Calculational modeling of burnable absorbers based on the benchmark of uranium and mixed uranium-plutonium VVER-1000 fuel
https://doi.org/10.26583/gns-2025-04-05
EDN: DWJEEE
Abstract
The results of computational modeling of burnable absorbers in fuel assemblies using the SAPHIR_95 and SAPHIR_RF engineering programs are presented. Two models of fuel assemblies with uranium and uranium-plutonium fuel have been developed using a uranium-gadolinium burnable absorber implemented in the form of a fuel element. The analysis of the grid convergence of a method for calculating the neutron multiplication coefficient from the depth of fuel burnup is carried out. Recommendations have been developed on the number of calculated layers in fuel rods for non-slow systems (4-8 layers) and systems with a rigid spectrum (2-4 layers). The VVER-1000 LEU and MOX benchmark was used to estimate the calculation error. The calculations performed in the SAPHIR_95 and SAPHIR_RF programs have results similar to those obtained in the MCU, TVS-M, WIMS8A, HELIOS, and MULTICELL programs. The maximum value of the relative deviation of the benchmark value referred to the average value in calculations using the SAPFIR_95 program was: for fuel assemblies with uranium fuel 0.78%, for fuel assemblies with mixed uranium-plutonium fuel 0.9%. For the SAPFIR_RF program, the errors were 1.04% and 1.41%, respectively. It is shown that for systems with a rigid neutron spectrum, unlike non-slow systems, there is no obvious decrease in the multiplication coefficient due to the use of self-shielded burnable absorber. It is concluded that there may be a reduction in the use of fuel rods in assemblies with mixed uranium-plutonium fuel or their abandonment. As a result of the simulation, the distribution dependences of the neutron flux density of the fast and thermal groups were obtained depending on the depth of the burnout of the cassettes. The results obtained during the calculation in SAPHIR_95 and SAPHIR_RF are not qualitatively different.
About the Authors
K. V. Kirillov
Bauman Moscow State Technical University (National Research University)
Russian Federation
Russian Federation
Department of nuclear reactors and installations
P. V. Akhmetova
Bauman Moscow State Technical University (National Research University)
Russian Federation
Russian Federation
Department of nuclear reactors and installations
V. V. Semishin
Bauman Moscow State Technical University (National Research University)
Russian Federation
Russian Federation
Senior Lecturer, Department of nuclear reactors and installations
Ya. D. Stolotnyuk
Bauman Moscow State Technical University (National Research University)
Russian Federation
Russian Federation
Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor Department of nuclear reactors and installations
References
1. Волков В.С., Лукьянов А.С., Чепкунов В.В., Шевяков В.П., Ямников В.С. Применение выгорающих поглотителей в ядерных реакторах. Атомная энергия. 1961;11(2):109–121. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t11-2_1961/p122/ (дата обращения: 29.07.2025).
2. Крюков В.В., Пономаренко В.Б. Органы регулирования реакторов ВВЭР. Машиностроение ядерной техники. Книга 1. Москва: Машиностроение, 2005. С. 505–509. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/text/mashinostroenie-yadernoy-tehniki_kn1_2005/p507/ (дата обращения: 28.05.2025).
3. Антонов С.Н., Русанов А.Д., Устинов А.Н., Фатеев М.Ф. и др. Расчет нейтронно-физических характеристик бенчмарка FullCore по программам TDMCC и «САПФИР_95&RC_ВВЭР». ВАНТ. Сер. Математическое моделирование физических процессов. 2020;1:20–33. Режим доступа: https://vant.vniief.ru/publication/vant_math/2020/120/files/20-33.pdf (дата обращения: 29.07.2025).
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):42–55. https://doi.org/10.26583/gns-2022-02-05
5. 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/5300/5288 (дата обращения: 29.07.2025).
6. Внуков Р.А., Колесов В.В., Котов Я.А., Жаворонкова И.А. Исследование оптимального размещения выгорающего поглотителя в ТВС реактора ВВЭР-1200. Физика. Технологии. Инновации : тезисы докладов VIII Международной молодежной научной конференции (Екатеринбург, 17–21 мая 2021 г.). Екатеринбург : УрФУ, 2021. C. 142–144. Режим доступа: https://elar.urfu.ru/handle/10995/124270 (дата обращения: 29.07.2025).
7. Внуков Р.А., Жаворонков И.А., Колесов В.В., Карпович Г.В. Подходы к оптимизации глубины выгорания с помощью радиального профилирования твэга. Ученые записки физического факультета Московского университета. 2021;1(2110303):1–6. Режим доступа: http://uzmu.phys.msu.ru/file/2021/1/2110303.pdf (дата обращения: 29.07.2025).
8. Энциклопедия нейтронных данных РОСФОНД. Полный пакет обоснования отбора оценок. ФГУП ГНЦ РФ Физико-энергетический институт. Обнинск, 2006. Режим доступа: https://xn--80ahadac6cday6jf5b.xn--p1ai/data/links/Obosnovanie_ROSFOND.pdf (дата обращения: 29.07.2025).
9. Data Formats and Procedures for the Evaluated Nuclear Data File ENDF/B-VI and ENDF/B-VII. Report BNL-NCS-44945-05-Rev. 2005. Available at: https://www.nndc.bnl.gov/endf-b6.8/endf-102-endf6.8.pdf (accessed: 29.07.2025).
10. NEA/NSC/DOC. A VVER-1000 LEU and MOX Assembly Computational Benchmark. Nuclear Energy Agency, 2002. Available at: https://oecd-nea.org/upload/docs/application/pdf/2020-01/nsc-doc2002-10.pdf (accessed: 29.07.2025).
11. Гомин Е.А., Гуревич М.И., Жирнов А.П., Калугин М.А. и др. Программа MCU-FCP для расчета переноса нейтронов методом вероятностей первых столкновений. Атомная энергия. 2008;105(2):67–72. Режим доступа: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/2416/2393 (дата обращения: 29.07.2025).
12. Гомин Е.А., Гуревич М.И., Майоров Л.В., Марин С. В. Описание применения и инструкция для пользователей программы MCU-RFFI расчета методом Монте-Карло нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов. Москва: РНЦ «Курчатовскикй институт», 1994. 63 с. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01001700902?ysclid=mi7nf0grj3731484477 (дата обращения: 29.07.2025).
13. Третьякевич С.С., Сперанский Ф.А. Программные средства, применяемые для анализа и обоснования безопасности атомной электростанции в части нейтронно-физических вычислений. Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2017;1(3):361–372. Режим доступа: https://vestnik.ucp.by/arhiv/article.php?IdArt=387 (дата обращения: 29.07.2025).
14. Murphy B.D., Kravchenko J., Lazarenko A., Pavlovitchev A., Sidorenko V., Chetverikov A. Simulation of Low-Enriched Uranium (LEU) Burnup in Russian VVER Reactors with the HELIOS Code Package. ORNL/TM-1999/168. Available at: https://rsicc.ornl.gov/FMDP/TM1999_168.pdf (accessed: 29.07.2025).
15. Dastur A.R., Buss D.B. MULTICELL – a 3-D Program for the Simulation of Reactivity Devices in CANDU. AECL Report. AECL-7544. 1983 February. ISSN 0067-0367. Available at: https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://inis.iaea.org/records/sz44e-9cw39/files/16042389.pdf&ved=2ahUKEwjy2fuP9peRAxX-IBAIHdJlBK8QFnoECCAQAQ&usg=AOvVaw08Yx2rO55mRhVtcUtkfVBu (accessed: 29.07.2025).
16. Arsenault B., Chow H.C. Evaluation of Supercell Methodologies Using ZED-2 Measurments. 2oth Annual Conference of the Canadian Nuclear Society Montreal, Quebec, Canada I May 30 – June 2, 1999. Available at: https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://proceedings.cns-snc.ca/index.php/pcns/article/download/3372/3371/3407&ved=2ahUKEwicybOE_5eRAxU4TVUIHQ-wLzAQFnoECBwQAQ&usg=AOvVaw00rLSsawSjiWPCZFiQExfk (accessed: 29.07.2025).
17. Семишин В.В. Оценка нейтронно-физических свойств активной зоны реактора ВВЭР-1000 при использовании регенерированного уран-плутониевого топлива. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2023;2:15–26. https://doi.org/10.26583/npe.2023.2.02
18. Бобров Е.А. Исследование характеристик замыкания топливного цикла реакторов ВВЭР на основе РЕМИКС-технологии. Диссертация кандидата технических наук. Москва: НИЦ «Курчатовский институт», 2016. 129 стр. Режим доступа: https://www.dissercat.com/content/issledovanie-kharakteristik-zamykaniya-toplivnogo-tsikla-reaktorov-vver-na-osnove-remiks-tek (дата обращения: 29.07.2025).
Review
Рассмотрена статья «Расчётное моделирование выгорающих поглотителей на основе бенчмарка уранового и смешанного уран-плутониевого топлива ВВЭР-1000»
Статья посвящена актуальной для атомной энергетики задаче верификации программных комплексов САПФИР_95 и САПФИР_РФ для моделирования нейтронно-физических характеристик тепловыделяющих сборок с выгорающими поглотителями. Проведенный сравнительный анализ с международным бенчмарком VVER-1000 LEU and MOX представляет значительный научный и практический интерес для обоснования точности отечественных расчетных кодов.
Название статьи полностью отражает её содержание. Аннотация структурирована и дает четкое представление о цели, методах и основных результатах работы.
Введение содержит обоснованный обзор проблематики применения выгорающих поглотителей и корректные ссылки на работы предшественников. Цель исследования сформулирована четко и соответствует современным задачам развития реакторных технологий.
Методы исследования основаны на применении верифицированных программных комплексов САПФИР_95 и САПФИР_РФ с проведением анализа сеточной сходимости. Выбор бенчмарка VVER-1000 LEU and MOX является обоснованным и соответствует современным требованиям к верификации расчетных кодов.
Результаты работы представлены в виде комплексного анализа зависимостей коэффициента размножения от глубины выгорания для различных типов топлива и конфигураций разбиения на регистрационные зоны. Полученные количественные оценки отклонений (0,78-1,41%) свидетельствуют о удовлетворительном соответствии результатов расчетов данным бенчмарка. Особую практическую ценность имеют выработанные рекомендации по количеству расчетных слоев в твэгах для различных типов нейтронных спектров.
К статье имеются следующие замечания, носящие рекомендательный характер:
- В заключении представлены разрозненные выводы, которые рекомендуется структурировать по степени значимости: от подтверждения точности расчетных комплексов до практических рекомендаций по моделированию.
- В тексте присутствуют повторы формулировок, особенно в аннотации и заключении. Рекомендуется провести стилистическую правку для устранения дублирования информации.
Несмотря на указанные замечания, статья представляет собой законченное научное исследование. Практическая ценность работы не вызывает сомнений, поскольку полученные результаты могут быть использованы при проектировании активных зон ВВЭР-1000 и верификации других расчетных кодов.
В связи с этим считаю, что статья «Расчётное моделирование выгорающих поглотителей на основе бенчмарка уранового и смешанного уран-плутониевого топлива ВВЭР-1000» обладает высокой научно-практической ценностью для атомной отрасли и может быть рекомендована к опубликованию в журнале «Глобальная ядерная безопасность».
Рецензент:
к.т.н., доцент
зав. кафедрой атомной энергетики
ВИТИ НИЯУ МИФИ А.Е. Дембицкий
For citations:
Kirillov K.V., Akhmetova P.V., Semishin V.V., Stolotnyuk Ya.D. Calculational modeling of burnable absorbers based on the benchmark of uranium and mixed uranium-plutonium VVER-1000 fuel. Nuclear Safety. 2025;15(4):48-57. (In Russ.) https://doi.org/10.26583/gns-2025-04-05. EDN: DWJEEE
Views:
80
Email this article 