СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДИАПАЗОНА СПЕКТРАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ В РЕАКТОРАХ С ВОДОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С ПОМОЩЬЮ ЦИРКОНИЕВЫХ ВЫТЕСНИТЕЛЕЙ ДЛЯ УРАНОВОГО И ТОРИЕВОГО ТОПЛИВНЫХ ЦИКЛОВ

Компенсация избыточной реактивности в реакторах с водой под давлением типа ВВЭР осуществляется с помощью сильных поглотителей нейтронов. Это приводит к непроизводительному использованию нейтронов, снижению коэффициента воспроизводства и выгорания топлива. В настоящей работе рассматривается один из способов спектрального регулирования запаса реактивности на выгорание путем изменения водо-топливного отношения в процессе выгорания. Для изменения водо-топливного отношения используются цилиндрические пустотелые стержни из циркония, внедряемые в межтвэльное пространство ТВС. Расчетные исследования проведены для уран-ториевой топливной загрузки на основе урана-233. Оценен диапазон изменения водо-топливного отношения в зависимости от диаметра внедряемых пустотелых циркониевых стержней. Проведено сравнение с аналогичными расчетами для уранового топлива при условии одинакового весового содержания делящихся изотопов (3.7%). Исследованы концентрации топливных сырьевых и делящихся изотопов в обоих топливных циклах. В топливном цикле Th-U233 при снижении водо-топливного отношения коэффициент накопления делящихся изотопов может достигать 0,75. Проведено сравнение изменения концентрации продуктов деления в обоих топливных циклах. Для всех рассматриваемых значений водо-топливного отношения оценены температурные коэффициенты реактивности по температуре топлива и замедлителя и вес управляющих стержней. Параметры безопасности в топливном цикле Th-U233 имеют более высокие значения, чем в топливном цикле UO2. Показано, что при одинаковых весовых содержаниях делящегося изотопа в топливе, при внедрении пустотелых Zr-стержней диапазон изменения реактивности больше для топливного цикла с UO2 по сравнению с его эффектом в топливном цикле Th-U233.

1. Campolina D. et al. Parametric Study of Enriched Gadolinium in Burnable Neutron Poison Fuel Rods for Angra-2 // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2018. Vol. 118. P. 375-380.

2. Fadaei A.H. Investigation of Burnable Poisons Effects in Reactor Core Design // Ann. Nucl. Energy. 2011.

3. Frybortova L. Recommended Strategy and Limitations of Burnable Absorbers Used in WWER Fuel Assemblies // Nucl. Sci. Tech. 2019. Vol. 30, № 8.

4. Galahom A.A. Study of Possibility of Using Europium and Pyrex Alloy as Burnable Absorber in PWR // Ann. Nucl. Energy. 2017. Vol. 110.

5. Galahom A.A. Investigation of Different Burnable Absorbers Effects on the Neutronic Characteristics of PWR Assembly // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2016. Vol. 94. P. 22-31.

6. Safarzadeh O., Saadatian-Derakhshandeh F., Shirani A.S. Calculation of Reactivity Coefficients with Burnup Changes for WWER-1000 Reactor // Prog. Nucl. Energy. 2015.

7. Parisi C., Negrenti E., Pecchia M. B&W Spectral Shift Control Reactor Lattice Experiments: Evaluation of Core I and Core VIII // Nucl. Sci. Eng. 2014. Vol. 178, № 4.

8. Chibinyaev A. V., Alekseev P.N., Teplov P.S. Estimation of the Effect of Neutron Spectrum Regulation on WWÉR-1000 Fuel Burnup // At. Energy. 2006. Vol. 101, № 3. P. 680-683.

9. Teplov P. et al. The Main Characteristics of the the WWER-S with Spectrum Shift Regulation. 2015.

10. Elazaka A.I., Tikhomirov G. V. Potential of the WWER Reactor Spectral Regulation with Regard for Fuel Burnup// Izv. Wysshikh Uchebnykh Zawedeniy, Yad. Energ. 2020. Vol. 2020, № 2.

11. Elazaka A.I., Tikhomirov G.V., Abdelghafar Galahom A. Study the Neutronic Feasibility of Using Zr as an Energy Regulator Instead of Traditional Methods // Int. J. Energy Res. 2021.

12. Akbari-Jeyhouni R. et al. The Utilization of Thorium in Small Modular Reactors - Part I: Neutronic assessment // Ann. Nucl. Energy. 2018. Vol. 120.

13. Castro V.F., Velasquez C.E., Pereira C. Criticality and Depletion Analysis of Reprocessed Fuel Spiked with Thorium in a PWR Core // Nucl. Eng. Des. 2020. Vol. 360.

14. Cui D.Y. et al. Possible Scenarios for the Transition to Thorium Fuel Cycle in Molten Salt Reactor by Using Enriched Uranium // Prog. Nucl. Energy. 2018. Vol. 104.

15. International Atomic Energy Agency IAEA. Advances in Small Modular Reactor Technology Developments A Supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS) 2018 Edition // Iaea. 2018.

16. International Atomic Energy Agency. Thorium Fuel Cycle: Potential Benefits and Challenges. 2005. № May.

17. Lung M., Gremm O. Perspectives of the Thorium Fuel Cycle // Nucl. Eng. Des. 1998. Vol. 180, № 2. P. 133-146.

18. Thilagam L. et al. A WWER-1000 LEU and MOX Assembly Computational Benchmark Analysis Using the lattice Burnup Code EXCEL // Ann. Nucl. Energy. Elsevier Ltd, 2009. Vol. 36, № 4. P. 505-519.

19. Leppänen J. et al. The Serpent Monte Carlo code: Status, Development and Applications in 2013 // Ann. Nucl. Energy. 2015. Vol. 82. P. 142-150.