Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
приходится «Pu94 =а — aUs =42—25,8= 16,2 кг/т.
Вклад плутония в энерговыработку [без учета вклада под-
* В условиях активной зоны ВВЭР-1000 при больших плотностях нейтронного потока и длительном облучении твэлов (900—1000 сут) заметно проявляется деление некоторой части 238U быстрыми нейтронами (до 4—5 % всех разделившихся ядер, или в нашем примере ~2 кг/т).
вергшихся делению ядер 238U (~2кг)] составит ~33,8%. Кроме того, в выгруженном топливе будут содержаться Риэ,41=7,4 кг/т и неделящиеся изотопы плутония (~2,7 кг/т 240Pu+242Pu). Видно, что вклад плутония в энерговыработку реактора ВВЭР-1000, как и других реакторов на тепловых нейтронах, работающих на слабообогащенном уране, весьма значителен. Вместе с тем в отработавшем топливе остается много делящихся нуклидов. В топливном цикле их можно использовать после химической регенерации отработавшего топлива (с некоторыми небольшими потерями этих ценных веществ). Как видно из рассмотренного выше ориентировочного расчета, в отработавшем топливе реактора ВВЭР-1000 будет содержаться суммарно делящихся нуклидов ~20 кг/т, т. е. почти в 3 раза больше, чем в природном уране. После химической регенерации столь ценное топливо должно возвращаться в топливный цикл ядерной энергетики.
Глубина выгорания и неравномерность энерговыделения в активной зоне. Из-за неравномерности нейтронного потока и несовершенства регулирования в активных зонах ядерных реакторов имеет место значительная неравномерность энерговыделения по высоте и диаметру зоны и по отдельным TBC и твэлам. Поэтому локальные значения глубины выгорания топлива различаются между собой в несколько раз. Предельные (максимальные) значения амакс, на которые должна быть рассчитана работоспособность твэлов и ТВС, определяются с учетом неравномерности
ЭНерГОВЫДелеНИЯ ПО аКТИВНОЙ 3OHe В ЦеЛОМ. ОтЛИЧИе амакс от а
в выгружаемом топливе зависит также от размера одновременно выгружаемой партии. Если будет выгружаться одновременно вся активная зона, тогда коэффициент неравномерности выгорания* топлива в ней будет максимальным. Но практически перегружается лишь часть активной зоны (например, в реакторах ВВЭР-440 1/3 зоны в год). В реакторах канального типа одновременно перегружается только несколько каналов. В этом случае неравномерность выгорания топлива в выгружаемых TBC будет минимальной (~ 1,1—1,2) и величина аМакС будет определяться в основном неравномерностью выгорания по высоте ТВС. В TBC мощных реакторов типа PWR или ВВЭР, содержащих большое число твэлов (свыше 200), в отдельных группах твэлов проявляется не только осевая, но и радиальная неравномерность выгорания топлива, связанная с их расположением в сборке. Таким образом, средняя глубина выгорания является расчетной величиной, характеризующей энергетическую эффективность использования топлива в данном реакторе. Она может существенно отличаться от фактического максимального (минимального) значения а. Максимальная глубина выгорания амаКс — это величина, определяющая требования к надежности и работоспособности твэлов и ТВС.
* Коэффициентом неравномерности выгорания топлива ka в активной зоне называется отношение амакс/а. 102
Отношение аМакс/а служит характеристикой физического и инженерного совершенства активной зоны и использования ядерного топлива в реакторе.
При проектировании активной зоны ядерных реакторов стремятся к тому, чтобы неравномерность энерговыделения при всех режимах работы была небольшой и значение а было наиболее близким к максимально допустимому. Тем самым достигается наиболее экономичное использование топливной загрузки и наиболее полно реализуются технические возможности данного топлива и примененной конструкции твэлов и ТВС.
Неравномерность энерговыделения в активной зоне в целом определяется многими факторами: размерами зоны (по радиусу и высоте), размещением, физическими параметрами и конструкцией органов регулирования нейтронного потока; составом, свойствами применяемого топлива; конструкцией TBC и выбранной решеткой размещения твэлов. Для выравнивания полей энерговыделения применяются выгорающие поглотители нейтронов, борное регулирование, переменная по зонам загрузка топлива различного обогащения, профилирование обогащения по высоте твэлов, по сечению TBC и т. п.
В некоторых типах реакторов выбор наибольшей расчетной средней глубины выгорания не только лимитирован условиями надежности твэлов, т. е. сохранения ими герметичности за весь период нахождения в реакторе, но и обусловлен техническими возможностями системы управления и защиты обеспечивать эксплуатацию зоны при большом начальном запасе реактивности в активной зоне, чтобы реализовать высокий уровень средней энерговыработки с 1 т топливной загрузки.
Предельно достижимая глубина выгорания, которую твэлы могут выдерживать без разрушения, определяется их конструкцией, выбранными материалами и условиями работы в реакторах. Значения предельно достижимых глубин выгорания (накопления продуктов деления) в различных реакторах колеблются от 5 до 100 кг/т. Накопление 100 кг продуктов деления на 1 т урана, как это проектируется, например, в реакторах на быстрых нейтронах, означает, что примерно 10 % атомов замещаются их удвоенным количеством, что приводит к так называемому твердому распуханию топлива. Наряду с этим образующиеся газообразные продукты деления в условиях температур и давлений внутри оболочки твэлов вызывают так называемое газовое распухание топлива.
