Освоение МОКС-топлива в БН-800
Прекрасная статья главного конструктора современной версии БН-800 про то, из какого топлива собрана активная зона этого реактора, как будет
осуществлятся переход на плутониевое МОКС-топливо, приведено очень много цифр - в общем можно считать эту статью справочником по топливу БН-800
Борис ВАСИЛЬЕВ,
Главный конструктор реакторных установок на быстрых нейтронах ОАО «ОКБМ Африкантов»
Как известно, первые отечественные реакторы БН-350 и БН-600, в силу того что основной их задачей была отработка натриевой реакторной технологии,
были ориентированы на применение технологически более простого уранового топлива (оксидного). Тем не менее эти реакторы сыграли важную роль
и в освоении ядерного топлива. На них были изучены принципиальные особенности поведения твэлов в условиях быстрых натриевых реакторов,
характеризующихся высоким уровнем температур и интенсивным нейтронным потоком.
В результате работ по усовершенствованию твэлов и ТВС максимальное выгорание топлива в реакторе БН-600 увеличено с ~7% т.а. (тяжелых атомов -
атомов делящегося вещества tnenergy) до ~12% т.а., а среднее значение с 40 (МВт•сут)/кг до 74 (МВт•сут)/кг. Этот опыт имеет исключительно важное
значение для создания активной зоны реактора БН-800 на МОКС-топливе, поскольку, как показали результаты исследований, поведение МОКС-топлива
(таблеточного) подобно поведению оксидного уранового топлива.
Работоспособность твэлов с МОКС-топливом подтверждена и прямыми испытаниями твэлов в реакторе БН-600 в статистически значимых масштабах.
Реактор БН-800 разработан исходя из использования в нем МОКС-топлива, изготавливаемого на основе высокофонового (энергетического) плутония,
выделяемого из ОЯТ ВВЭР-440 при переработке его на заводе РТ 1 (ПО "Маяк").
Создание производства МОКС-топлива для реактора БН-800 ведется на ГХК (в настощее время производство запущено но испытывает проблемы с
выходом на серию - tnenergy) в соответствии с ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года».
Поскольку вопрос об организации работ по созданию производства МОКС-топлива был решен с некоторым запозданием по отношению к планированию
работ по сооружению реактора БН-800, начальная топливная загрузка для этого реактора сформирована в основном из уранового оксидного топлива, и лишь часть ТВС (
16 % от общего количества) содержит МОКС-топливо, изготовленное на опытных производствах ПО «МАЯК» и ОАО «ГНЦ НИИАР».
(главный конструктор очень мягко называет тот цирк с конями, который случился вокруг производства МОКС для БН-800 - tnenergy)
Далее в этой статье предоставляется информация о стартовой активной зоне, которую с учетом особенностей ее комплектации назвали «гибридной», и
о ее поэтапной замене на активную зону с полной загрузкой МОКС-топливом производства ГХК.
Компоновка и характеристики активной зоны
Гибридная активная зона включает в себя ТВС с урановым топливом (таблеточным), ТВС с таблеточным МОКС-топливом и ТВС с виброуплотненным
МОКС-топливом (виброуплотненное топливо - набитый в трубки твэлов порошок диоксида плутония и урана. - tnenergy)
ТВС с урановым топливом и виброуплотненным МОКСтопливом включают в себя как нижнюю, так и верхнюю торцевую зону воспроизводства (ТЗВ). ТВС
с таблеточным МОКС топливом подобны ТВС для активной зоны с полной загрузкой МОКС-топливом - в них вместо верхней торцевой зоны воспроизводства
имеется полость, заполненная в реакторе натрием, над которой находится пучок ПЭЛ (поглощающиех элементов - tnenergy) - с карбидом бора (полость
над активной зоной обеспечивает снижение величины натриевого пустотного эффекта реактивности до величины менее βэфф).
В гибридной активной зоне с целью выравнивания распределения энерговыделения применено три типа урановых ТВС по обогащению топлива:
центральная часть активной зоны сформирована из урановых ТВС с обогащением 18,5 % (зона малого обогащения - ЗМО), средняя часть с
обогащением 21 % (зона среднего обогащения - ЗСО), периферийная часть с обогащением 24 % (зона большого обогащения - ЗБО). ТВС с
МОКС топливом с обогащением по низкофоновому плутонию 18,7 % и 19,5 % для таблеточного и виброуплотненного топлива соответственно
расположены в периферийной части активной зоны исходя из оптимизации по условиям распределения энерговыделения и воздействия на
натриевый пустотный эффект реактивности.
Активная зона окружена одним рядом ТВС боковой зоны воспроизводства, содержащих диоксид обедненного урана. Далее размещаются сборки стальной
и борной защиты с естественным карбидом бора, за которыми находится внутриреакторное хранилище отработавших ТВС (ВРХ). Для компенсации
избыточной реактивности, регулирования и защиты реактора в активной зоне имеется 30 стержней СУ3, в том числе 2 регулирующих стержня с
естественным карбидом бора, 16 компенсирующих стержней с карбидом бора 60 % обогащения по бору-10, девять стержней аварийной защиты с карбидом
бора 92 % обогащения по бору-10 и три стержня пассивной защиты (гидравлически взвешенных) также с карбидом бора 92 % обогащения по бору-10.
Рисунок 1. Картограмма активной зоны в первый интервал работы реактора
Рисунок 2. Картограмма активной зоны с полной загрузкой МОКС-топливом
Таблица 1. Основные характеристики активных зон реактора БН-800 для начального периода эксплуатации * Для периферийных ТВС ЗБО
В стержнях СУЗ так же, как и в сборках борной защиты, применен горячепрессованный карбид бора.
В центре гибридной активной зоны находится источник нейтронов - две ампулы с калифорнием интенсивностью по 109 н/см2 •с, размещенные в стальной
сборке.
Картограмма сборок гибридной активной зоны приведена на рисунке 1.
В первом интервале между перегрузками в активной зоне размещаются шесть сборок постоянных компенсаторов реактивности - ПКР, конструктивно
подобных сборкам борной защиты.
ПКР компенсируют избыточную реактивность, обусловленную отсутствием в активной зоне продуктов деления (отсутствие ТВС с частично выгоревшим
топливом, наличие которых характерно для режима стационарных перегрузок).
В активной зоне с МОКС-топливом также используются три типа ТВС по степени содержания делящегося материала (условно, по «степени обогащения»):
18,2 %, 20,1 %, 23,0 % по высокофоновому плутонию.
При этом границы зон обогащения в гибридной активной зоне и в зоне с полной загрузкой МОКС-топлива совпадают.
Картограмма активной зоны с МОКС-топливом приведена на рисунке 2.
В таблице 1 представлены основные технические характеристики активных зон.
Таблица 2. Основные конструктивные характеристики ТВС
ТВС активной зоны реактора БН-800 имеют шестигранный чехол размером «под ключ» 96 мм длиной 3500 мм, головку длиной 322 мм и хвостовик
длиной 518 мм.
Внешний вид ТВС БН-800
Основные конструктивные характеристики ТВС приведены в таблице 2, схема ТВС представлена на рисунке 3.
ТВС с виброуплотненным МОКС-топливом отличается от ТВС с урановым топливом узлом крепления твэлов и конструкцией хвостовика в связи с тем,
что для ТВС с МОКС-топливом обеспечиваются дистанционные операции по сборке твэлов и втягиванию пучка твэлов в шестигранный чехол. Конструкция
ТВС с таблеточным МОКС-топливом имеет дополнительное отличие - наличие верхнего пучка пэлов, закрепленных на решетке, приваренной к головке ТВС.
Конструкция и технология изготовления твэлов с таблеточным МОКС-топливом разработаны ВНИИНМ, твэлов с виброуплотненным МОКС-топливом -
ОАО «ГНЦ НИИАР».
Рисунок 3. Схема ТВС
ТВС с МОКС-топливом для гибридной активной зоны изготавливаются на опытных производствах в следующей кооперации: ПО «МАЯК» - изготовление
твэлов с таблеточным МОКС-топливом, ОАО «ГНЦ НИИАР» - изготовление твэлов с виброуплотненным МОКС-топливом и сборка ТВС с обоими типами
твэлов. Комплектующие для изготовления твэлов и ТВС изготавливаются на МСЗ «ЭЛЕМАШ».
ТВС с МОКС-топливом гибридной активной зоны, подобно экспериментальным ТВС реактора БН-600, изготавливаются на основе низкофонового плутония.
ТВС для полной загрузки активной зоны МОКС-топливом производства ГХК будут изготавливаться на основе высокофонового (энергетического) плутония.
Кроме того, в соответствии с российско-американским соглашением об утилизации плутония (СУОП) в реакторе БН-800 планируется использование
топлива на основе плутония оружейного качества. Характеристики активной зоны и условия эксплуатации ТВС при использовании МОКС-топлива с
различным изотопным составом плутония меняются незначительно.
Кампания ТВС основного массива гибридной активной зоны назначена равной 465 эфф. суткам (три интервала по 155 эфф. суток) исходя из условия
достижения повреждающей дозы для оболочек твэлов из стали ЧС-68ХД 81 сна - обоснованного значения на момент разработки твэла. Для активной
зоны с полной загрузкой с МОКС-топливом в связи с ее нейтронно-физическими особенностями величина повреждающей дозы при сохранении кампании
ТВС возрастает до 90 сна, возможность эксплуатации ТВС до накопления такого уровня радиационных повреждений планируется подтвердить
дополнительными исследованиями. Кроме того, возможна замена конструкционного материала оболочек твэла на более радиационно стойкую сталь ЭК-164 х.д.,
для которой можно рассматривать увеличение кампании ТВС и выгорания топлива.
Эксплуатационные характеристики ТВС активной зоны реактора БН-800 в начальный период эксплуатации приведены в таблице 3.
Таблица 3. Эксплуатационные характеристики ТВС активной зоны реактора БН-800 в начальный период эксплуатации
Основным проектным режимом работы реактора является установившийся режим перегрузок, характеризующийся одинаковым количеством ТВС,
перегружаемых в одну перегрузку, и одинаковой длительностью интервала между перегрузками.
При принятой равномерно-частичной схеме перегрузок ТВС для указанного режима работы в активной зоне одновременно будут находиться сборки с
разным временем облучения, равномерно распределенные по активной зоне.
В основной части активной зоны (480 ТВС) должны быть сформированы три таких группы, в периферийной части (84 ТВС) - четыре группы.
ТВС разбиты на группы перегрузки, различающиеся количеством отработанных интервалов между перегрузками. Это сделано таким образом, чтобы
избежать существенного азимутального и радиального перераспределения содержания делящихся элементов топлива при перегрузках ТВС.
На начальном этапе эксплуатации реактора используется особый режим перегрузок, обеспечивающий вывод активной зоны в установившийся режим, в
котором из активной зоны требуется выгрузить не полностью выгоревшие ТВС. Для минимизации потерь от недовыработки энергии тепловыделяющими
сборками по возможности использовалась схема с возвратом в активную зону для дожигания ранее отгруженных в ВРХ частично выгоревших ТВС.
В каждом интервале между перегрузками активная зона формировалась таким образом, чтобы обеспечить запас реактивности, достаточный для отработки
155 эфф. суток с учетом выполнения соответствующих нормативных требований по балансу реактивности.
Разработанная схема перегрузок ТВС активной зоны в переходный период приведена в таблице 4. Реализация этой схемы планируется с учетом
предусмотренного в проекте увеличения количества ТВС с виброуплотненным МОКС-топливом с 36 ТВС до 69 ТВС и соответствующего уменьшения количества
урановых ТВС ЗБО: со 108 штук до 75.
Таблица 4. Цифра в клетке - номер кампании для группы перегружаемых ТВС. Видно, что после первой кампании перегрузок не будет - tnenergy
Картограмма гибридной активной зоны на конец переходного периода представлена на рисунке 4. В первую перегрузку активной зоны запас реактивности
на выгорание топлива восстанавливается путем замены 6 ПКР с карбидом бора на урановые ТВС ЗМО.
Особенностью второй и третьей перегрузок реактора является выгрузка из активной зоны в 1,5-2 раза большего количества ТВС, чем в установившемся
режиме перегрузок. В связи с этим предусматривается прямая выгрузка из активной зоны в барабан отработавших сборок части отработавших ТВС, не
умещающихся в ВРХ. Две группы не полностью выгоревших ТВС, выгруженных в ВРХ во вторую перегрузку, возвращаются в активную зону в третью перегрузку.
В итоге в начале четвертого интервала распределение ТВС на группы по количеству отработанных интервалов практически соответствует проектному
установившемуся режиму перегрузок.
Рисунок 4. Картограмма активной зоны в четвертый интервал работы реактора
Среднее выгорание ТВС, выгруженных в начальный период, составит ~85% от номинального проектного значения.
Переход от гибридной активной зоны к активной зоне с полной загрузкой МОКС-топливом
Переход от гибридной активной зоны к активной зоне с полной загрузкой МОКС-топливом планируется осуществить за три последовательные перегрузки,
во время которых ТВС гибридной активной зоны будут полностью заменены на штатные ТВС с таблеточным МОКС-топливом. Изменение состава
активной зоны при переходе к активной зоне с полной загрузкой МОКС-топливом представлено в таблице 5.
Переходный период характеризуется повышением плотности нейтронного потока в активной зоне (с 7,0×1015 н/см2•с до 8,2×1015 н/см2•с), что обусловлено
ядерно-физическими особенностями плутония по отношению к урану-235. Однако это не приводит к необходимости ограничения мощности реактора
благодаря снижению концентрации урана-235 в урановых ТВС по мере их выгорания. Параметры твэлов в таблице 3 указаны с учетом их работы в
переходный период.
Заключение
Для обеспечения работы реактора БН-800 на начальном этапе эксплуатации до ввода в действие промышленного производства МОКС-топлива
используется гибридная активная зона, скомплектованная из ТВС с обогащенным урановым топливом и ТВС с МОКС-топливом двух видов - таблеточного
и виброуплотненного, изготавливаемых на опытных производствах ПО «МАЯК» и ОАО «ГНЦ НИИАР».
Доля ТВС с МОКС-топливом на разных интервалах работы активной зоны составляет от 16 до 22 %.
В рамках эксплуатации гибридной активной зоны в течение двух лет (четыре интервала работы) формируется установившийся проектный режим
перегрузок, характеризующийся одинаковым количеством перегружаемых ТВС в каждую перегрузку.
После четвертого интервала работы реактора начинается переход к активной зоне с полной загрузкой МОКС-топливом.
Этот переход планируется осуществить за три последовательные перегрузки, в процессе которых отработавшие ТВС гибридной активной зоны
заменяются на ТВС с таблеточным МОКС-топливом производства ГХК.
Параметры эксплуатации твэлов в начальный период эксплуатации реактора не превысят обоснованных значений, соответственно ограничения
мощности реактора по условиям работы активной зоны не потребуется.
Таблица 5. Изменение состава активной зоны при переходе на полную загрузку МОКС-топливом