Статья опубликована в №70 (июнь) 2019
Разделы: Физика, Техника
Размещена 21.06.2019. Последняя правка: 25.06.2019.
Просмотров - 1687

АНАЛИЗ МОЩНОСТИ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА РЕАКТОРА ВВЭР-1200 В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫГОРАНИЯ И ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖКИ

Серебряный Григорий Зиновьевич

ктн

ОИЭЯИ-Сосны НАН Беларуси

ведущий научный сотрудник

Жемжуров Михаил Леонидович, доктор технических наук, заведующий лабораторией, Объединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны НАН Беларуси

УДК     519.63:539.17

Введение

Переход на более продолжительные топливные циклы приведет к повышению глубины выгорания топлива. Это с одной стороны увеличивает экономическую эффективность топливоиспользования. С другой − приведет к повышению концентрации продуктов деления, активации и трансурановых элементов в ядерном материале, что повлечёт за собой изменения параметров поля ионизирующих излучений вблизи отработавшей тепловыделяющей сборки (ОТВС). При этом следует ожидать увеличения мощности потоков нейтронного и гамма-излучения, что может вызвать неопределенность в отношении возможности обеспечить необходимую степень защиты ОТВС с повышенной глубиной выгорания с помощью имеющихся транспортных средств. Мощность потока гамма-излучения как следует из данных для реакторов PWR [1,2]  и реактора ВВЭР-1200 [3] увеличивается практически пропорционально с повышением глубины выгорания топлива. Однако из [1,2]  и как будет показано в данной работе, мощность потока нейтронного излучения увеличивается с повышением глубины выгорания топлива в степени порядка 3.4 и более.. Это может оказать большое влияние на заключительных этапах топливного цикла, которые включают промежуточные хранение отработанного ядерного топлива (ОЯТ), отгрузка, переработка, долговременное хранение и окончательное захоронение.

Для анализа мощности нейтронного излучения в рамках данной работы были выбраны  штатные тепловыделяющие сборки  ТВС-2М реактора ВВЭР-1200 трех типов. Первый тип Z49 – с начальным обогащением 4,95 % по ²³⁵U. Два других типа это те же ТВС, но с некоторым содержанием Gd₂O₃.  Второй тип Z49B6 – с начальным обогащением 4,95 % по ²³⁵U и 6 твэгов с начальным обогащением 3,6 % по ²³⁵U и с содержанием 5% Gd₂O₃  и третий тип Z49А2 – с начальным обогащением 4,95 % по ²³⁵U и 12 твэгов с начальным обогащением 3,6 % по ²³⁵U и с содержанием 5% Gd₂O₃.

Результаты анализа мощности нейтронного излучения

          Для расчета мощности нейтронного излучения (n/s) в расчете на одну тонну урана для трех типов ТВС был использован программный комплекс MCU-PD [4]. Расчеты выполнены  для значений глубины выгорания ОЯТ от 50 до 70  ГВт∙сут/тU и времени выдержки от 0 до 100 лет.  

На первом этапе было проверено, существует ли простейшая степенная зависимость мощности нейтронного излучения на конец облучения от величины выгорания ОЯТ. Проведенный анализ мощности нейтронного излучения на конец облучения в расчете на одну тонну урана для значений глубины выгорания ОЯТ от 50 до 70  ГВт∙сут/тU показал, что существует простейшая степенная зависимость с показателем степени равным 3,385.

На втором этапе расчетные величины  мощности нейтронного излучения   для трех типов ТВС для значений глубины выгорания ОЯТ от 50 до 70  ГВт∙сут/тU и времени выдержки от 5 до 100 лет были пересчитаны на одну тонну урана, как это принято в мировой практике. Расчетные величины  мощности нейтронного излучения   для трех типов ТВС представлены в таблицах 1-3.

Таблица 1. Мощность нейтронного излучения (n/sтU) для ТВС типа Z49 в зависимости от выгорания и времени выдержки

    

Таблица 2. Мощность нейтронного излучения (n/sтU) для ТВС типа Z49B6 в зависимости от выгорания и времени выдержки

 

Таблица 3. Мощность нейтронного излучения (n/s тU) для ТВС типа Z49A2 в зависимости от выгорания и времени выдержки

 

Как следует из таблиц 1-3,  рост глубины выгорания  приводит к росту мощности  нейтронного излучения  в результате протекания процессов: спонтанного деление ядер актиноидов. С другой стороны при одинаковом времени облучения видно, что у ТВС с твэгами несколько увеличивается выгорание ОЯТ. Это приводит к тому, что мощность  нейтронного излучения у ТВС с 6 твэгами в среднем приблизительно на 5%, а с 12 твэгами соответственно на 10% выше.

На основании анализа зависимости мощности  нейтронного излучения от выгорания и времени выдержки была получена для всех типов ТВС аппроксимационная зависимость следующего вида:

 

N=a+b^.exp(xc)+[d+e^.exp(-xf)]exp[-t(0.037728+gx³)],         (1)

 

где N – мощность  нейтронного излучения (n/s тU), x – выгорание (ГВт∙сут/тU),

t – время выдержки (лет), a..g – коэффициенты, представленные в таблице 4.

 

Таблица 4. Коэффициенты зависимости (1) для различных типов ТВС

 

Тип ТВС	a	b	c	d	e	f	g
Z49	6.3404E+06	1.4920E+05	8.0501E-02	-6.7031E+08	1.1304E+08	-4.9410E-02	2.0976E-09
Z49B6	6.3483E+06	1.3878E+05	8.1383E-02	-6.9257E+08	1.1871E+08	-4.8670E-02	2.1621E-09
Z49A2	6.5374E+06	1.3254E+05	8.2284E-02	-7.3418E+08	1.2766E+08	-4.7953E-02	2.2265E-09

Результаты расчетов мощности  нейтронного излучения , вычисленных по зависимости (1) для трех типов ТВС, имеют среднеквадратичную погрешность порядка 0,54%.     

Известно, что основную долю нейтронного излучения определяют изотопы ²⁴²Cm и ²⁴⁴Cm , а с увеличением времени выдержки актиноидом ²⁴⁴Cm. Чтобы определить какую долю от общего нейтронного излучения обусловлена  ²⁴⁴Cm, были проведены с использованием результатов работы [3], расчеты мощности  нейтронного излучения  для ²⁴⁴Cm и определена его доля от  общего нейтронного излучения. Результаты расчетов представлены в таблице 5.

 

Таблица 5. Доля мощности  нейтронного излучения  для ²⁴⁴Cm от общего излучения в зависимости от выгорания и времени выдержки

 

 

Как следует из таблицы 5 для выгораний ОЯТ в диапазоне от 50 до 70 ГВт∙сут/тU и для времени выдержки от 5 до 10 лет мощность нейтронного излучения  на 97,5% определяется ²⁴⁴Cm.

Выводы

Для трех типов ОЯТ реактора ВВЭР-1200 представлены данные по мощности нейтронного излучения в диапазоне выгораний от 50 до 70 ГВт∙сут/тU и для времени выдержки от 5 до 10 лет.

На основании этих данных предложены аппроксимационные зависимости,  позволяющие определять мощность нейтронного излучения ОЯТ в диапазоне выгораний от 50 до 70 ГВт∙сут/тU и для времени выдержки от 5 до 10 лет со среднеквадратичной погрешностью порядка 0,54%.

Показано, что мощность  нейтронного излучения у ТВС с 6 твэгами в среднем приблизительно на 5%, а с 12 твэгами соответственно на 10% выше.

Для выгораний ОЯТ в диапазоне от 50 до 70 ГВт∙сут/тU и для времени выдержки от 5 до 10 лет мощность нейтронного излучения  на 97,5% определяется ²⁴⁴Cm.

Эти данные по мощности нейтронного излучения ОЯТ могут быть использованы,  чтобы обеспечить радиационную безопасность и необходимую степень защиты ОТВС с повышенной глубиной выгорания на заключительных этапах топливного цикла, которые включают промежуточные хранение отработанного ядерного топлива, отгрузка, переработка, долговременное хранение и окончательное захоронение.

1. Hu J., Gauld I.C., Peterson J.l. and Bowman S.M. "Us commercial spent nuclear fuel. Assembly characteristics, 1968-2013;" NUREG/CR-7227 ORNL/TM-2015/619, Oak Ridge, 2016. – 145 p. 2Gauld. I.C., Ryman J.C.. Nuclide Importance to Criticality Safety, Decay Heating, and Source Terms Related to Transport and Interim Storage of High-Burnup LWR Fuel. NUREG/CR-6700. ORNL/TM-2000/284, Oak Ridge, 2001.– 104 p. 3. Серебряный Г.З., Жемжуров М.Л.. Радиационные и теплофизические характеристики отработавшего ядерного топлива реактора ввэр-1200 / VII Международная конференция «Атомная энергетика, ядерные и радиационные технологии XXI века»: доклады, Минск, 23−26 октября 2018 г. – Минск, Право и экономика. − 63-69 с. 4. Разработка программы MCU-PD для расчёта нейтронно-физических характеристик активных зон реактора ВВЭР-1200 АЭС-2006, реализующей для решения уравнения переноса нейтронов метод Монте-Карло на основе информации, хранящейся в файлах оценённых ядерных данных: отчёт / РНЦ Курчатовский институт – М., 2009. – инв. № 36-03/18-08.

Рецензии:

24.06.2019, 19:11 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Статья актуальна и по теме, и по содержанию вообще, а по водо-водяным реакторам в особенности. Структурировать статью: введение и т.д. Не все знают, что "твэг" – это тот же твэл, но с небольшим содержанием гадолиния, точнее, его триоксидным соединением, т.ч надо дать расшифровку этой аббревиатуры. Оформить список литературы по ГОСТ стандарту (по крайней мере, инициалы – после фамилии, "ядерных данных: отчёт..." и т.д.). Непонятна фраза про Кюри: "Известно, что основную долю нейтронного излучения определяют изотопы Cm, а с увеличением времени выдержки актиноидом 244Cm". (Может, авторы в первой части фразы имеют в виду Самарий?). "Чтобы определить какую долю от общего нейтронного излучения обусловлена 244Cm..."; "…зависимости позволяющие" – нужна запятая. Очень хотелось бы где-нибудь увидеть само слово "безопасность" (хотя бы полуискусственно), те более, что "окончательное захоронение" присутствует. И, наконец, фантастика. Нельзя ли хотя бы примерно дать оценочно степень выгорания материала под "Укрытием" в Чернобыле, находится ли в режиме стандартного выгорания оставшийся материал в "Фукусиме-1", какую-то прогнозную "футурологию"? Статья бы заимела ещё большую актуальность, интерес и практическое расширение. Но это лишь фантастическое пожелание, хотя данных и экспериментальных, и полученных авторами зависимостей для такой грубой оценки достаточно. Думается, что авторы то-то учтут из замечаний и пожеланий рецензента, и статья без дополнительной рецензии с его стороны рекомендуется к печати. А с дополнением пожеланий рецензента она заслуживает представления и в "бумажный" журнал (например, в журнал "Безопасность жизнедеятельности", в котором рецензент является членом редколлегии).

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий