Нейтронный анализ устойчивых к авариям материалов топливной оболочки реакторов ВВЭР-1200 с использованием кода SERPENT

Разрушение твэлов с циркониевой оболочкой в авариях с потерей теплоносителя (LOCA) в первую очередь вызвано экзотермической реакцией циркония с водяным паром между оболочкой твэла и теплоносителем в реакторах типа ВВЭР, что приводит к образованию взрывоопасного водорода и нарушению целостности оболочки. Повышение безопасности твэлов может быть достигнуто путем замены циркониевой оболочки на материалы толерантного топлива (ATF), которые обладают улучшенной стойкостью к высокотемпературному окислению и пониженным взаимодействием с теплоносителем как в нормальных, так и в аварийных условиях. Авария с потерей теплоносителя является проектной аварией для реакторов ВВЭР, что делает разработку альтернативных материалов оболочки приоритетной задачей для атомных электростанций нового поколения. В данном исследовании с помощью подробного моделирования методом Монте-Карло в коде SERPENT для геометрии реактора ВВЭР-1200 изучается эффективный коэффициент размножения (Keff) стандартных твэлов с циркониевой оболочкой по сравнению с твэлами, использующими три перспективных материала ATF – сплав FeCrAl, композит SiC и сплав NiCr. Результаты демонстрируют значительные различия между материалами: один кандидат проявляет нейтронное поведение, очень близкое к цирконию, с минимальным влиянием на реактивность; другой показывает умеренное, но растущее влияние на протяжении всей кампании; в то время как третий демонстрирует существенное влияние на реактивность, которое потребовало бы серьезного изменения конструкции активной зоны. Эти количественные результаты подтверждают перспективность отдельных материалов ATF в качестве замены циркония, способствуя снижению рисков окисления, исключению образования водорода и уменьшению вероятности аварий на ядерных реакторах при сохранении приемлемых нейтронно-физических характеристик. Расчеты выполнены специально для атомной электростанции с реактором ВВЭР-1200 и предоставляют необходимые данные для выбора материалов и оптимизации проектирования активной зоны

1. Alhmoud A.Z., Kruglov V.B., Kruglov A.B., Tanash, H.A. Tolerant fuel for VVER reactors. Journal of Physics: Conference Series, 2020;1689 012069. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1689/1/012069

2. Yadav K.K., Pal, U., & Karthikeyan, R. Concept of accident tolerant fuel in nuclear reactors. Nuclear and Particle Physics Proceedings, 2023;341:62-66. https://doi.org/10.1016/j.nuclphysbps.2023.09.026

3. Zinkle S.J., Terrani, K. A., Gehin, J. C., Ott, L. J., & Snead, L. L. Accident tolerant fuels for LWRs: A perspective. Journal of Nuclear Materials. 2014:448(1-3):374-379. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.12.005

4. Terrani K.A. Accident tolerant fuel cladding development: Promise, status, and challenges. Journal of Nuclear Materials. 2018;501:13-30. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.12.043

5. Anisur, R. S. K., & Uvakin, M. A. Uncertainty analysis in the physical calculation of VVER cells in the daily maneuvering schedule. Journal of Physics: Conference Series, 2018;1133 012048. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1133/1/012048

6. Rahman A.S.K., & Uvakin, M. A. Compare the Result of Uncertainty Analysis in the Physical Calculations of WWER Cells in the Daily Maneuvering Schedule by GETERA and WIMS Programs. Global Nuclear Safety, 2019;1(30):90-100. Available at: http://gns.mephi.ru/sites/default/files/journal/file/en.2019.1.3.2.pdf (accessed: 01.02.2026)

7. Rahman A.S.K., Uvakin M.A. Investigation of the power peaking factor Kq in the fuel assembly during the ma-neuvering mode of the VVER-1000 reactor. Journal of Physics: Conference Series. 2020;1689 012029. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1689/1/012029

8. Lance L Snead, Takashi Nozawa, Yutai Katoh, Thak-Sang Byun, Sosuke Kondo, David A. Petti. Handbook of SiC properties for fuel performance modeling. Journal of Nuclear Materials. 2007;371(1-3):329-377. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.05.016