Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №70 (июнь) 2019
Разделы: Физика, Техника
Размещена 21.06.2019. Последняя правка: 25.06.2019.
Просмотров - 400

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


Аннотация:
Проведен анализ мощности нейтронного излучения для различных источников облученного ядерного топлива реактора ВВЭР-1200 для высоких выгораний и времени выдержки до 100 лет. Предложены аппроксимационные зависимости для расчета мощности нейтронного излучения.


Abstract:
The neutron radiation power was analyzed for various sources of the irradiated nuclear fuel of the VVER-1200 reactor for high burnups and exposure times up to 100 years. Approximation dependencies are proposed to calculate the power of neutron radiation.


Ключевые слова:
нейтронное излучение; выгорание; облученное ядерное топливо; время выдержки; аппроксимационные зависимости

Keywords:
neutron radiation; burnout; irradiated nuclear fuel; exposure time; approximation dependences


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

Время

выдержки, лет

Глубина выгорания, ГВт∙сут/т U

50

55

60

65

70

5

5.70E+08

8.75E+08

1.28E+09

1.81E+09

2.46E+09

10

4.73E+08

7.26E+08

1.06E+09

1.49E+09

2.03E+09

15

3.94E+08

6.03E+08

8.81E+08

1.24E+09

1.68E+09

20

3.28E+08

5.02E+08

7.32E+08

1.03E+09

1.40E+09

25

2.74E+08

4.18E+08

6.09E+08

8.56E+08

1.16E+09

30

2.29E+08

3.49E+08

5.08E+08

7.14E+08

9.69E+08

35

1.92E+08

2.92E+08

4.24E+08

5.96E+08

8.09E+08

40

1.62E+08

2.45E+08

3.55E+08

4.98E+08

6.76E+08

45

1.36E+08

2.05E+08

2.98E+08

4.17E+08

5.67E+08

50

1.15E+08

1.73E+08

2.50E+08

3.51E+08

4.76E+08

55

9.79E+07

1.46E+08

2.11E+08

2.96E+08

4.01E+08

60

8.35E+07

1.24E+08

1.79E+08

2.50E+08

3.40E+08

65

7.16E+07

1.06E+08

1.52E+08

2.13E+08

2.89E+08

70

6.18E+07

9.10E+07

1.30E+08

1.81E+08

2.46E+08

75

5.36E+07

7.84E+07

1.12E+08

1.56E+08

2.11E+08

80

4.69E+07

6.80E+07

9.66E+07

1.34E+08

1.83E+08

85

4.12E+07

5.94E+07

8.40E+07

1.17E+08

1.59E+08

90

3.66E+07

5.23E+07

7.36E+07

1.02E+08

1.39E+08

95

3.27E+07

4.64E+07

6.50E+07

9.00E+07

1.22E+08

100

2.95E+07

4.15E+07

5.79E+07

7.99E+07

1.09E+08

    

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

Время

выдержки, лет 

Глубина выгорания, ГВт∙сут/т U

50.74

55.80

60.87

65.93

70.99

5

6.06E+08

9.25E+08

1.35E+09

1.90E+09

2.58E+09

10

5.04E+08

7.67E+08

1.12E+09

1.57E+09

2.13E+09

15

4.19E+08

6.37E+08

9.28E+08

1.30E+09

1.77E+09

20

3.49E+08

5.30E+08

7.72E+08

1.08E+09

1.47E+09

25

2.91E+08

4.42E+08

6.42E+08

9.00E+08

1.22E+09

30

2.43E+08

3.68E+08

5.35E+08

7.50E+08

1.02E+09

35

2.04E+08

3.08E+08

4.47E+08

6.26E+08

8.48E+08

40

1.71E+08

2.58E+08

3.74E+08

5.23E+08

7.09E+08

45

1.44E+08

2.17E+08

3.13E+08

4.38E+08

5.94E+08

50

1.22E+08

1.82E+08

2.63E+08

3.68E+08

5.00E+08

55

1.04E+08

1.54E+08

2.22E+08

3.10E+08

4.21E+08

60

8.82E+07

1.31E+08

1.88E+08

2.63E+08

3.56E+08

65

7.55E+07

1.12E+08

1.60E+08

2.23E+08

3.03E+08

70

6.51E+07

9.55E+07

1.37E+08

1.90E+08

2.59E+08

75

5.64E+07

8.23E+07

1.17E+08

1.63E+08

2.22E+08

80

4.92E+07

7.13E+07

1.01E+08

1.41E+08

1.92E+08

85

4.32E+07

6.22E+07

8.81E+07

1.22E+08

1.67E+08

90

3.82E+07

5.47E+07

7.72E+07

1.07E+08

1.46E+08

95

3.41E+07

4.85E+07

6.81E+07

9.44E+07

1.29E+08

100

3.07E+07

4.33E+07

6.06E+07

8.38E+07

1.14E+08

 

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

 Время

выдержки, лет  

Глубина выгорания, ГВт∙сут/тU

51.02

56.10

61.18

66.25

71.33

5

6.27E+08

9.59E+08

1.40E+09

1.97E+09

2.68E+09

10

5.21E+08

7.96E+08

1.16E+09

1.63E+09

2.21E+09

15

4.33E+08

6.61E+08

9.64E+08

1.35E+09

1.83E+09

20

3.61E+08

5.50E+08

8.01E+08

1.12E+09

1.52E+09

25

3.01E+08

4.58E+08

6.66E+08

9.33E+08

1.26E+09

30

2.52E+08

3.82E+08

5.55E+08

7.78E+08

1.05E+09

35

2.11E+08

3.19E+08

4.64E+08

6.49E+08

8.79E+08

40

1.77E+08

2.67E+08

3.88E+08

5.43E+08

7.35E+08

45

1.49E+08

2.25E+08

3.25E+08

4.55E+08

6.16E+08

50

1.26E+08

1.89E+08

2.73E+08

3.82E+08

5.18E+08

55

1.07E+08

1.60E+08

2.31E+08

3.22E+08

4.36E+08

60

9.12E+07

1.36E+08

1.95E+08

2.72E+08

3.69E+08

65

7.81E+07

1.16E+08

1.66E+08

2.31E+08

3.14E+08

70

6.72E+07

9.90E+07

1.42E+08

1.97E+08

2.68E+08

75

5.82E+07

8.53E+07

1.22E+08

1.69E+08

2.30E+08

80

5.08E+07

7.39E+07

1.05E+08

1.46E+08

1.99E+08

85

4.46E+07

6.44E+07

9.14E+07

1.27E+08

1.73E+08

90

3.95E+07

5.66E+07

8.00E+07

1.11E+08

1.51E+08

95

3.52E+07

5.02E+07

7.06E+07

9.78E+07

1.33E+08

100

3.17E+07

4.48E+07

6.28E+07

8.69E+07

1.19E+08

 

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

 

  Время

выдержки, лет  

 Глубина выгорания, ГВт∙сут/тU

50

55

60

65

70

0

0.515

0.574

0.627

0.674

0.712

5

0.975

0.978

0.978

0.977

0.974

10

0.969

0.973

0.975

0.975

0.974

15

0.961

0.967

0.970

0.971

0.971

20

0.952

0.960

0.963

0.965

0.965

25

0.942

0.951

0.956

0.958

0.958

30

0.930

0.941

0.947

0.949

0.950

35

0.916

0.929

0.936

0.939

0.940

40

0.900

0.915

0.924

0.928

0.928

45

0.882

0.900

0.910

0.914

0.914

50

0.860

0.881

0.893

0.898

0.898

55

0.837

0.861

0.874

0.880

0.880

60

0.809

0.837

0.852

0.859

0.859

65

0.779

0.810

0.827

0.834

0.834

70

0.746

0.780

0.799

0.807

0.807

75

0.710

0.747

0.768

0.777

0.777

80

0.671

0.711

0.734

0.743

0.743

85

0.630

0.672

0.696

0.707

0.706

90

0.586

0.631

0.656

0.667

0.666

95

0.541

0.587

0.614

0.625

0.624

100

0.496

0.542

0.569

0.581

0.579

 

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.

Библиографический список:

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).

25.06.2019 10:10 Ответ на рецензию автора Серебряный Григорий Зиновьевич:
Уважаемый Эдуард Григорьевич. Авторы благодарят Вас за рецензию. Ваши замечания учтены. Результаты данной работы и ссылки под номером 3, являются дополнением к Руководству по безопасности РБ-093-14 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ. Для реакторов РБМК (Чернобыль) и PWR (Фукусмме-1) расчеты по выгоранию проводятся по специальным программам. С уважением авторы.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх