Review of the neutron physics results of radial profiling using the example of a VVER-1200 reactor unit cell

It is necessary to create a reserve of the maximum service life of fuel and structural materials to increase the service life of fuel rods in a nuclear reactor. This paper considers various methods of reducing the radial unevenness of fuel element burnup by redistributing fissionable nuclei (profiling) using the example of the unit cell of the VVER-1200 reactor in the infinite breeding medium. The fuel pellet is divided into a different number of concentric layers to be profiled, the enrichment of the layers varis while maintaining the total number of fissile nuclei in the fuel pellet at the beginning of the fuel campaign. In the Serpent 2 PC, neutron physics calculations of the corresponding models are performed, after that the characteristics obtained for them are compared: the infinite multiplication factor, the average rate of reactivity loss, the proportion of delayed neutrons at the beginning of the campaign, radial burnup profile and energy release distributions (at different time points), and changes in reactivity effects after profiling. The result of this work is a selected optimal method to reduce burnup on the fuel pellet periphery by increasing enrichment in the central part of the fuel pellet and, as a result, a more uniform burnup profile in the whole of the tablet. The research shows that there is no change in the neutron-physical characteristics as a result of the transformations carried out. A possible problem when using this profiling method may be an increase in the peripheral layer temperature as a result of a significant increase in energy release in it during the fuel campaign.

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).