Сравнительный анализ топливной загрузки канального реактора типа CANDU электрической мощностью 1000 МВт с использованием UO2 И ThO2-PuO

Comparative analysis of the fuel loading of a channel reactor of the CANDU type with an electric power of 1000 MW using UO2 and ThO2-PuO2

Реакторы типа CANDU, способные эффективно работать на природном уране в условиях открытого топливного цикла, могут быть привлекательны для стран, начинающих осваивать ядерную энергетику. К недостаткам действующих реакторов CANDU следует отнести относительно небольшую глубину выгорания ядерного топлива, что отражается на объемах производства ТВС и хранения облученного топлива. Учитывая длительный срок службы реакторов нового поколения (50-60 лет), возможные изменения на рынке ядерного топлива, прогресс в разработке ядерных реакторов других типов, создание региональных центров по производству и переработке топлива, не исключена возможность существенного совершенствования топливных циклов CANDU с целью сохранения их конкурентоспособности. Актуальность работы обусловлена необходимостью получения достаточно полной информации о возможностях эволюции топливных циклов реакторов типа CANDU на этапе принятия решений по выбору направлений развития ядерной энергетики и по масштабам производственных мощностей обеспечения их топливных циклов. Результаты исследований могут представлять интерес для российского атомного комплекса с позиции его участия в международных проектах региональных центров по производству и переработке ядерного топлива и поставок ядерного топлива в страны, эксплуатирующие реакторы типа CANDU.

 Вариативность использования оксидного торий-плутониевого топлива

Возможны различные варианты внедрения тория в топливные загрузки ядерных реакторов, простейшим из которых является комбинированный вариант, предполагающий частичную загрузку реактора ториевыми ТВС без добавления делящихся материалов и совместный топливный цикл на основе слабо обогащенного урана и тория. Предполагается, что ТВС со слабо обогащенным ураном и торием непрерывно загружаются в отдельные каналы полирешетки реактора, перемещаются вдоль каналов по мере выгорания топлива. Скорости перемещения урановых и ториевых ТВС могут быть как одинаковыми, так и существенно различными, в частности,  . Фрагмент активной зоны реактора моделировался в виде полиячейки из 4-х каналов, загружаемых урановыми и ториевыми ТВС в пропорции 3:1. Время облучения ТВС и, соответственно, скорость их перемещения в каналах активной зоны выбиралось таким образом, чтобы коэффициент размножения  во всех сравниваемых вариантах, как и в предыдущем уран-плутониевом топливном цикле, был равен 1,04-1,05.

 Однородная загрузка оксидного торий-плутониевого топлива

Для начала рассмотрим элементарную ячейку реактора типа CANDU электрической мощностью 1000 МВт с однородной загрузкой оксидного торий-плутониевого топлива:

             Рис.1 Элементарная ячейка :1 – PuO2-ThO2 (топливо), 2 – (ZrNb) оболочка ТВЭЛов, 3 - Теплоноситель  (H2O), 4 - Канал, удерживающий давление, 5 - Зазор для прокачивания газа – охладителя, 6 - Технологический канал каландра, 7 – Замедлитель в каландре (D2O)

Рис. 2 Чертеж каландра, включая радиальный отражатель (D2O), торцевой отражатель (D2O), поясняющий загрузку топливных каналов в активной зоне: 1 – каналы, 2- радиальный отражатель, 3 торцевой отражатель

 Расчет ядерных концентраций нуклидов

По формуле , где число Авогадро, найдём ядерные концентрации нуклидов в эквивалентной ячейке.

Таблица 1. Состав энергетического Pu:

Изотопный состав энергетического плутония

%

Pu239

50

Pu240

25

Pu241

11

Pu242

14

 


 

Ядерные концентрации нуклидов в составе топлива (ThO2+PuO2).

 

 

= 239 + 2.16 = 271 г/моль.

= 232 + 2.16 = 264г/моль.

PuO2:

 

 

 

ThO2:

 

 

 

5% PuO2+95% ThO2:

 

 

 

 

Сумма кислорода в PuO2+ThO2 =  

 

 

 

 

Ядерные концентрации нуклидов в составе теплоносителя – H2O

при 300ОС

= 18г/моль.

H2O:

 

 

 

Ядерные концентрации нуклидов в составе замедлителя – D2O

D2O:

при 60ОС

= 20 г/моль.

 

 

 

Ядерные концентрации нуклидов в составе оболочки ТВЭЛа и Циркониевой трубы (99% Zr+1% Nb)

 

 

 

 

 

 

3% PuO2+97% ThO2:

 

 

 

 

 

 

 

 

Сумма кислорода в PuO2+ThO2 =  

4% PuO2+96% ThO2:

 

 

 

 

 

 

 

 

Сумма кислорода в PuO2+ThO2 =  

6% PuO2+94% ThO2:

 

 

 

 

 

 

 

 

Сумма кислорода в PuO2+ThO2 =  

Рассмотрим вариант загрузки топлива (5% PuO2+95% ThO2) при шаге решетки 25 см

Таблица 2. Сводная таблица ядерных концентраций

Топливо (5% PuO2+95% ThO2)

Pu239 :  

Pu240 :  

Pu241 :  

Pu242 :  

Th232 :

O :

Оболочка (99% Zr + 1% Nb)

Zr91 :

Nb92 :

Теплоноситель – H2O

H :

O :

Материал канала давления (99% Zr +1% Nb)

Zr91 :

Nb92 :

Газовый зазор

Не учитывалось

Технологическая труба каландра (99% Zr +1% Nb)

Zr91 :

Nb92 :

Замедлитель – D2O

D :

O :

 

Таблица 3. Зависимость  от выгорания (Шаг 25 см, 5% PuO2+95% ThO2)

B, МВт сут/кг

Эф. сутки

1,3562

0

30

1,3048

7,8131

60

1,2692

15,653

90

1,2161

23,493

120

1,1532

31,431

150

1,1022

39,68

180

1,0757

48,422

210

1,0658

57,633

240

1,051

67,209

270

1,0507

67,94

300

Достоверность полученных результатов базируется на использовании многократно проверенных вычислительных средств (Программа ГЕТЕРА), совпадении проведенных тестовых расчетов для известных вариантов топливных циклов CANDU и физической непротиворечивости результатов расчетов.

 Полиячейка с использованием UO2

В данной части проведем сравнительный анализ совместного открытого торий-уранового топливного цикла и варианты замкнутого цикла только по торию. Приведем результаты анализа ряда вариантов комбинированных топливных циклов, основанных на частичной загрузке реактора типа CANDU ториевыми ТВС и использовании слабо обогащенного уранового топлива

В табл. 4 приведены результаты расчетов основных показателей топливных циклов, базирующихся на основе слабо обогащенного топлива, а также на различных вариантах смешанного (МОКС) топлива. Приведены данные по величине выгорания топлива В. При расчете расхода природного урана и количества разделительной работы содержание урана-235 в отвале принято равным 0,25%. В вариантах со смешанным топливом изотопный состав плутония принят соответствующим энергетическому плутонию, содержащемуся в отработанном топливе реактора ВВЭР при выгорании 40 МВт сут./кг. В этих вариантах выделенный радиохимическим способом «энергетический» плутоний смешивается с отвальным ураном. Для сравнения приведены варианты, относящиеся к использованию в качестве теплоносителя тяжелой воды (числитель) или легкой воды (знаменатель). В качестве базового варианта приведены данные для стандартного топливного цикла CANDU на природном уране.

 

Таблица 4. Характеристики уран-плутониевого топливного цикла с использованием слабо обогащенного урана и смешанного (МОКС) топлива

Торливо

Выгорание

В [МВт сут/кг]

Удельный расход топлива

(в составе ТВС), gх

[кг/МВт(эл) год]

UO2

 

PuO2

 

UO2 (X5=0,71%)

8,2 / -

144 / -

-

UO2 (X5=1,0%)

17,5 / 6,6

67 / 183

-

UO2 (X5=1,5%)

30,6 / 19,1

38 / 64

-

UO2 (X5=2,0%)

42,1 / 29,4

28 / 41

-

UO2 (X5=2,5%)

52,9 / 39,5

22 / 30

-

UO2 (X5=3,0%)

63,2 / 48,5

19 / 25

-

(U+Pu) O2 (2,0% PuO2)

45,5 /32,8

26 / 36

0,54 / 0,74

(U+Pu) O2 (3,0% PuO2)

64,8 / 51,8

18 / 23

0,56 / 0,71

 

Вместе с расходом природного урана рассматривается полный расход обогащенного урана и тория, определяющий объем производства ТВС, объем разделительной работы, необходимый для производства обогащенного урана и наработка урана-233 и урана-235 в облученных ториевых ТВС. В табл. приведены результаты расчетов глубины выгорания урана (числитель) и тория (знаменатель), удельного расхода природного урана и тория, удельного расхода ядерного топлива (в составе ТВС), удельного количества разделительной работы и наработки делящегося + в ториевых ТВС для двух вариантов, когда скорости движения ториевых и урановых ТВС равны между собой и когда скорость движения ториевых ТВС вдвое меньше скорости урановых ТВС при загрузке реактора в пропорции 3:1. Для сравнения, в первом столбце табл. 5 приведены результаты совместного топливного цикла на основе природного урана при той же загрузке реактора, но при предельно низкой скорости движения ториевых ТВС. Как видно, даже это экстремальное снижение скорости ториевых ТВС не приводит к сокращению расхода природных ресурсов ядерного топлива. Положительный эффект возникает только при использовании в совместном топливном цикле слабо обогащенного урана. Как видно из приведенных результатов, относительные скорости движения ТВС существенно влияют на основные показатели, характеризующие эффективность использования природных ресурсов.

 

Таблица 5. Характеристики совместного открытого торий-уранового топливного цикла при загрузке реактора в пропорции 3:1

Обогащение урана [%]

0,71

2,0

2,5

3,0

2,0

2,5

3,0

Глубина выгорания урана и тория

[МВтсут/кг]

7,5/79,2

31,5/22,7

 

41,7/31,9

 

51,9/41,8

 

36,0/58,4

 

44,8/75,2

 

52,2/90,5

 

Удельный расход топлива (в составе ТВС) [кг/МВт(эл)

год]

153,2/3,8

 

30/10

 

22,5/7,5

 

18/6

 

27/4,5

 

20,6/3,4

 

17,5/2,9

 

Удельный расход природного урана и тория [кг/МВт(эл) год]

 

153,2/3,8

 

115/10

110/7,5

107/6

 

103/4,5

 

100/3,4

 

105/2,9

 

Наработка + [кг/МВт(эл)

год]

 

0,057

 

0,128

 

0,102

 

0,085

 

0,065

 

0,050

 

0,043

 

 

 

Анализ полученных данных по полиячейке

Сравнивая данные табл. 4 и 5, можно видеть, что включение тория в совместный топливный цикл позволяет, при определенных условиях, получить дополнительную экономию как в расходе природного урана, так и в затратах разделительной работы. Внедрение в топливную загрузку тория приводит к некоторому уменьшению выгорания урановых ТВС за счет потери нейтронов на захват в тории, но при этом экономия урана реализуется за счет замещения части загрузки реактора ториевыми ТВС и получения дополнительной энерговыработки за счет вклада деления урана-233 и незначительного вклада урана-235, накопленных в ториевых ТВС.

Наиболее простым и очевидным вариантом совершенствования топливного цикла CANDU является переход на слабо обогащенное топливо. Продемонстрирован потенциал этого варианта на примере сравнения показателей реактора типа CANDU с соответствующими показателями реактора типа ВВЭР-1000.


 

Заключение

Сравнительный анализ показал, что при непрерывных перегрузках выгорание увеличивается, но для этого требуются дополнительные исследования Ториево-Плутониевого цикла.

Включение тория в топливный цикл CANDU существенно расширяет диапазон поисковых исследований, направленных на экономию природных ресурсов и эффективность топливного цикла реактора. Другим путем повышения отдачи использования тория может быть замыкание топливного цикла по торию, включающее радиохимическую или термо-механическую переработку облученного ториевого топлива.

 

Список литературы:

1.     В.И.Наумов Справочник по канальным реакторам

2.     ACR-1000

3.     Ториевый топливный цикл http://energetika.in.ua/ru/books/book-4/part-1/section-5/5-3

4.     Преимущества ториевого цикла http://bellona.ru/2003/05/26/osnovannoe-na-torii-toplivo-mozhet-syg/

5.     Официальный сайт компании AECL: http://www.aecl.ca/site3.aspx.

6.     Сравнительный анализ перспективных топливных циклов тяжеловодных канальных реакторов с позиций эффективности и безопасности. Мин Мин Со., Наумов В.И. 2009 г.