Обзор нейтронно-физических результатов радиального профилирования на примере элементарной ячейки реактора типа ВВЭР-1200

Для увеличения длительности эксплуатации твэлов в ядерном реакторе необходимо создать запас предельного срока службы топливных и конструкционных материалов. В данной работе на примере элементарной ячейки реактора ВВЭР-1200 в бесконечной размножающей среде рассмотрены различные способы снижения радиальной неравномерности выгорания твэлов путем перераспределения делящихся ядер (профилирования): для проведения профилирования топливная таблетка разбивалась на различное количество концентрических слоев, обогащения которых варьировались при сохранении суммарного числа делящихся ядер в топливной таблетке на начало топливной кампании. В ПК Serpent 2 выполнены нейтронно-физические расчеты соответствующих моделей, после чего было проведено сравнение полученных для них характеристик: коэффициента размножения нейтронов в бесконечной среде, среднего темпа потери реактивности, доли запаздывающих нейтронов на начало кампании, радиальных распределений выгораний и энерговыделений
(в различные моменты времени), изменения эффектов реактивности после профилирования. Результатом данной работы является подобранный оптимальный метод снижения выгорания на периферии топливной таблетки за счет повышения обогащения в центральной части топливной таблетки и, как следствие, более равномерный профиль выгорания в целом по таблетке. Показано, что в результате проведенных преобразований не происходит изменения нейтронно-физических характеристик. Возможная проблема при использовании указанного метода профилирования может состоять в возрастании температуры периферийного слоя
в результате значительного возрастания энерговыделения в нем с течением топливной кампании.

1. Андрианов А.Н., Баранов В.Г., Тихомиров Г.В., Хлунов А.В. Моделирование ядерно-физических процес-сов в поверхностном слое топливного сердечника. Атомная энергия. 2008;104(6):353-358. Режим доступа: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/1792 (дата обращения: 22.07.2025).

2. Хашламун Т.М.Р.С. Оптимизация параметров удлиненных топливных загрузок для реакторов ВВЭР-1000 (1200) с целью минимизации эксплуатационных затрат на АЭС: автореферат дис. кандидата технических наук: 05.14.03. М., 2018. Режим доступа: https://openrepository.mephi.ru/entities/publication/b9002140-be9b-46ba-95a8-473a2a9b1faf (дата обращения: 22.07.2025).

3. Гердт Э. А., Внуков Р. А. Сравнительный анализ методов аксиального профилирования ТВС реактора ВВЭР-1200 на примере модели Z49A2. Глобальная ядерная безопасность. 2022;3(44):65–72. https://doi.org/10.26583/gns-2022-03-06

4. Leonard F.P. Van Swam. Nuclear fuel pellet. Patent № 005991354A United States, Int. Cl6. G21C 3/16, G21C 3/32. Заявка № 08/988,200 dated 26.11.1997; опубл. 23.11.1999. Available at: https://patents.google.com/patent/US5991354A/en (accessed 22.07.2025).

5. Restani R., Horvath M., Goll W., Bertsch J., Gavillet D., Hermann A., Martin M., Walker C.T. On the condition of UO2 nuclear fuel irradiated in a PWR to a burn-up in excess of 110 MWd/kgHM. Journal of Nuclear Materials. 2016;481:88–100. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.08.023

6. Matzke H., Spino J. Formation of the Rim Structure in High Burnup Fuel. Journal of Nuclear Materials. 1997;248:170–179. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(97)00171-2

7. Ayanoglu M., Montgomery R., Harp J., Sasikumar Y. Metallographic examinations and hydrogen measure-ments of high-burnup spent nuclear fuel cladding. Journal of Nuclear Materials. 2024;589: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154833

8. Баранов В.Г., Хлунов А.В., Курина И.С., Иванов А.В., Тенишев А.В., Тихомиров Г.В., Тимошин И.С. Ком-бинированная таблетка ядерного топлива. Патент № 2427936 C1 Российская Федерация, МПК G21C 3/00. Заявка № 2010105647/07 от 18.02.2010; опубл. 27.08.2011. Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2427936C1_20110827 (дата обращения: 22.07.2025).

9. Богданов Е.А. Получение, свойства и области применения функциональных тонкопленочных оксидных покрытий: автореферат дис. кандидата технических наук: 05.16.06. — СПб, 2017. Режим доступа: https://elib.spbstu.ru/dl/2/r17-63.pdf/download/r17-63.pdf (дата обращения: 22.07.2025).

10. Мельников Е.В., Митин В.И., Крайнов Ю.А., Проселков В.Н., Панюшкин А.К., Калинушкин А.Е., Семчен-ков Ю.М. Способ нанесения покрытия из выгорающего поглотителя нейтронов на основу – топливные таблетки из диоксида урана. Патент № 2175151 C1 Российская Федерация, МПК G21C 3/20, G21C 3/62. Заявка №2000117494 от 05.07.2000; опубл. 20.10.2001. Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2175151C1_20011020 (дата обращения: 22.07.2025).

11. Шалумов Б.З., Коваленко В.М., Дьякова В.В. Способ получения оксидных покрытий. Патент № 2060236 C1 Российская Федерация, МПК C03C 17/25. Заявка № 5006020/33 от 27.08.1991; опубл. 20.05.1996. Режим до-ступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2060236C1_19960520 (дата обращения: 22.07.2025).

12. Glen E. McDonald. Method for depositing an oxide coating. Patent № US4350574A United States, Int. Cl.3 C25D9/08. Заявка № 246,772 dated 23.03.1981; опубл. 21.09.1982. Available at: https://patents.google.com/patent/US4350574A/en (accessed: 22.07.2025).

13. Годин Ю.Г., Тенишев А.В., Новиков В.В. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. Под общей ред. Б.А. Калина. Том 6, часть 2. Ядерные топливные материалы. М.: МИФИ, 2008. 604 с.

14. Зайцев В.А., Зайцев П.А. Ядерное топливо с покрытием. М.: Техносфера, 2018. 240 с. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/text/zaytsev_yadernoe-toplivo-s-pokrytiem_2018/ (дата обращения: 22.07.2025).

15. Leppanen J., PSG/SERPENT – A Continuous Energy Monte-Carlo Reactor Physics Burnup Calculation Code, Helsinki: VTT Technical Research Centre of Finland. 2015. Available at: https://serpent.vtt.fi/serpent/download/Serpent_manual.pdf (accessed: 22.07.2025).

16. Dufek, J., Kotlyar, D., Shwageraus, E., Leppänen, J. Numerical stability of the predictor– corrector method in Monte Carlo burnup calculations of critical reactors. Annals of Nuclear Energy. 2013;56:34–38. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2013.01.018

17. Nuclear Energy Agency (NEA) – The JEFF-3.1.1 Nuclear Data Library. Available at: https://oecd-nea.org/jcms/pl_14470/the-jeff-3-1-1-nuclear-data-library (accessed: 22.07.2025).

18. Noura H. Hafez, Hesham Shahbunder, Esmat Amin, S. U. El-Kamessy, S. A. Elfiki, Ahmed Latef. The Effect of burnable absorbers on neutronic parameters of VVER1200 reactor. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineer-ing. 2020;956. https://doi.org/10.1088/1757-899X/956/1/012007

19. Митин В. С., Бибилашвили Ю.К., Краснобаев Н.Н., Петрухин А.П., Афонин М.М. Таблетка ядерного топ-лива с покрытием (ее варианты), способ нанесения покрытия и установка для осуществления способа. Патент № 2131626 C1 Российская Федерация, МПК G21C 3/00, G21C 3/20, G21C 3/326, G21C 7/04, G21C 21/02. Заявка № 96117361/25 от 27.08.1996; опубл. 10.06.1999. Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2131626C1_19990610 (дата обращения: 22.07.2025).