейтронно-физические особенности реактора МТИР-СКД как экспериментальной базы для отработки перспективных легководных реакторных технологий. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2024;3:18–31. https://doi.org/10.26583/npe.2024.3.02
12. Клинов Д.А., Семенов М.Ю., Михайлов Г.М., Перегудов А.А. [и др.]. Расчетно-экспериментальный анализ нейтронно-физических характеристик БН-800 в период перехода на загрузку смешанным оксидным уран-плутониевым топливом. Атомная энергия. 2023;135(1–2):3–10. Режим доступа: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/5314 (дата обращения: 21.01.2025).
13. Клинов Д.А., Семенов М.Ю., Михайлов Г.М., Перегудов А.А. [и др.]. Анализ точности расчета распределения энер-говыделения в БН-800. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2024;1:65–71. Режим доступа: https://vant.ippe.ru/year2024/1/neutron-constants/2445-2.html (дата обращения: 21.01.2025).
Review
Рассмотрена статья «Пустотный эффект реактивности в многоцелевом тестовом исследовательском реакторе МТИР-СКД».
Статья посвящена анализу влияния различных факторов на величину пустотного эффекта реактивности в исследовательском реакторе МТИР-СКД. Актуальность проблемы несомненна в связи с известными сложностями обеспечить отрицательные обратные связи в водо-водяном реакторе на СКД теплоносителе во всех режимах эксплуатации. Поэтому на исследовательской установке, предназначенной для отработки основных решений по ВВЭР-СКД, важно моделировать как состояния с положительным, так и с отрицательным пустотным эффектом реактивности. Авторами показано, какие элементы и изотопы способствуют изменению пустотного эффекта в нужную сторону и предложены способы добиться как гарантированно отрицательного, так и ограниченного положительного эффекта реактивности.
Исследования выполнены с целью принятия проектных решений по перспективной исследовательской установке МТИР-СКД.
Название статьи соответствует её содержанию. Аннотация структурирована и отражает основные вопросы, затронутые в статье. Однако, некоторые аспекты выбора состава плутония для достижения нужного знака пустотного эффекта реактивности, проанализированы в работе, но не отражены в аннотации.
Авторы корректно ссылаются на работы предшественников в выбранной предметной области, проанализировано значительное количество источников.
Методы исследования выбраны, исходя из общепринятых практик математического моделирования ядерно-физических процессов в топливных загрузках. Воспроизведение результатов возможно при условии доступа исследователя к нейтронно-физическому коду MCNP или иному прецизионному коду.
Исследование решает именно ту проблему, которая поставлена авторами в начале работы. Результаты исследования соответствуют выводам, сделанным авторами.
Статья написана строгим техническим языком, орфографические и пунктуационные ошибки отсутствуют. Строго и корректно употребляются термины, приводятся нормативные ссылки.
Авторами показано, что при использовании боковой зоны воспроизводства вместо стального отражателя, а также топлива с низкофоновым плутонием, достигается отрицательный пустотный эффект реактивности. Замена плутония на высокофоновый позволяет достичь положительного пустотного эффекта реактивности, но не превышающего 1$, что исключает возможность возникновения неуправляемого разгона на мгновенных нейтронах, а в случае замены зоны воспроизводства на стальной отражатель ПЭР достигает положительного значения, сравнимого по величине с ПЭР в ВВЭР-СКД. Это позволит обосновать безопасную эксплуатацию ВВЭР-СКД с положительным пустотным эффектом.
Учитывая, что в настоящее время реакторы с СКД теплоносителем не используются, актуальность статьи следует оценивать с учётом дальних перспектив ядерной энергетики в части их возведения.
К статье имеется замечание. Следовало бы привести иллюстрацию расчётной модели анализируемого реактора. Дискуссионным является описанием автором эффектов реактивности не в процентах, как принято в области АЭС с ВВЭР, а в абсолютных числах нейтронов. Однако это также является физически корректным.
В связи с этим считаю, что статья обладает несомненной научной ценностью для перспективной атомной энергетики и может быть опубликована в журнале «Глобальная ядерная безопасность» при условии добавления в статью иллюстрации и корректировки аннотации в соответствии с замечаниями выше.
Рецензент:
к.т.н., доцент кафедры атомной энергетики
ВИТИ НИЯУ МИФИ А.А. Лапкис
For citations:
Lapin A.S., Volkov Yu.N., Subbotin S.A. Void reactivity effect in the MTIR-SKD multipurpose test research reactor. Nuclear Safety. 2025;15(2):24-35. (In Russ.) https://doi.org/10.26583/gns-2025-02-03. EDN: EOQCEC
Views:
55
Email this article 