автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Развитие комплекса JARER и исследования нейтронно-физических характеристик инновационных быстрых реакторов с жидкометаллическими теплоносителями

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Александр Владимирович

РАЗВИТИЕ КОМПЛЕКСА 1А№1И ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИННОВАЦИОННЫХ БЫСТРЫХ РЕАКТОРОВ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ

Специальность 05.14.03 — ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2003 г.

Работа выполнена в Российском Научном Центре «Курчатовский институт» (РНЦ «КИ»)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Алексеев Павел Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Глушков Евгений Серафимович

кандидат физико-математических наук Апсэ Владимир Александрович

Ведущая организация: Государственный научный центр

Российской Федерации Физико-Энергетический Институт им. А.И. Лейпунского

Защита состоится_в_часов на заседании

диссертационного совета Д 520.009.06.

по адресу 123182, г. Москва, пл. Акад. Курчатова, д. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «КИ».

Автореферат разослан_

Мадеев В.Г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

"П?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последнее время, как в России, так и в других странах возобновлены работы по оптимизации структуры и компонент ядерной энергетики (ЯЭ), например, в рамках проектов ИНПРО, Генерация IV и пр., для сценариев ее долговременного и масштабного использования. Особое внимание в данных проектах уделяется разработкам концепций безопасных и экономически приемлемых реакторов на быстрых нейтронах (РБН), в том числе и РБН-бридеров.

Исходя из важности РБН для дальнейшего развития ЯЭ, целесообразным, наряду с совершенствованием технологически освоенных традиционных РБН, охлаждаемыми натрием, является рассмотрение и изучение концепций и характеристик альтернативных РБН, которые потенциально могут соответствовать требованиям большой энергетики, например, РБН с тяжелометаллическим, газовым и др. теплоносителями, с инновационными видами топлива, в частности, с нитридами урана и плутония, с новыми конструкционными материалами, конструкторскими решениями и пр.

К числу таких реакторных концепций относятся исследованные автором в данной диссертационной работе быстрые реакторы со смешанным уран-плутониевым нитридным топливом, с различными жидкометаллическими теплоносителями, различными конструкциями тепловыделяющих сборок (TBC), компоновками активных зон и другими особенностями: BN-800 (Na), РБЕЦ-М (Pb-Bi), БРЕСТ-ОД-ЗОО (РЬ).

Исследования перечисленных перспективных жидкометаллических быстрых реакторов были проведены с помощью усовершенствованной автором версии комплекса программ JARFR - JARFR-IIS. Комплекс JARFR был разработан в РНЦ КИ, аттестован ГАН для расчетов быстрых реакторов и внедрен в ряд Российских научных и проектных организаций.

Инженерные комплексные расчеты, проводимые с помощью кодов класса JARFR, позволяют выбрать и оптимизировать конструкцию активной зоны (A3) и прочих компонент перспективного быстрого реактора на этапах концептуальной разработки, проектирования и расчетного обоснования реакторной установки (РУ).

Требования к качеству расчетов характеристик реакторов со времени разработки значительно повысились и модернизация комплекса,

направленная на повышение эффективности расчетов и расширение расчетных возможностей, являлась также самостоятельной актуальной и практически востребованной задачей, имеющей существенное значение для дальнейшего развития работ в РНЦ КИ по перспективным быстрым реакторам, в том числе с пристанционным топливным циклом.

Цель диссертационной работы заключалась в изучении нейтронно-физических характеристик (НФХ) инновационных РБН с жидкометаллическими теплоносителями, нитридным уран-плутониевым топливом и коэффициентом воспроизводства активной зоны (КВА) ~1. В частности, целью работы являлось определение основных НФХ реакторов БН-800, РБЕЦ-М и БРЕСТ-ОД-ЗОО с различными жидкометаллическими теплоносителями (Иа, РЬ-В1, РЬ), топливными циклами и конструкторскими решениями.

Искомые НФХ используются при обосновании работоспособности и безопасности реакторов, а также являются необходимыми данными для дальнейшего обобщающего анализа по выбору характеристик и оптимизации быстрых реакторов для предполагаемой масштабной ядерной энергетики будущего и анализа перспектив ее развития.

К поставленным задачам относились:

• подтверждение основных НФХ предложенных ОКБМ и ГНЦ РФ ФЭИ вариантов АЗ БН-800 с нитридным топливом;

• концептуальная разработка и оптимизация конструкции АЗ РБЕЦ-М;

• обоснование проектных НФХ и разработка предложений по усовершенствованию реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО.

Для проведения исследований был выбран комплекс программ ■ГАКРК, аттестованный ГАН для расчетов быстрых реакторов, внедренный в ряд Российских научных и проектных организаций и обладающий широким спектром расчетных возможностей, но, тем не менее, не вполне достаточным для планировавшихся исследований. Поэтому в качестве цели работы ставилась также задача по оптимизации расчетных алгоритмов и развитию расчетных возможностей комплекса программ для удовлетворения практических потребностей в расчетных исследованиях инновационных быстрых реакторов, в частности:

• повышение эффективности решения уравнения диффузии нейтронов в комплексе программ JAR.FR;

• обеспечение возможности расчетного моделирования инновационных быстрых реакторов с учетом особенностей топливных циклов;

• обеспечение возможности оценок неопределенностей нейтронно-физических характеристик (НФХ) реактора, связанных с конструкторско-технологическими допусками твэлов на основе проведения серий статистических расчетов или применения алгоритмов теории возмущений (ТВ) и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработана версия комплекса программ МИРЯ-ИБ, основанная на эффективном полиномиальном нодальном методе решения многогруппового уравнения диффузии на сетках с квадратными и гексагональными в плане ячейками, позволяющая производить расчетно-методические исследования полномасштабных моделей РБН, включая:

• расчет НФХ модели быстрого реактора в ходе топливного цикла с учетом моделирования загрузок/выгрузок тепловыделяющих сборок (расчеты пространственных распределений плотности потока нейтронов и ценности нейтронов и их функционалов, локальных полей энерговыделения, основных эффектов реактивности и пр.),

• расчетные оценки неопределенностей НФХ, связанных с конструкторско-технологическими допусками твэлов на основе серий статистических расчетов или алгоритмов классической и обобщенной теории возмущений (ОТВ),

• расчеты чувствительностей и неопределенностей НФХ подкритического реактора с внешним источником нейтронов на основе модифицированных формул ОТВ.

2) С помощью разработанной автором версии комплекса 1А1Ш1-И8 получены расчетные оценки НФХ инновационных РБН: БН-800, РБЕЦ-М, БРЕСТ-ОД-ЗОО, с различными жидкометаллическими теплоносителями (Ыа, РЬ-ЕЙ, РЬ) и смешанным уран-плутониевым нитридным топливом. Также проведены оценки НФХ РБН с относительно широкой решеткой твэлов при использовании гелиевого теплоносителя.

Полученные результаты являются новыми в силу новизны рассмотренных реакторных концепций. Нейтронно-физические характеристики зон быстрых реакторов с нитридным топливом в

настоящее время продолжают изучаться как в России, так и в мире с учетом уточнений и усовершенствований расчетных моделей, нейтронно-физических констант и конструкций реакторов, видов топлива и теплоносителя.

Практическая значимость работы в целом заключается в том, что результаты, полученные в ходе исследований автором и приведенные в работе, полезны при обосновании работоспособности и безопасности рассмотренных реакторов, сравнительном анализе характеристик различных концепций инновационных быстрых реакторов, и при анализе их места в структуре ЯЭ будущего.

Практическая значимость разделов работы, посвященных расчетным исследованиям реакторов БН-800 и БРЕСТ-ОД-ЗОО, обусловлена также тем, что проведенные расчетные исследования НФХ этих реакторов были востребованы организациями, ведущими данные проекты Минатома (ОКБМ, НИКИЭТ). Разработка реактора РБЕЦ, на основе которого был рассмотрен концептуальный вариант РБЕЦ-М, является одним из приоритетных направлений работ по быстрым реакторам в РНЦ КИ.

Расчетные алгоритмы и методики, разработанные и реализованные автором в комплексе 1А1Ш1-118, могут быть использованы в дальнейших исследованиях действующих и перспективных РБН. Использование реализованного в ТАИт-ИБ нодального метода решения уравнения диффузии при сохранении точности решения уменьшает временные затраты по сравнению с расчетами РБН по JAR.FR примерно в 10 раз.

Комплекс программ 1А1Ш1, аттестованный ГАН, относится к числу кодов, широко используемых в РНЦ КИ и ряде Российских научных и проектных организаций в практике инженерных нейтронно-физических расчетов действующих и перспективных реакторов.

Коды для прецизионных расчетов пока что не используются для вариантных комплексных расчетов с адекватным описанием физических процессов в быстром реакторе, и они применяются в основном для верификации инженерных кодов и поверочных расчетов. Таким образом, развитие и оптимизация методов и алгоритмов инженерных расчетов быстрых ядерных реакторов, и соответствующих расчетных моделей, выполненные автором для версии комплекса ,1АКРК.-118, также являются практически значимыми задачами.

На защиту выносятся следующие основные положения в части разработки и программной реализации в комплексе JARFR-IIS эффективных алгоритмов нейтронно-физических расчетов характеристик быстрых реакторов и результаты расчетных исследований НФХ инновационных быстрых реакторов, проведенных с помощью комплекса JARFR-IIS:

• разработка и реализация в комплексе программ JARFR-IIS эффективного полиномиального нодального метода решения много группового диффузионного уравнения [1-5] для сеток с квадратными и гексагональными в плане ячейками в качестве альтернативы исходному конечно-разностному методу с соответствующей модификацией формул ТВ, дающей дополнительное повышение точности расчетов коэффициентов чувствительностей (КЧ);

• разработка и реализация в JARFR-IIS алгоритмов расчетов КЧ линейных и дробно-линейных функционалов плотности потока нейтронов (например, энерговыделения, коэффициентов воспроизводства и т.д.) для неоднородной диффузионной задачи с «внешним» источником нейтронов [6,7];

• разработка алгоритмов статистических расчетов с использованием JARFR-IIS и развитие методик ТВ для оценок и анализа неопределенностей НФХ реактора, связанных с технологическими допусками конструкторско-технологических параметров (КТП) твэлов, в том числе для формирования требований к технологическим допускам КТП твэлов, обеспечивающих заданные неопределенности НФХ [8,13];

• реализация алгоритмов моделирования поведения быстрого реактора, включая оценки основных эффектов реактивности, в ходе топливного цикла с учетом схем загрузок TBC, в том числе для концепций пристанционных ядерных топливных циклов [12,14] ("собственных замкнутых топливных циклов" с пристанционной переработкой отработавшего топлива и подпиткой цикла обедненным ураном).

• совокупность результатов расчетов вариантов A3 реактора БН-800 с нитридным топливом, предложенных ОКБМ и ГНЦ РФ ФЭИ, включая оценки равновесных изотопных составов топлива и основных НФХ реактора в установившемся режиме перегрузок, и полученных автором выводов [12];

• результаты разработки концепции АЗ реактора РБЕЦ-М с мононитридным уран-плутониевым топливом с «энергетическим» плутонием, с воспроизводящими экранами, со свинцово-висмутовым теплоносителем пониженной плотности при использовании «газового лифта» и прочими особенностями. На основании результатов проведенных расчетных исследований (в части нейтронной физики), автором показано, что данная концепция АЗ обладает следующими характеристиками [8-11]:

- малое изменение реактивности за микрокампанию (МКК),

- отрицательный полный пустотный эффект реактивности,

- относительно низкие коэффициенты неравномерности энерговыделения и пр.;

• результаты расчетов и анализа НФХ реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, полученные автором выводы и рекомендации, в частности по стратегии вывода реактора в равновесный режим перегрузок; оценки по неопределенностям критичности реактора, связанных с технологическими и эксплуатационными особенностями БРЕСТ-ОД-ЗОО с собственным (пристанционным) замкнутым топливным циклом [14];

• предварительные оценки НФХ быстрого реактора с относительно широким шагом решетки стержневых твэлов и гелиевым теплоносителем.

Достоверность и обоснованность представленных в диссертационной работе исследований НФХ перспективных жидкометаллических реакторов определяется следующими аргументами:

• исходная версия комплекса программ усовершенствованная версия которого использована в проведенных исследованиях, верифицирована на различных расчетных аналитических тестах, экспериментах на критических стендах и реакторных экспериментах и аттестована ГАН для расчетов НФХ энергетических и исследовательских реакторов и критических сборок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, урановым и уран-плутониевым топливом и бланкетом на основе двуокиси урана, в стационарных режимах и в режимах выгорания топлива.

• исходная версия комплекса программ 1А1Ш1 с участием автора в значительной степени верифицирована на экспериментах на критических стендах, моделировавших быстрые реакторы со свинцовым теплоносителем.

• комплекс программ JAR.FR внедрен и активно используется в ряде организаций, где также накоплен положительный опыт его эксплуатации и совместной с РНЦ КИ верификации.

• новые и модернизированные расчетные алгоритмы, реализованные автором в усовершенствованной версии комплекса 1А11РК-118 также прошли тестирование и расчетную верификацию [1-6,13], в том числе путем сравнения с расчетами по исходной версии JAR.FR.

• в качестве системы подготовки групповых констант для комплекса программ JARFR и его версии JARFR-IIS в настоящее время применяется современная система константного обеспечения ССЖЗУБТ/АВВИ, использующая отечественную библиотеку групповых констант БНАБ-93, разработанная и развиваемая в ГНЦ РФ ФЭИ и рекомендуемая для расчетов быстрых реакторов.

Личный вклад автора заключается в проведении расчетных исследований нейтронно-физических характеристик быстрых реакторов, выносимых на защиту, и в разработке версии комплекса JARFR-IIS, включая разработку и тестирование методик и алгоритмов нейтронно-физических расчетов:

• модификация комплекса программ JARFR на основе внедрения нодальной схемы решения многогруппового уравнения диффузии в дополнение к исходной конечно-разностной схеме решения, включая модификацию формул теории возмущений;

• реализация в усовершенствованной версии комплекса JARFR-IIS алгоритмов моделирования поведения быстрого реактора с учетом особенностей топливного цикла;

• разработка алгоритмов проведения серий статистических расчетов моделей быстрых реакторов с использованием комплекса JARFR-IIS;

• предложение методики формулирования требований к технологическим допускам конструкторско-технологических параметров твэлов перспективных быстрых реакторов на основе алгоритмов теории возмущений;

• разработка и реализация в комплексе 1АЯРГ{-]18 алгоритмов обобщенной теории возмущений для неоднородной диффузионной задачи с внешним источником нейтронов;

• подтверждение с помощью комплекса .ГАШТ^-ПЗ характеристик активной зоны реактора БН-800 со смешанным уран-плутониевым нитридным топливом, заявленных ОКБМ;

• разработка и оптимизация в части нейтронной физики модели активной зоны реактора РБЕЦ-М и получение расчетных оценок основных нейтронно-физических характеристик реактора с помощью комплекса

• получение и анализ с помощью комплекса ^ЯРК-ИБ нейтронно-физических характеристик реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, разрабатываемого НИКИЭТ, а также предложения по усовершенствованию этого реактора, в частности, разработка стратегии вывода реактора в установившийся режим перегрузок;

• разработка модели и оценки характеристик быстрого реактора с относительно широким шагом решетки стержневых твэлов и гелиевым теплоносителем, с помощью комплекса МКРЯ-ИЗ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 138 страницах и содержит 36 рисунков и 20 таблиц. Приложение объемом 12 страниц содержит 5 рисунков и 9 таблиц. Список литературы состоит из 97 наименований.

Апробация работы

Основные результаты работы отражены в 14 печатных работах, перечисленных в списке литературы, докладывались и обсуждались на отечественных научных семинарах [3,5,7] и международных конференциях [4,8,10,11].

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризованы цель работы, актуальность, практическая значимость, научная новизна работы, достоверность полученных результатов и личный вклад автора в представленные исследования.

В главе I работы дается краткое описание исходной версии программного комплекса и его расчетных возможностей, обобщен

круг задач, решаемых с помощью комплекса, дается описание проведенных верификационных работ. Дается описание методик и алгоритмов нейтронно-физических расчетов, разработанных и реализованных автором в усовершенствованной версии комплекса программ .ГА1Ш1-118.

1) Для модернизации разностной схемы решения уравнения диффузии в комплексе программ 1АШ?К автором за основу был принят полиномиальный нодальный метод ИЕМ. Выбор нодального метода в качестве основы для реализации в программном комплексе МЯЕИ-ИЗ, был осуществлен с учетом следующих соображений:

- для инженерного комплекса программ не принципиально использование «очень точного» нодального метода, т.к. прочие погрешности в комплексных моделях активных зон могут существенно превосходить погрешность пространственной аппроксимации плотности потока нейтронов в диффузионном приближении;

- эффективность метода решения определяется соотношением точности решения и соответствующих временных затрат;

- итерационная схема решения многогруппового уравнения диффузии должна обладать стабильной сходимостью;

- временные затраты при определении сопряженной функции должны быть сопоставимы с затратами на решение прямой задачи, с тем чтобы на основе выбранного нодального метода могли бы быть модифицированы и эффективно использоваться формулы ТВ.

Вместо полиномов, аппроксимирующих пространственное распределение плотности потока нейтронов в объеме расчетной ячейки (нода), использованных в методе ЫЕМ, в предложенной схеме применяется ряд Тейлора до вторых производных включительно.

Нодальная схема разработана для сеток с квадратными;

х2 V2 г1

и гексагональными в плане ячейками: 2 2

<р£(*„2)=Ф + у + + 1=1,2,3-оси симметрии. (2)

Среднее по квадратной призме значение плотности потока нейтронов:

©-<=3_=ф* + —с' + —с' + (3)

Фг К, 24 24 24

Среднее по гексагональной призме значение плотности потока нейтронов:

ып

^¿2* Л (4)

Г* = -'"'2 .......=(0* +—С*

Системы групповых уравнений описывают уравнение баланса нейтронов и связь односторонних токов нейтронов и плотность потока нейтронов:

Решение многогрупповой диффузионной задачи осуществляется стандартным методом итерации источника с возможностью использования реализованных в комплексе программ МЮ^ алгоритмов ускорения внешних итераций с помощью метода полиномов Чебышева по отношению к источнику деления, метод прогнозируемого ускорения, критерии сходимости итераций и пр.

В представленной схеме решения дискретные аналоги диффузионного уравнения линейны и все разностные выражения могут быть получены аналитически.

Рассчитываемые значения односторонних токов также используются при интерполяции плотностей потока нейтронов (для восстановления пространственного распределения плотности потока нейтронов внутри расчетного объема, эффективного перехода от крупносеточных расчетов к расчетам на мелкой сетке [2]), задании адекватных задаче граничных условий и т.п.

Аналогично решается сопряженное многогрупповое уравнение диффузии. Процедура вывода формул ТВ применена автором непосредственно к дифференциальным непрерывным прямым и сопряженным уравнениям диффузии, с учетом пространственных аппроксимаций функций плотности потока и ценности нейтронов (1,2), что дает дополнительное уточнение в расчетах коэффициентов чувствительностей эффективного коэффициента размножения по отношению к формулам ТВ, получаемых для конечно-разностного приближения [4].

По совокупности результатов тестирования можно заключить, что использование версии МИРЯ-ИБ в расчетах моделей быстрых реакторов приводит к существенной (в десять раз и более) экономии времени счета по сравнению с исходной версией JAR.FR (при достижении одинаковой точности).

2) Схема моделирования поведения реактора с учетом особенностей топливного цикла, реализованная в усовершенствованной версии программного комплекса JARFR-IIS приведена на Рис. 1.

В расчетах поведения реактора в ходе его работы реализована возможность комплексного учета обратных связей по перераспределению температуры топлива, плотности теплоносителя, изменению высоты топливного столба, радиальному расширению активной зоны. Пространственные распределения температур (и плотностей) материалов для моделей быстрых реакторов рассчитываются вне комплекса JARFR-ПБ (с помощью программы ЬООР2) и могут итерационно уточнятся в ходе расчетов кампании реактора.

Рис.1. Схема моделирования поведения реактора с учетом особенностей топливного цикла реактора.

3)В главе дается описание алгоритмов расчетов неопределенностей НФХ реактора, связанных с конструкторско-технологическими неопределенностями, реализуемых с помощью формул ТВ в комплексе программ JARFR-IIS. Предложена методика решения «обратной задачи» -формирования требований к исследуемым КТП твэлов реактора с условием обеспечения постулируемых неопределенностей НФХ реактора.

Для обеспечения возможности проведения статистических расчетов был написан дополнительный программный модуль, последовательно меняющий исходные входные данные по модели реактора для JARFR-IIS в соответствии с случайными комбинациями КТП твэлов TBC. Описываются алгоритмы и примеры использования методов математической статистики для исследований неопределенностей основных НФХ быстрого реактора. Описаны допущения и упрощения, принимаемые в настоящее время в оценках неопределенностей НФХ реакторов с помощью комплекса программ JARFR-IIS.

4) В главе приведены разработанные автором формулы обобщенной теории возмущений для расчета чувствительностей линейных и дробно-линейных функционалов (например, общее и локальное энерговыделение, коэффициенты неравномерности энерговыделения, воспроизводства топлива и пр.) к неопределенностям ядерных данных, концентраций изотопов или пространственно-энергетическому распределению внешнего источника нейтронов в подкритическом реакторе и описана их реализация в комплексе МЯРЯ-ПЗ. Представленные алгоритмы предназначены для оптимизационных исследований стационарных моделей подкритических реакторов с заданным внешним источником нейтронов.

5) Дается обобщение результатов тестовых расчетов, выполненных по версии комплекса 1АКРЯ.-П8, обосновывающих работоспособность и эффективность версии комплекса 1АЯРЯ-П8 [1-6].

В главе 2 приведены результаты расчетных исследований вариантов активной зоны реактора БН-800 со смешанным уран-плутониевым нитридным топливом на основе естественного азота и пристанционной переработкой отработавшего топлива [12].

Технический проект активной зоны БН-800 с нитридным топливом разработан ОКБМ и ГНЦ РФ ФЭИ для применения в ядерном энергетическом реакторе на быстрых нейтронах БН-800 дополнительно к ранее разработанной активной зоне с МОХ-топливом, в соответствии с техническим заданием Минатома. Важным аспектом для обеспечения качества проектирования является проведение независимых расчетных исследований разрабатываемых вариантов активной зоны БН-800, что было выполнено автором работы.

В главе приводятся результаты расчетных исследований предлагаемых разработчиками схем пристанционного ("собственного замкнутого") топливного цикла с подпиткой обедненным ураном. Представлены полученные автором расчетные значения определяющих наборов НФХ АЗ БН-800 в нормальных условиях эксплуатации, для установившегося режима перегрузок, для двух рассмотренных на стадии эскизного проекта вариантов активной зоны реактора:

• Вариант активной зоны с двумя зонами с различным содержанием плутония для профилирования энерговыделения;

• Вариант активной зоны с внутренней аксиальной воспроизводящей прослойкой.

Целью проведенных исследований являлось подтверждение основных принципиальных качеств предложенных ОКЕМ вариантов активной зоны реактора БН-800 с уран-плутониевым топливом:

• самообеспечение реактора делящимся материалом при подпитке обедненным ураном;

• обеспечение критичности при заданных КТП;

• обеспечение величины натриевого пустотного эффекта реактивности (НПЭР) для TBC в пределах высоты активной зоны и вышележащих слоев, исключающей мгновенный разгон реактора при опустошении верхней части активной зоны и пр.

Так как одной из задач расчетов являлось подтверждение факта самообеспечения реактора делящимся материалом, расчетное моделирование топливного цикла проводилось автором на основе заданных схем организации собственных замкнутых топливных циклов. Содержание плутония и изотопный состав топлива в равновесном режиме работы реактора при этом являются результирующими данными.

Расчетные исследования, проведенные автором, были использованы ОКБМ в рамках расчетного обоснования характеристик вариантов активной зоны БН-800, разработанных ОКБМ на стадии эскизного проекта и подтвердили выполнение основных требований, предъявляемых разработчиками на основе собственных расчетов, к данному реактору.

В главе 3 приводятся результаты разработки и оптимизации концепции активной зоны инновационного быстрого реактора РБЕЦ-М с уран-плутониевым нитридным топливом и теплоносителем Pb-Bi, полученные с помощью комплекса JARFR-IIS.

Задача концептуальной разработки реактора РБЕЦ-М ставилась для изучения возможных путей оптимизации характеристик безопасности и экономичности ранее разработанной концепции реактора РБЕЦ.

Для выравнивания полей энерговыделения, температур и скоростей теплоносителя в активной зоне РБЕЦ-М, а также для уменьшения запаса реактивности в начале микрокампании реактора, было предложено использование трех зон профилирования, отличающихся диаметрами твэлов и с одинаковым составом уран-плутониевого нитридного топлива на основе обеспечивающего КВА—1. Четвертый тип твэла с

таблетками нитрида отвального урана используется в боковом экране.

В качестве инновационного способа оптимизации пустотного эффекта (а также взамен циркуляционных насосов) используется система газлифта, основанная на барботаже инертного газа в теплоноситель под активной зоной реактора.

Номинальное газосодержание в A3 реактора выбрано соответствующим значению, при котором достигается максимум реактивности. В этом случае обеспечивается введение отрицательной реактивности и снижение мощности реактора при равномерном изменении (как увеличении, так и уменьшении) газосодержания в активной зоне.

Рассмотрен вариант работы реактора РБЕЦ-М с использованием выдержанного отработавшего топлива из легководных реакторов.

Основное внимание при разработке (с участием автора в части нейтронно-физических расчетов) варианта реактора РБЕЦ-М уделялось прежде всего выбору компоновки и параметров активной зоны. С этой целью проводились комплексные исследования, направленные на обеспечение работоспособности твэлов реактора в течение выбранного топливного цикла и оптимизацию НФХ активной зоны реактора.

В ходе комплексных оптимизационных исследований с участием автора были выбраны плотность топлива и содержание плутония в топливе, число твэлов в TBC и их диаметры, число TBC в каждой зоне профилирования, места их постановки и схема загрузки в активную зону, размеры активной зоны реактора и воспроизводящих экранов и пр.

В результате была разработана модель реактора РБЕЦ-М, обеспечивающая по расчетным оценкам, в частности, следующие характеристики (см. Рис. 2, Рис. 3 и Табл. 1.):

- Малое изменение реактивности за микрокампанию;

- Отрицательный полный пустотный эффект реактивности;

- Относительно низкие коэффициенты неравномерности

энерговыделения.

ер

Об

S 04

02

1080 1440 1800 2160 Сутки

Рис. 2. Изменение реактивности в течение кампании топлива реактора РБЕЦ-М;

(1) разогрев реактора и переход с нулевой на номинальную мощность,

(2) накопление 239Np,

(3) работа на мощности,

(4) переход на нулевую мощность и расхолаживание реактора,

(5) ß' распад 239Np в 23,Ри после остановки реактора,

(6) радиоактивные переходы изотопов в течение перегрузки реактора (длительность периода вместе с п 5-60 сут.),

(7) замена отработавших TBC на свежие.

Рис. 3. Относительные мощности TBC для усредненной МКК Табл. 1. Эффекты реактивности, 8(1 !kej)

Эффект реактивности ,»•/■>;'?;*,,>» .. г *>': V'itlfHo -,

Температурный изотермический -2,68-10'3 -2,56-Ю-3

Мощностной -3.19-10-3 -3,02-10"3

Нептуниевый -7,6-10"4 -6,5-Ю"4

Изменение реактивности с выгоранием за МКК -1,2-10"4 -г- 2,8-Ю"4

Изменение реактивности при постановке свежих ТВС 1,6-Ю-4* 1,5-10"3

Пустотный эффект реактивности -7,02-10"2

С

\

В главе 4 приводятся результаты поверочных и оптимизационных расчетов и анализа конструкторских и эксплуатационных особенностей НФХ реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО с свинцовым теплоносителем и уран-плутониевым нитридным топливом, разрабатываемого под руководством НИКИЭТ, выполненные автором с помощью комплекса JARFR-IIS.

Автором решались следующие задачи:

• нахождение оптимальных содержания Ри и минорных актинидов (МА) в топливе и плотности топлива, одновременно обеспечивающих критичность загрузки и исключающих необходимость большого запаса реактивности в начале кампании реактора при прочих фиксированных параметрах конструкции A3 реактора для установившегося режима перегрузок (УРП);

• разработка стратегии выхода реактора в УРП от стартовой загрузки, также исключающей большие запасы или изменения реактивности в ходе эксплуатации реактора. Предложенная на основе проведенных оптимизационных исследований стратегия такого перехода заключается в использовании для первой стартовой загрузки реактора TBC с измененными содержанием нитридов Ри и МА в топливе и плотностью топлива, со второй загрузки используются TBC с номинальными КТП;

• расчетные исследования НФХ реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО для выбранных КТП твэлов реактора, в УРП для нормальных условий эксплуатации;

• анализ устойчивости реактивности реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО к технологическим и эксплуатационным неопределенностям;

• анализ способов компенсации возможных неопределенностей реактивности реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО.

На Рис. 4 и Рис. 5 приведены изменения реактивности (без обеспечения критичности) реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО для УРП, для начала работы реактора с загрузкой TBC с выбранными номинальными КТП твэлов и с измененными КТП твэлов стартовой загрузки, согласно предложенной автором стратегии вывода реактора в УРП.

Показано, что реактор БРЕСТ-ОД-ЗОО в течение значительной части срока эксплуатации будет находиться не в УРП, а в процессе выхода в него. Однако, основные эффекты реактивности уже со второй микрокампании реактора меняются незначительно с кратностью, соответствующей числу перегрузок.

7200

Рис. 4. Начало работы реактора при использовании стартовых TBC с номинальными КТП твэлов.

04

03

VO 02

&

uQ 5 01

о

Я

S 0

Й

8 о, -0.1

-0 2

—*— начало эксплуатации .....УРП

'f.

/ ä

/ и •ч * Г j Г

- / i л N Г V Г ч S h К г |/

1800

3600 Сутки

5400

Рис. 5. Начало работы реактора при использовании стартовых TBC с измененными КТП твэлов Приводятся выводы по проблемам обеспечения эксплуатационных характеристик реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО и устойчивости величины реактивности реактора к технологическим и эксплуатационным неопределенностям (см., например, Рис. 6), и возможные пути их решения. В частности, рассматривались следующие особенности реактора:

• Влияние времени выдержки топлива стартовых TBC (распад 24'Ри) с момента изготовления до момента запуска реактора (задержка запуска) на критичность стартовой загрузки;

• Влияние неопределенности содержания 239Ри и прочих изотопов плутония с учетом существующих корреляций изотопного состава на критичность стартовой загрузки и необходимость соответствующей компенсации реактивности в ходе вывода реактора в УРП;

• Влияние режимов вывода реактора на 100% мощность на реактивность реактора;

• Влияние характеристик переработки топлива на реактивность реактора;

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

:: 1

? i

' j <! ? j H 1 i

ü

ч1- ;; l й ; -1 л i л i j

- минимальное содержание Pu-239 •— номинальное содержание Pu-239 максимальное содержание Pu-239

1800

3600 Сутки

5400

7200

Рис. 6. Изменения реактивности при отклонениях содержания 239Ри в топливе стартовых TBC

По результатам исследований • можно сделать вывод, что для надежного доказательства работоспособности реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО в пределах поставленных Головным разработчиком ограничений необходим ряд теоретических и экспериментальных работ по уточнению константных, технологических и эксплуатационных данных, в том числе характеристик технологии переработки ОЯТ с коротким временем его выдержки.

Результаты проведенных автором исследований, представленных в работе, были использованы НИКИЭТ при подготовке материалов проекта реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, работы по которому ведутся в рамках соответствующей программы Минатома.

В заключении даются основные выводы по результатам разработок и расчетно-методических исследований, представленных в работе. Отмечается, что исследования НФХ рассмотренных инновационных реакторов и предложения по их улучшениям проведены в поддержку работ по выбору компонент и оптимизации структуры ядерной энергетики будущего, ведущихся в РНЦ КИ.

о

В приложении приводятся оценки НФХ быстрого реактора с относительно широким шагом решетки стержневых твэлов и гелиевым теплоносителем, полученные на основе замены свинцово-висмутового теплоносителя гелием в модели реактора РБЕЦ-М после ее некоторой модификации.

Основные результаты диссертационной работы состоят в:

1) Разработке автором работы версии комплекса JARFR - JARFR-IIS, включающей в себя следующие алгоритмы нейтронно-физических расчетов действующих и перспективных быстрых реакторов и новые расчетные возможности:

• эффективный полиномиальный нодальный метод решения прямого и сопряженного многогруппового уравнения диффузии для сеток с квадратными и гексагональными в плане ячейками и модифицированные на его основе формулы ТВ;

• алгоритмы моделирования поведения быстрого реактора, включая оценки основных эффектов реактивности, в ходе топливного цикла с учетом схем загрузок (перестановок) TBC, в том числе для концепций замкнутых топливных циклов с пристанционной переработкой отработавшего топлива;

• возможность проведения серий статистических расчетов моделей быстрых реакторов и оценок неопределенностей НФХ реактора, связанных с технологическими допусками КТП твэлов с помощью методик ТВ и ОТВ первого порядка;

• алгоритмы ОТВ для неоднородной диффузионной задачи с внешним источником нейтронов;

2) Совокупности результатов исследований НФХ быстрых реакторов, проведенных автором и представленных в работе:

• в подтверждении с помощью комплекса JARFR-IIS характеристик вариантов активной зоны реактора БН-800 со смешанным уран-плутониевым нитридным топливом, разработанных ОКБМ и ГНЦ РФ ФЭИ на стадии эскизного проекта; в получении оценок равновесных изотопных составов топлива и основных НФХ этих вариантов активной зоны для номинальных условий работы в УРП;

•в разработке и оптимизации в части нейтронной физики концепции активной зоны реактора РБЕЦ-М с мононитридным уран-плутониевым топливом с «энергетическим» плутонием, с боковыми и торцевыми воспроизводящими экранами, с свинцово-висмутовым теплоносителем пониженной плотности, при использовании «газового лифта» и прочими особенностями и в получении расчетных оценок совокупности основных НФХ активной зоны РБЕЦ-М с помощью комплекса JARFR-IIS;

• в получении и анализе с помощью комплекса JARFR-IIS совокупности НФХ реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, разрабатываемого НИКИЭТ, а также в предложениях по усовершенствованию этого реактора, в частности в разработке стратегии вывода реактора в УРП и способов компенсации возможных неопределенностей расчетных значений реактивности реактора;

• в разработке модели и оценках характеристик быстрого реактора с относительно широким шагом решетки стержневых твэлов и гелиевым теплоносителем, с помощью комплекса JARFR-IIS.

Список работ опубликованных по теме диссертации

1. Васильев. A.B. Исследование возможности повышения эффективности численной схемы решения уравнения диффузии нейтронов в программном комплексе JAR. Препринт ИАЭ-5767/4 М., 1994.

2. Васильев. A.B. Эффективная разностная схема решения уравнения диффузии нейтронов и алгоритм ее реализации в программном комплексе JAR. Препринт ИАЭ-5858/4 M., 1995.

3. Васильев. A.B. Разработка разностной схемы повышенной точности для решения уравнения диффузии в программе JAR. В сб. трудов 1Х-го семинара по проблемам физики реакторов, «Волга-95», т. 2, стр. 129-131, М., МИФИ,

4-8 сентября 1995.

4. Vasiliev А., е.а. Development and Evaluation of an Effective Nodal Diffusion Method for Perturbation Theory. Proc. of 'Annual Meeting on Nuclear Technology-97', pp. 49-52, Aachen, Germany, 13-15 May 1997.

5. Васильев. A.B., Фомиченко П.А. Оптимизация расчетного алгоритма и метода решения уравнения диффузии в программном комплексе J AR-FR на основе разностной схемы 'IIS' второго порядка точности. В сб. трудов 6-го семинара "Алгоритмы и программы для нейтронно-физических расчетов ядерных реакторов", «Нейтроника-95», 24-26 октября 1995, стр. 82-88. Обнинск, 1997.

6. Васильев. А.В., Алексеев П.Н., Фомиченко П.А. Развитие алгоритмов обобщенной теории возмущений в применении к подкритическим реакторным системам. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6167/5, М., 2000.

7. Васильев. А.В., Алексеев П.Н., Фомиченко П.А. Применение алгоритмов ОТВ в оптимизационных исследованиях подкритических реакторных систем. В сб. трудов XI-го семинара по проблемам физики реакторов, «Волга-2000»,

стр. 126-128, М. МИФИ, сентябрь 2000.

8. Vasiliev A., Alekseev P., Mikityuk К., Fomichenko P., Shestopalov A. Theoretical Requirements to Tolerances to Be Imposed on Fuel Rod Design Parameters for RBEC-M Lead-Bismuth Fast Reactor. Proc. of Int. Workshop "Advanced Reactors and Innovative Fuels", 'ARWIF-2001', pp. 135-144, Chester, UK, 22-24 October 2001.

9. Васильев. A.B., Алексеев П.Н., Микитюк K.O., Субботин С.А., Фомиченко П.А., Щепетина Т.Д. Свинцово-висмутовый быстрый реактор РБЕЦ-М: оптимизация концептуальных решений. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6229/4, М., 2001.

10. Vasiliev A., Mikityuk К., Fomichenko P., Schepetina Т., Subbotin S., Alekseev P. RBEC-M Lead-Bismuth Cooled Fast Reactor: Optimization of Conceptual Decisions. Proc. of Int. Conf. on Nuclear Engineering 'ICONE-IO', Log. # ICONElO-22329, Arlington, VG USA, April 14-18,2002.

11. Vasiliev A., Mikityuk K., Fomichenko P., Alekseev P. Safety Parameters of Advanced RBEC-M Lead-Bismuth Cooled Fast Reactor. Proc. of Int. Conf. on the New Frontiers of Nuclear Technology: Reactor Physics, Safety and High -Performance Computing, 'PHYSOR-2002', Log. # 9E-05, Seoul, Korea, October 7-10, 2002.

12. Васильев. A.B., Фомиченко П.А., Алексеев П.Н., Невиница В.А. Белов С.Б., Васильев Б.А., Евсеев В.И., Фаракшин М.Р. Расчетный анализ вариантов активной зоны БН-800 с нитридным топливом. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6275/4 М., 2003.

13. Васильев А.В., Шестопалов А.А., Фомиченко П.А. Расчетно-методические исследования неопределенностей нейтронно-физических характеристик быстрых реакторов, связанных с технологическими допусками. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6268/5, М., 2003.

14. Васильев. А.В., Алексеев П.Н., Фомиченко П.А. Анализ некоторых конструкторских и эксплуатационных особенностей активной зоны быстрого реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО с пристанционным замкнутым топливным циклом. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6267/5, М, 2003.

■J

¿

I

Подписано в печать 17.07.03. Формат 60x90/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,1 Тираж 55. Заказ 33. Отпечатано в РНЦ "Курчатовский институт" 123182, Москва, пл. Академика Курчатова

IM 1 9 2 3

«

j»

i

ВВЕДЕНИЕ.1.

ГЛАВА I. РАЗВИТИЕ АЛГОРИТМОВ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ БЫСТРЫХ РЕАКТОРОВ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В КОМПЛЕКСЕ ПРОГРАММ JARFR.

1.1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ JARFR.

1.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПО РАСШИРЕНИЮ РАСЧЕТНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ JARFR.

1.2.1. Повышение эффективности решения уравнения диффузии в комплексе программ JARFR.

1.2.2. Расчетное моделирование инновационных быстрых реакторов.

1.2.3. Оценки неопределенностей нейтронно-физических характеристик реактора, связанных с конструкторско-технологическими допусками.

1.2.4. Развитие алгоритмов обобщенной теории возмущений для задач с внешним источником нейтронов.

1.3. МОДЕРНИЗАЦИЯ РАЗНОСТНОЙ СХЕМЫ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЯ ДИФФУЗИИ И ФОРМУЛ ТЕОРИИ ВОЗМУЩЕНИЙ В КОМПЛЕКСЕ ПРОГРАММ JARFR.

1.3.1. Нодальная схема решения уравнения диффузии нейтронов.

1.3.2. Расчет функции, сопряженной решению многогруппового диффузионного уравнения.

1.3.3. Формулы теории возмущений первого порядка при использовании нодальной схемы решения уравнения диффузии.

1.4. РАСЧЕТЫ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАКТОРА С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА.

1.5. АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТОВ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАКТОРА, СВЯЗАННЫХ С КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ДОПУСКАМИ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В КОМПЛЕКСЕ JARFR-IIS.

1.5.1. Алгоритмы теории возмущений.

1.5.2. Методика статистического анализа.

I.5.3. Методика разработки требований к технологическим допускам твэлов быстрого реактора.

1.6. ФОРМУЛЫ ОБОБЩЕННОЙ ТЕОРИИ ВОЗМУЩЕНИЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЕЙ ЛИНЕЙНЫХ ФУНКЦИОНАЛОВ В ПОДКРИТИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В КОМПЛЕКСЕ JARFR-IIS.

1.7. ТЕСТИРОВАНИЕ И ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕРСИИ КОМПЛЕКСА JARFR-IIS.

1.8. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА II. ЭКСПЕРТНЫЙ РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ

АКТИВНОЙ ЗОНЫ БН-800 С НИТРИДНЫМ ТОПЛИВОМ.

II. 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

11.2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ПО ВАРИАНТАМ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ БН-800 С НИТРИДНЫМ ТОПЛИВОМ.

11.3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ПРИНЯТЫЕ ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ТОПЛИВНЫХ ЦИКЛОВ.

11.4. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ.

II.4.1. Схемы постановки свежих тепловыделяющих сборок.

II.4.2. Расчет концентраций изотопов топлива свежих ТВС.

11.5. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

U.S. 1 - Вариант с двумя зонами профилирования содержанием плутония.

II.5.2. Вариант с аксиальной воспроизводящей прослойкой.

11.6. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ II.

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ

РЕАКТОРА РБЕЦ-М.

III. 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПО РАЗРАБОТКЕ КОНЦЕПЦИИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ РЕАКТОРА РБЕЦ-М.

111.2. ОСОБЕННОСТИ КОНЦЕПЦИИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ РБЕЦ-М.

III.2.1. Естественная циркуляция и газлифт в первом контуре.

111.2.2. Смешанное уран-плутониевое нитридное топливо.

111.2.3. Профилирование энерговыделения в активной зоне.

111.3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКТОРА РБЕЦ-М.

111.4. СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ СБОРОК.

111.5. НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ РЕАКТОРА РБЕЦ-М.

111.5.1. Расчетная схема.

111.5.2. Моделирование установившегося режима перегрузок.

111.5.3. Плотность энерговыделения.

III.5.4. Спектр нейтронов.

111.5.5. Характеристики выгорания и воспроизводства топлива.

111.5.6. Параметры нейтронной кинетики.

111.5.7. Эффекты и коэффициенты реактивности.

111.5.8. Чувствительность реактивности к объемному газосодержанию в теплоносителе.

111.5.9. Баланс реактивности.

111.6. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ III.

ГЛАВА IV. АНАЛИЗ КОНСТРУКТОРСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ОСОБЕННОСТЕЙ АКТИВНОЙ ЗОНЫ РЕАКТОРА БРЕСТ-ОД-ЗОО С

ПРИСТАНЦИОННЫМ ЗАМКНУТЫМ ТОПЛИВНЫМ ЦИКЛОМ.

IV. 1. ОСОБЕННОСТИ КОНЦЕПЦИИ БЫСТРОГО РЕАКТОРА БРЕСТ-ОД-ЗОО С

СОБСТВЕННЫМ ЗАМКНУТЫМ ТОПЛИВНЫМ ЦИКЛОМ.

IV.2. МОДЕЛЬ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ТВЭЛОВ РЕАКТОРА БРЕСТ-ОД-ЗОО.:.

IV.3. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК РЕАКТОРА БРЕСТ-ОД-ЗОО.

IV.3.1. Вариантные расчеты установившихся режимов перегрузок.

IV.3.2. Предложения по стратегии перехода реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО от t стартовой загрузки к установившемуся режиму перегрузок.

IV.3.3. Способы компенсации возможных неопределенностей реактивности реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО.

IV.3.4. Устойчивость реактивности реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО к технологическим и эксплуатационным неопределенностям.

IV.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ IV.

В настоящее время в ряде подразделений РНЦ "Курчатовский институт", также как и во многих других национальных и международных организациях, ведутся исследования по перспективам развития ядерной энергетики (ЯЭ), формируется набор требований к ЯЭ в целом при ее долговременном и масштабном использовании [1,2], включающие в себя требования по конкурентоспособности, обеспеченности ресурсами, радиационной и ядерной безопасности и пр.

Разработка концепций безопасных и экономически приемлемых быстрых реакторов-бридеров - важнейшая задача по оптимизации системы будущей масштабной ЯЭ [1,3].

Предполагается, что роль быстрых реакторов-бридеров в системе ЯЭ будущего должна заключаться в поддержании необходимого нейтронного баланса во всей системе, обеспечении базового производства энергии и воспроизводства ядерного топлива, минимизации экологического риска, связанного с добычей природного урана, а также риска распространения. Исходя из этого, перечень задач проектирования реакторов на быстрых нейтронах в настоящее время уточняется и дополняется.

По мнению ряда экспертов Курчатовского Института проблемы, связанные с масштабным использованием ядерной энергетики в будущем не могут быть решены путем разработки только лишь перспективных и/или инновационных реакторов (что должно включать в себя разработку и освоение необходимых технологий, экспериментальной базы, промышленной инфраструктуры, расчетных инструментов и т.д.). Не менее важна разработка и инновационных технологий замыкания ядерного топливного цикла (ЯТЦ) [1,2]. В частности, решение одной из наиболее важных и актуальных на данный момент проблем - минимизации долгоживущих радиоактивных отходов (РАО) в ЯЭ напрямую связано с организацией нуклидных потоков в ЯЭ.

В настоящее время многие специалисты и организации [4,5,6] рассматривают замыкание ЯТЦ как одну из обязательных мер для предотвращения накопления РАО, характерного для настоящего состояния ЯЭ с открытым или частично замкнутым топливным циклом, основанной на тепловых реакторах.

Вместе с тем определяющее значение для минимизации количеств долгоживущих РАО имеет и структура ЯЭ, т.е. доли мощностей реакторов I различного типа (по назначению, спектру нейтронов, потребляемому топливу), общая потребность ЯЭ в добыче и обогащении урана, технологии переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и пр.

В случае дальнейшего развития ЯЭ актуальными проблемами и задачами могут стать оптимизация нуклидного баланса ЯТЦ, обеспечение необходимой наработки ядерного горючего и многократное рециклирование топлива с учетом минимизации равновесного количества РАО в структуре ЯЭ.

Практически общепризнанно, что решение перечисленных проблем невозможно при организации ЯЭ только на основе реакторов с тепловым спектром нейтронов, доминирующих в настоящее время.

Для обеспечения устойчивого развития ЯЭ как в СССР, так и за рубежом достаточно давно были предложены концепции реакторов-бридеров на быстрых нейтронах (РБН), затем были построены, эксплуатировались и продолжают эксплуатироваться экспериментальные и энергетические быстрые реакторы с натриевым теплоносителем. Однако, направление быстрых реакторов не получило широкого развития в силу низкой стоимости уранового топлива, экономической неэффективности РБН и переоценке прогнозов по требуемым темпам роста мощностей ЯЭ.

Цель развития реакторов на быстрых нейтронах была связана с присущей им способностью к расширенному воспроизводству ядерного горючего и признанием их особой роли в системе ЯЭ при ее развитии на долгосрочную перспективу. Основная роль в будущем отводилась быстрым реакторам с охлаждением натрием, хотя в пятидесятых годах под руководством А.И. Лейпунского изучались различные жидкометаллические теплоносители для РБН и первоначально рассматривался эвтектический сплав свинец-висмут [7]. Однако, и в настоящее время не обосновано использование альтернативных натриевому теплоносителю материалов, которые в полной мере удовлетворяли бы всей совокупности требований, предъявляемых к теплоносителю первого контура быстрого реактора с учетом накопленного в ЯЭ опыта.

Результаты последующих исследований и опыт эксплуатации продемонстрировали, что РБН, охлаждаемые натрием, решают задачу топливообеспечения ЯЭ и обладают значительным потенциалом для оптимизации их экономических параметров и характеристик безопасности [8].

Однако, исходя из важности РБН для дальнейшего развития ЯЭ, было бы не целесообразно делать ставку только на одну технологию - на РБН с натриевым теплоносителем. В последние десятилетия институты Минатома России и РНЦ "Курчатовский Институт" провели поисковые исследования и НИОКР, которые показали, что, не уходя далеко от уже освоенных технологий, наряду с совершенствованием традиционных РБН, охлаждаемыми натрием, в ограниченные сроки могут быть разработаны концепции и продемонстрированы характеристики альтернативных РБН, например, с газовым, тяжелометаллическим и пароводяным теплоносителями, которые при выполнении соответствующего объема НИОКР могут обоснованно соответствовать требованиям большой энергетики [8].

Также значительное внимание практически на самых ранних этапах разработок РБН-бридеров уделялось использованию плотных топлив, в частности, нитридов урана и плутония.

Основой интереса к применению нитридного топлива являются следующие его важные и привлекательные свойства:

• Высокая теоретическая плотность нитридного топлива позволяет увеличить массовую долю топлива в реакторе и следовательно, повысить KB активной зоны реактора и уменьшить запас реактивности на выгорание.

• Нитриды по сравнению с оксидами обладают более высокой теплопроводностью и имеют высокую температуру плавления.

• Нитридное топливо хорошо совместимо со стальными оболочками тепловыделяющих элементов (твэлов), не уступая по этому показателю оксидному топливу и пр.

В литературе отмечается и ряд отрицательных свойств как индивидуальных нитридов урана и плутония, так и смешанного нитрида. Следует отметить, что свойства нитридного топлива изучены еще не достаточно и его промышленное производство не освоено. Тем не менее, изучение концепций и характеристик РБН с данным видом топлива является важной и своевременной задачей.

Для решения проблемы замыкания топливного цикла ядерной энергетики по минорным актинидам, в РНЦ КИ при участии ряда Российских организаций предложена и разрабатывается концепция ядерного энерго-технологического комплекса с гомогенными (полостными) жидкосолевыми реакторами (ЖСР) [9-14], утилизирующими основную часть радиоактивных "отходов" (под отходами понимаются минорные актиниды (МА), но не плутоний), извлекаемых из отработавшего топлива энергетических реакторов.

Важно отметить, что в случае постановки задачи по оптимизации всей структуры будущей ЯЭ с ЗЯТЦ, состоящей, например из энергетических тепловых реакторов, быстрых реакторов-размножителей и ЖСР-пережигателей МА [14-16], необходимо проведение НИР не только по выбору и обоснованию перспективных и инновационных реакторов с оптимальными характеристиками, но и по моделированию и оценке характеристик самой системы ЯЭ, включающей разрабатываемые реакторы с учетом устанавливающихся нуклидных потоков в ЯТЦ. Перечисленные задачи являются взаимосвязанными и расчетные исследования проводятся итерационно.

При разработке концепций перспективных быстрых реакторов важнейшую роль играют инженерные комплексные расчеты характеристик реактора, позволяющие выбрать и оптимизировать конструкцию активной зоны и прочих компонент реактора на начальных этапах проектирования и расчетного обоснования реакторной установки, а также, например, сделать оценки по структуре ЯЭ в которую входят эти реакторы.

Качественное сравнение основных характеристик и оптимизация инновационных быстрых реакторов требуют наличия относительно гибких и быстродействующих программных средств с широким спектром расчетных возможностей, позволяющих производить расчеты различных проектов реакторов одного типа в одних и тех же приближениях.

Современные коды для прецизионных расчетов пока что не используются для вариантных комплексных расчетов, необходимых для адекватного описания физических процессов в быстром реакторе, и они применяются в основном для верификации инженерных кодов и поверочных расчетов.

Таким образом, развитие и оптимизация методов и алгоритмов инженерных расчетов перспективных ядерных реакторов и соответствующих расчетных моделей является по прежнему актуальной задачей.

К числу кодов, достаточно широко используемых в практике нейтронно-физических расчетов перспективных реакторов, относится комплекс программ JARFR [17,18], разработанный в РНЦ КИ. Комплекс программ JARFR предназначен для стационарного трехмерного расчета нейтронно-физических характеристик (НФХ) ядерных реакторов в многогрупповом диффузионном приближении уравнения переноса нейтронов. В качестве системы константного обеспечения в настоящее время используется система подготовки нейтронно-физических констант CONSYST/PRECONS [19] на основе библиотек БНАБ-93 [20]. Комплекс программ JARFR аттестован ГАН для нейтронно-физических расчетов быстрых реакторов [21,22] и внедрен в ряд организаций.

Диффузионное приближение уравнения переноса нейтронов позволяет обеспечить быстродействие алгоритмов численного решения (малое число неизвестных, экономичные итерационные схемы, и т.д.), что особенно важно в задачах с многократным расчетом квазистационарных состояний, в вариантных и комплексных расчетах реакторных характеристик.

Для анализа различных характеристик реакторов на быстрых нейтронах, динамических процессов реакторов как с быстрым, так и с тепловым спектром, вариантных оптимизационных или оценочных расчетов и т.д. точности диффузионного приближения часто оказывается вполне достаточно, а относительно небольшие расчетные затраты делают его применение наиболее привлекательным.

В случаях, когда предпочтительным оказывается расчет в более высоком приближении, диффузионное приближение может быть использовано для получения начальных значений рассчитываемых характеристик или применено в тех областях реактора или на тех временных шагах, где это допустимо с точки зрения погрешности, что значительно повышает эффективность исследований в целом.

Цель диссертационной работы заключалась в изучении нейтронно-физических характеристик инновационных реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическими теплоносителями, нитридным уран-плутониевым топливом и коэффициентом воспроизводства активной зоны ~1. В частности, целью работы являлось определение основных НФХ реакторов БН-800, РБЕЦ-М и БРЕСТ-ОД-ЗОО с различными жидкометаллическими теплоносителями (Na, Pb-Bi, Pb), топливными циклами и конструкторскими решениями.

Искомые НФХ используются при обосновании работоспособности и безопасности реакторов [8,23-25], а также являются необходимыми данными для дальнейшего обобщающего анализа по выбору характеристик и оптимизации быстрых реакторов для предполагаемой масштабной ядерной энергетики будущего [26] и анализа перспектив ее развития.

К поставленным задачам относились:

• подтверждение основных НФХ предложенных ОКБМ и ГНЦ РФ ФЭИ вариантов активной зоны (A3) реактора БН-800 с нитридным топливом;

• концептуальная разработка и оптимизация конструкции A3 реактора РБЕЦ-М;

• обоснование проектных НФХ и разработка предложений по усовершенствованию реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО.

Для проведения исследований был выбран комплекс программ JARFR, аттестованный ГАН для расчетов быстрых реакторов, внедренный в ряд Российских ч научных и проектных организаций и обладающий широким спектром расчетных возможностей, но, тем не менее, не вполне достаточным для планировавшихся исследований.

Поэтому в качестве цели работы ставилась также задача по оптимизации расчетных алгоритмов и развитии расчетных возможностей комплекса программ JARFR для удовлетворения практических потребностей в расчетных исследованиях инновационных быстрых реакторов, в частности:

• повышение эффективности решения уравнения диффузии нейтронов в комплексе программ JARFR;

• обеспечение возможности расчетного моделирования инновационных быстрых реакторов с учетом особенностей топливных циклов;

• обеспечение возможности оценок неопределенностей нейтронно-физических характеристик реактора, связанных с конструкторско-технологическими допусками твэлов на основе проведения серий статистических расчетов или применения алгоритмов теории возмущений (ТВ) и др.

Актуальность работы обусловлена тем, что работы по оптимизации структуры и компонент ЯЭ при условии ее долговременного и масштабного использования недавно возобновлены как в мире, так и в России, например, в рамках проектов ИНПРО, Генерация IV.

Для выработки каких-либо рекомендаций или выводов по будущему ЯЭ необходим качественный и количественный анализ возможных направлений развития ЯЭ и соответствующих технологий.

Отсутствие необходимости быстрого наращивания мощностей ядерных реакторов в настоящее время дает возможность проведения такого всестороннего анализа реакторных концепций с различными перспективными и инновационными видами топлива, теплоносителя, конструкционных материалов и пр. и проведения предварительного отбора наиболее предпочтительных решений на стадии концептуальных научно-исследовательских работ (НИР). Оптимизационные исследования, проведенные для реактора РБЕЦ-М, расчетные оценки основных НФХ реактора БН-800 с нитридной зоной, расчетное обоснование проектных характеристик и изучение особенностей реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, выполненные в диссертационной работе, являются в этом смысле весьма актуальными.

Также актуальным являлось усовершенствование комплекса программ JARFR, направленное на повышение эффективности алгоритмов и расширение его расчетных возможностей. Комплекс программ JARFR достаточно давно и активно используется в ряде Российских научных и проектных организаций для расчетов действующих и перспективных реакторов, однако требования к качеству расчетов характеристик реакторов со времени разработки JARFR значительно повысились и модернизация комплекса, выполненная автором, являлась практически востребованной задачей, имеющей существенное значение для дальнейшего развития работ в РНЦ КИ по перспективным быстрым реакторам.

Реализация поставленных в целях диссертационной работы задач по усовершенствованию и развитию расчетных алгоритмов комплекса программ JARFR была осуществлена автором в версии комплекса JARFR-IIS [27-31], с помощью которой были проведены представленные в работе расчетные исследования перспективных жидкометаллических быстрых реакторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработана версия комплекса программ JARFR-IIS, основанная на эффективном полиномиальном нодальном методе решения многогруппового уравнения диффузии на сетках с квадратными и гексагональными в плане ячейками [30], позволяющая производить расчетно-методические исследования полномасштабных моделей РБН, включая:

• расчет НФХ модели быстрого реактора в ходе топливного цикла с учетом моделирования загрузок/выгрузок тепловыделяющих сборок (ТВС) (расчеты пространственных распределений плотности потока нейтронов и ценности нейтронов и их функционалов, локальных полей энерговыделения, основных эффектов реактивности и пр.),

• расчетные оценки неопределенностей НФХ, связанных с конструкторско-технологическими допусками твэлов на основе серий статистических расчетов или алгоритмов классической и обобщенной теории возмущений (ОТВ),

• расчеты чувствительностей и неопределенностей НФХ подкритического реактора с внешним источником нейтронов на основе модифицированных формул ОТВ.

2) С помощью разработанной автором версии комплекса JARFR-IIS получены расчетные оценки НФХ инновационных РБН: БН-800, РБЕЦ-М, БРЕСТ-ОД-ЗОО, с различными жидкометаллическими теплоносителями (Na, Pb-Bi, Pb) и смешанным (U-Pu)N топливом. Также проведены некоторые оценки НФХ РБН с относительно широкой решеткой твэлов при использовании гелиевого теплоносителя.

Полученные результаты, выносимые на защиту, являются новыми в силу новизны рассмотренных реакторных концепций. НФХ зон быстрых реакторов с нитридным топливом в настоящее время продолжают изучаться как в России, так и в мире с учетом уточнений и усовершенствований расчетных моделей, нейтронно-физических констант и конструкций реакторов, видов топлива и теплоносителя.

Практическая значимость работы в целом заключается в том, что результаты, полученные в ходе исследований автором и приведенные в данной диссертационной работе, могут быть полезны как при сравнительном анализе характеристик различных концепций инновационных быстрых реакторов, так и в анализе и оптимизации структуры ЯЭ будущего, в случае включения в нее реакторов тех типов, что рассмотрены в работе.

Практическая значимость разделов работы, посвященных расчетным исследованиям реакторов БН-800 и БРЕСТ-ОД-ЗОО обусловлена также тем, что экспертные расчетные оценки НФХ этих реакторов были востребованы организациями, ведущими данные проекты Минатома (ОКБМ, НИКИЭТ).' Разработка реактора РБЕЦ, на основе которого был рассмотрен концептуальный вариант РБЕЦ-М, является одним из приоритетных направлений работ по быстрым реакторам в РНЦ КИ.

Расчетные алгоритмы и методики, разработанные и реализованные автором в программном комплексе JARFR-IIS, позволяющие производить:

• расчет НФХ модели реактора в ходе топливного цикла с учетом моделирования загрузок/выгрузок ТВ С,

• расчетные оценки неопределенностей НФХ, связанных с конструкторско-технологическими допусками твэлов, расчетные оценки величин технологических допусков твэлов, обеспечивающих заданные неопределенности НФХ,

• расчеты чувствительностей и неопределенностей НФХ для задач с внешним источником нейтронов, могут быть использованы в дальнейших исследованиях концепций инновационных реакторов.

На защиту выносятся следующие основные положения в части разработки и программной реализации в комплексе JARFR-IIS, эффективных алгоритмов нейтронно-физических расчетов характеристик быстрых реакторов и результаты расчетных исследований НФХ инновационных быстрых реакторов, проведенных с помощью комплекса JARFR-IIS:

• разработка и реализация в комплексе программ JARFR-IIS эффективного полиномиального нодального метода решения многогруппового диффузионного уравнения для сеток с квадратными и гексагональными в плане ячейками в качестве альтернативы исходному конечно-разностному методу с соответствующей модификацией формул ТВ, дающей дополнительное повышение точности расчетов коэффициентов чувствительностей (КЧ);

• разработка и реализация в JARFR-IIS алгоритмов расчетов КЧ линейных и дробно-линейных функционалов плотности потока нейтронов для неоднородной диффузионной задачи с «внешним» источником нейтронов;

• разработка алгоритмов статистических расчетов с использованием JARFR-IIS и развитие методик ТВ для оценок и анализа неопределенностей НФХ реактора, связанных с технологическими допусками конструкторско-технолОгических параметров (КТП) твэлов, в том числе для формирования требований к технологическим допускам КТП твэлов, обеспечивающих заданные неопределенности НФХ;

• реализация алгоритмов моделирования поведения реактора, включая оценки основных эффектов реактивности, в ходе топливного цикла с учетом схем загрузок ТВС, в том числе для концепций замкнутых топливных циклов с пристанционной переработкой отработавшего топлива.

• совокупность результатов расчетов вариантов A3 реактора БН-800 с нитридным топливом, предложенных ОКБМ и ГНЦ РФ ФЭИ, включая оценки равновесных изотопных составов топлива и основных НФХ реактора в установившемся режиме перегрузок, и полученных автором выводов;

• результаты разработки концепции A3 реактора РБЕЦ-М с мононитридным (U-Pu)N топливом с «энергетическим» плутонием, с воспроизводящими экранами, со свинцово-висмутовым теплоносителем пониженной плотности при использовании «газового лифта» и прочими особенностями, обеспечивающей по проведенным автором расчетным исследованиям (в части нейтронной физики), следующие характеристики:

- малое изменение реактивности за микрокампанию (МКК),

- отрицательный полный пустотный эффект реактивности,

- относительно низкие коэффициенты неравномерности энерговыделения и пр.;

• результаты расчетов и анализа НФХ реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, полученные автором выводы и рекомендации, в частности по стратегии вывода реактора в равновесный режим перегрузок и оценки по неопределенностям критичности реактора, связанных с технологическими и эксплуатационными особенностями БРЕСТ-ОД-ЗОО с пристанционным (собственным замкнутым) топливным циклом;

• предварительные оценки НФХ быстрого реактора с относительно широким шагом решетки стержневых твэлов и гелиевым теплоносителем.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

IV.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ IV

1) В работе рассмотрен анализ концептуальных решений по оптимизации топливного цикла реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО. На основе расчетных исследований могут быть подготовлены рекомендации по изменению КТП твэлов и их технологических допусков, позволяющие улучшить характеристики реактора в условиях принятой концепции работы реактора, или обеспечить его работоспособность с учетом имеющихся погрешностей и неопределенностей расчетов.

Предложения по выбору КТП твэлов основывались на расчетном моделировании поведения реактивности реактора при выгорании в течение микрокампании топлива и при перегрузках, а также с учетом проведенных оценок неопределенностей расчетного предсказания реактивности реактора. Принято, что при запуске реактора его критичность обеспечена специальными конструкторскими мерами.

2) Приведены результаты расчетных исследований по оптимизации величины содержания нитридов Pu и МА в топливе в базовом равновесном состоянии реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО в УРП при фиксированных прочих КТП твэлов [93]. В качестве рекомендуемой выбрана величина 14.0%(мас.) при плотности топлива 13.2 г/см3.

3) Предложена методика выбора КТП свежих ТВС первых загрузок для скорейшего перехода реактора от стартовой загрузки к УРП с номинальными КТП твэлов и изотопным составом, устанавливающимся в условиях собственного замкнутого топливного цикла.

Стратегия такого перехода, предлагаемая на основе проведенных оптимизационных исследований, заключается в следующем: для первой стартовой загрузки реактора используются ТВС с содержанием нитридов Pu и МА в топливе, равным 14.5% и с плотностью топлива 12.3 г/см3; со второй загрузки реактора используются ТВС с номинальными КТП.

Последняя особенность предлагаемой стратегии позволяет минимизировать затраты на переход в УРП, связанные с производством топлива. В этом может заключаться ее преимущество по сравнению с другими возможными стратегиями, основанными, например, на одновременном использовании в первой загрузке активной зоны ТВС с различными КТП, или на многоступенчатом приближении КТП ТВС, загружаемых в ходе первых кампаний реактора, к номинальным значениям.

Приведенные в данной работе значения плотности топлива (считалось, что исследуемый диапазон плотности топлива удовлетворяет ограничениям, связанным с глубиной выгорания) и содержания плутония и МА в топливе твэлов реактора

БРЕСТ-ОД-ЗОО для стартовых ТВС и ТВС последующих загрузок позволяют иметь расчетные изменения реактивности за МКК, не превышающие величины рЭфф.

4) В работе даются рекомендации по возможным изменениям КТП твэлов в предположении, что после уточнения технологических, методических и константных неопределенностей при работе реактора суммарный диапазон неопределенности реактивности составит ~0.7%8(l/&e/) для УРП.

5) Показано, что реактор БРЕСТ-ОД-ЗОО в течение значительной части срока эксплуатации будет находиться не в УРП, а в процессе выхода в него. Однако основные эффекты реактивности уже со второй микрокампании реактора меняются незначительно с кратностью, соответствующей числу перегрузок.

Приводятся некоторые заключения по устойчивости величины реактивности реактора к технологическим и эксплуатационным неопределенностям.

6) По результатам работы можно сделать вывод, что для надежного доказательства работоспособности реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО в пределах поставленных ограничений необходим ряд теоретических и экспериментальных работ по уточнению константных, технологических и предполагаемых эксплуатационных данных, в том числе характеристик технологии переработки ОЯТ с коротким временем его выдержки.

Результаты представленных в работе исследований, проведенных автором, были использованы НИКИЭТ при подготовке материалов проекта реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, работы по которому ведутся в рамках соответствующей программы Минатома.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная диссертационная работа посвящена исследованиям нейтронно-физических характеристик инновационных быстрых реакторов с нитридным смешанным уран-плутониевым топливом, с коэффициентом воспроизводства активной зоны с различными жидкометаллическими теплоносителями, конструкциями ТВС и активных зон и топливными циклами: РБЕЦ-М (Pb-Bi), BN-800 (Na), БРЕСТ-ОД-ЗОО (Pb).

Для выполнения поставленной задачи по изучению характеристик перечисленных инновационных реакторов автором была разработана усовершенствованная версия комплекса программ JARFR, JARFR-IIS, в которой оптимизированы исходные расчетные алгоритмы комплекса JARFR и добавлен ряд новых расчетных возможностей.

В работе описывается предложенная и реализованная автором в комплексе JARFR-IIS нодальная схема решения уравнения диффузии нейтронов для сеток с квадратными и гексагональными ячейками. Описаны алгоритмы расчетного моделирования нейтронно-физических характеристик перспективных ядерных реакторов в процессе топливного цикла, реализуемых с помощью программного комплекса JARFR-IIS.

Описаны алгоритмы расчетных оценок неопределенностей НФХ быстрых реакторов, связанных с конструкторско-технологическими допусками КТП твэлов с использованием формул теории возмущений и алгоритмы проведения статистических расчетов с помощью JARFR-IIS. Автором предложена постановка задачи по определению технологических допусков для КТП, связанных с новыми для промышленного производства материалами с учетом известных технологических допусков для промышленно освоенных технологий изготовления твэлов с тем, чтобы обеспечить желаемые разбросы основных НФХ реактора. Даются примеры использования новых расчетных возможностей JARFR-IIS.

В работе представлены реализованные автором в JARFR-IIS алгоритмы аппарата ОТВ для расчетов чувствительностей линейных и дробно-линейных функционалов плотности потока нейтронов к вариациям ядерных данных, технологических параметров и характеристик источника в подкритических системах с внешним источником нейтронов в предположении стационарного состояния реактора.

Расчетно-методические исследования нейтронно-физических характеристик рассмотренных в работе инновационных быстрых реакторов включают в себя:

• Расчетный анализ вариантов активной зоны реактора БН-800 с нитридным топливом;

• Концептуальную разработку активной зоны реактора РБЕЦ-М с теплоносителем свинец-висмут;

• Анализ некоторых конструкторских и эксплуатационных особенностей активной зоны быстрого реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО с пристанционным замкнутым топливным циклом;

• Предварительный анализ характеристик газоохлаждаемого быстрого реактора с относительно широкой решеткой твэлов.

В качестве топлива во всех перечисленных реакторах используется инновационное смешанное (U-Pu)N нитридное топливо.

Рассмотренные в работе направления разработок инновационных быстрых реакторов отличаются не только по теплоносителю, техническим решениям компоновок активных зон и конструкций реактора, но и по самим назначениям реакторов и их топливным циклам:

• функционирование реактора-бридера РБЕЦ-М в данной работе рассмотрено в открытом топливном цикле с использованием накопленного в легководной ядерной энергетике плутония и отвального урана (исходный проект РБЕЦ рассматривался как часть многокомпонентной структуры ядерной энергетики с оптимизированными потоками нуклидов между реакторами различных типов и функциональных назначений);

• рассмотренный в работе проект БН-800 с нитридной зоной и реакторы типа БРЕСТ с самообеспечением топливом планируется эксплуатировать с пристанционными ядерными топливными циклами, ПЯТЦ, в рамках структур ядерной энергетики, основанных на быстрых реакторах этих типов.

В работе приводятся исследования основных НФХ данных ректоров, проведенные автором с помощью программного комплекса JARFR-IIS.

Для составления заключения о преимуществах того или иного типа, реакторов требуются более обширный набор данных, включая экономические характеристики, оценки по ядерной и радиационной безопасности самих реакторов и соответствующих им технологических процессов ядерного топливного цикла и т.д., что является отдельной темой исследований.

Учитывая, что рассматриваемые типы реакторов и топлива являются инновационными, т.е. требующими освоения новых технологий, развития специализированных экспериментальных и производственных баз, требуется большой объем НИР для качественного сравнения сценариев развития ЯЭ с рассмотренными типами реакторов.

Представленные в работе результаты исследований нейтронно-физических характеристик рассмотренных инновационных реакторов и предложения по их улучшениям являются новыми и могут быть полезно использованы в качестве исходных данных в последующих обобщающих исследованиях структуры ЯЭ будущего и ее оптимизации.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, к.ф.-м.н. П.Н. Алексеевуч за постановку задач, рекомендации к их выполнению и интерес к данной работе.

Автор благодарен П.Н. Алексееву и С.А. Субботину за обсуждения и разъяснения проблем развивающейся ядерной энергетики, концепций замыкания ядерного топливного цикла и перспективных ядерных реакторов. Автор особенно благодарен П.А. Фомиченко и JI.H. Ярославцевой за помощь в программной реализации и тестировании расчетных алгоритмов, разработанных автором для комплекса программ JARFR-IIS.

Также автор благодарен П.А. Фомиченко и К.О. Микитюку за критические замечания к тексту диссертации и совместную работу, в частности по концептуальной разработке активной зоны реактора РБЕЦ-М, анализу характеристик реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО и пр. Автор благодарен А.А. Шестопалову за помощь в реализации в комплексе JARFR-IIS алгоритмов статистических расчетов и совместному исследованию неопределенностей характеристик реактора

БРЕСТ-ОД-ЗОО.

Автор считает своим долгом поблагодарить коллектив Отдела Концептуальных Физико-Технических Исследований ИЯР РНЦ КИ за благоприятную рабочую атмосферу и помощь в работе.

1. Пономарев-Степной Н.Н., Кузнецов В.В., Гагаринский А.Ю., Мониз Э.Дж., Геттемоллер Р., Понеман Д. Будущее ядерной энергетики: энергия, экология, безопасность. Атомная Энергия, т. 93, вып. 4, стр. 327-342, октябрь 2002.

2. Митенков Ф.М. Перспективы развития быстрых реакторов-размножителей. Атомная Энергия, т. 92. вып. 6, стр. 423-432, июнь 2002.

3. Пономарев-Степной Н.Н., Субботин С.А. Утилизация радиоактивных отходов. "Ядерное Общество", №1, стр. 13-15, март, 2000.

4. Trends in the Nuclear Fuel Cycle. Economic, Environmental and Social Aspects. NEA/OECD 2001.

5. Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation. Status and Assessment Report. NEA/OECD 1999.

6. Елисеев B.A., Матвеев В.И., Тошинский Г.И. Быстрые реакторы, охлаждаемые сплавом свинец-висмут, существенно увеличивающие эффективность открытого ядерного топливного цикла. Препринт ФЭИ-2597, 1997.

7. Новиков В.М., Слесарев И.С., Алексеев П.Н., Игнатьев В.В., Субботин С.А. Ядерные реакторы повышенной безопасности. Анализ концептуальных разработок. М.: Энергоатомиздат, 1993.

8. Алексеев П.Н., Васильев A.B., Дудников А.А., Субботин C.A. Тестовая модель каскадного подкритического жидкосолевого реактора-пережигателя долгоживущих РАО ядерной энергетики. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6199/5, 2000.

9. Ярославцева JI.H. Комплекс программ JARB для расчета нейтронно-физических характеристик ядерных реакторов. ВАНТ, сер. Физика и техника ядерных реакторов, вып. 8 (37), стр. 41-43, 1983.

10. Зверков Ю.А., Стукалов В.А. Аннотация комплекса программ JARFR-I. ВАНТ, Сер. Физика и техника ядерных реакторов., вып. 9, стр. 66-67, 1985.

11. Аннотация системы константного обеспечения CONSYST/ABBN. ВАНТ, сер. Ядерные константы. Вып.1. 2000.

12. Мантуров Г.Н., Николаев М.Н., Цибуля A.M. Система групповых констант БНАБ-93. Часть 1. Ядерные константы для расчета нейтронных и фотонных полей излучений. ВАНТ, сер. "Ядерные константы", вып. 1, стр. 59, 1996.

13. Аттестационный паспорт программного средства №142 от 27.06.2002. Федеральный надзор России по ядерной и радиационной безопасности.

14. Материалы к аттестации комплекса программ JARFR. Инв. № 3655. Совет по аттестации программных средств НТЦ ЯРБ Госатомнадзора РФ. 2002.

15. Алексеев П.Н., Виноградова Е.В., Ильин Д.А., Чистяков А.Е., Ярославцева Л.Н., Орлов В.В., Смирнов B.C. Динамика и оценка потенциала безопасности реакторов, охлаждаемых свинцом. ВАНТ, Сер. Физика ядерных реакторов, вып. 1, стр. 27-32, 1994.

16. Уолтер А., Рейнольде А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах. М.: Энергоатомиздат, 1986.

17. Хаммед Г., Окрент Д. Коэффициенты реактивности в больших энергетических реакторах на быстрых нейтронах. М.: Атомиздат, 1975.

18. Subbotin S.A., Alekseev P.N., Ignatiev V.V., е.а. Harmonization of Fuel Cycles For Long-Range and Wide-Scale Nuclear Energy System, Proc. of Int. Conf. 'GLOBAL'95', 1995.

19. Васильев A.B. Исследование возможности повышения эффективности численной схемы решения уравнения диффузии нейтронов в программном комплексе JAR. Препринт ИАЭ-5767/4, 1994.

20. Васильев А.В. Эффективная разностная схема решения уравнения диффузии нейтронов и алгоритм ее реализации в программном комплексе JAR. Препринт ИАЭ-5858/4 М., 1995.

21. Васильев А.В. Разработка разностной схемы повышенной точности длярешения уравнения диффузии в программе JAR. В сб. трудов IX-го. семинара попроблемам физики реакторов, «Волга-95», т. 2, стр. 129-131. М.: МИФИ, 4-8-сентября 1995.

22. Vasiliev А., е.а. Development and Evaluation of an Effective Nodal Diffusion Method for Perturbation Theory. Proc. of'Annual Meeting on Nuclear Technology-97', pp. 49-52, Aachen, Germany, 13-15 May 1997.

23. Невиница В.А. Расчетно-экспериментальные исследования характеристик перспективных реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. В сб. "Александровские чтения", 7-е издание, стр. 44-54, РНЦ КИ, М., 2001г.

24. Микитюк К.О., Васильев А.В., Фомиченко П.А. LOOP2: Комплексная модель динамики перспективных ядерных реакторов, в сб. «Отраслевая конференция ТЕПЛОФИЗИКА-2001», стр. 225-226. Обнинск, 2001.

25. Слесарев И.С., Ярославцева JI.H. Расчетные схемы для исследования энергетических быстрых реакторов с гексагональными топливными сборками. ВАНТ, сер. Физика и техника ядерных реакторов, вып. 4 (33), стр. 19-23, 1983.

26. Lawrence R.D. Progress in Nodal Methods for the Solution of the Neutron Diffusion and Transport Equations. Progress in Nuclear Energy, Vol. 17, No. 3, pp. 271301, 1986.

27. Finnemann H., Bennewitz F., Wagner M. Interface Current Techniques for Multidimensional Reactor Calculations. Atomkernenergie (ATKE) Bd. 30, Lfg. 2, pp. 123128,1977.

28. Langenbuch S., Maurer W., Werner W. Coarse-Mesh Flux-Expansion Method for the Analysis of Space-Time Effects in Large Light Water Reactor Cores. NSE: 63, pp 437456,1977.

29. Васильев Б.А., Евсеев В.И., Карабасов А.С., Кирюшин А.И., Самойлов О.Б. Потребности в программном обеспечении проектных разработок реакторов на быстрых нейтронах. ВАНТ, сер. Физика и техника ядерных реакторов, вып. 7 (29), стр. 59-64, 1982.

30. Accelerator-Driven Systems (ADS) and Fast Reactors (FR) in Advanced Nuclear Fuel Cycle. A Comparative Study. NEA/OECD, 2002.

31. A European Roadmap for Developing Accelerator Driven Systems (ADS) for Nuclear Waste Incineration. The European Technical Working Group on ADS. ENEA. ISBN 88-8286-008-6,2001.

32. Васильев А.В., Алексеев П.Н., Фомиченко П.А. Применение алгоритмов ОТВ в оптимизационных исследованиях подкритических реакторных систем. В сб. трудов XI-го семинара по проблемам физики реакторов, «Волга-2000», стр. 126-128, М.: МИФИ, сентябрь 2000.

33. Васильев А.В., Алексеев П.Н., Фомиченко П.А. Развитие алгоритмов обобщенной теории возмущений в применении к подкритическим реакторным системам. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6167/5, 2000.

34. Gandini A. Sensitivity Analysis of Source Driven Subcritical Systems by the HGPT Methodology. Ann. Nucl. Energy, Vol. 24, No. 15, pp. 1241-125, 1997.

35. Усачев JI.H., Бобков Ю.Г. Теория возмущений и планирование эксперимента в проблеме ядерных данных для реакторов. Сер. "Физика ядерных реакторов", N 16. М., Атомиздат 1980.

36. Усачев JI.H. Теория возмущений для коэффициента воспроизводства и других отношений чисел различных процессов в реакторе. "Атомная энергия", т. 15, вып. 6, стр. 472-481, 1963.

37. Алексеев П.Н., Зарицкий С.М. Реализация алгоритмов обобщенной теории возмущений для отношений взвешенных скоростей реакций. В сб. МИФИ "Физика ядерных реакторов", вып. 4, стр. 57-61. М.: Атомиздат, 1975.

38. Алексеев П.Н., Зарицкий С.М. и др. О методах решения неоднородных уравнений обобщенной теории возмущений. Атомная энергия, т.52, вып.1, стр. 52-56, 1985.

39. Зверков Ю.А., Алексеев П.Н., Субботин С.А. Анализ итерационного решения уравнения диффузии нейтронов в гексагональной геометрии для моделей быстрого реактора. ВАНТ, сер. Физика и техника ядерных реакторов, вып.9, стр. 25-29, 1985.

40. Алексеев П.Н., Зарицкий С.М. Многослойный итерационный процесс решения многогрупповых диффузионных уравнений. ВАНТ, сер. Физика и техника ядерных реакторов, вып. 7 (29), стр. 27-32, 1982.

41. Cacuci D.G. Sensitivity and Uncertainty Analysis in Reactor Physics. The 1999 Frederic Joliot/Otto Hahn Summer School. Karlsruhe, Germany, 1999.

42. Lawrence R.D. Perturbation Theory Within the Framework of a Higher Order Nodal Method. Trans. Am. Nucl. Soc., 46, p.402, 1984.

43. Jackson C.J., Cacuci D.G., Finnemann H.B. Dimensionally Adaptive Neutron Kinetics for Multidimensional Reactor Safety Transients-I: New Features of RELAP5/PANBOX. NSE: 131, pp. 143-163, 1999.

44. Taiwo T.A., Henry A.F. Perturbation Theory Based on a Nodal Model. NSE: 92, pp. 34-41, 1986.

45. Smith K.S. Assembly Homogenization Techniques for Light Water Reactor Analysis. Progress in Nuclear Energy, Vol. 17, No. 3, pp. 303-335, 1986.

46. Зизин M.H. Расчет нейтронно-физических характеристик реакторов на быстрых нейтронах. М., Атомиздат, 1978.

47. Хромов В.В. Функции ценности нейтронов. Лагранжианы нейтронных полей. Формулы возмущений. МИФИ. М.: 1989.

48. Алексеев П.Н., Зарицкий С.М., Усачев JI.H., Шишков JI.K. Комплекс программ ТВК-2Д. ВАНТ, сер. Физика и техника ядерных реакторов, вып. 4 (33), стр. 32-35, 1983.

49. Алексеев П.Н., Шаров Е.И., Ярославцева JI.H. Чувствительность расчетных значений эффектов реактивности быстрых реакторов к изменениям технологических параметров. Препринт ИАЭ-4655/4, 1988.

50. Васильев А.В., Алексеев П.Н., Ярославцева JI.H., Фомиченко П.А.

51. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М., Наука, 1985.

52. Шишков Jl.K. Методы решения диффузионных уравнений двумерного ядерного реактора. М.: Атомиздат, 1976.

53. Белл Д., Глесстон С. Теория ядерных реакторов. Под ред. В.Н. Артамкина. М.: Атомиздат, 1974.

54. Зарицкий С.М. Сб. Физика ядерных реакторов, вып. 1, стр. 39, М.: Атомиздат, 1968.

55. Алексеев П.Н., Зарицкий С.М. Формулы теории возмущений для двумерных моделей реакторов. ВАНТ, сер. Физика и техника ядерных реакторов, вып. 7 (29), стр. 19-26, 1982.

56. Фомиченко П.А. Решение задач пространственной нейтронной кинетики методами улучшенной квазистатики в программе JAR-IQS. Препринт ИАЭ-5880/5, 1995.

57. Васильев А.В., Микитюк К.О., Фомиченко П.А., Чибиняев А.В. Система кодов MONSTR для комплексного моделирования динамики водо-водяных ядерных реакторов совместно с теплогидравлическим кодом RELAP5. Препринт РНЦ КИ ИАЭ-6238/4, 2001.

58. Васильев А.В., Шестопалов А.А., Фомиченко П.А. Расчетно-методические исследования неопределенностей нейтронно-физических характеристик быстрых реакторов, связанных с технологическими допусками. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6268/5,2003.

59. Алексеев П.Н., Васильев А.В., Микитюк К.О., Субботин С.А., Фомиченко П.А., Щепетина Т.Д. Свинцово-висмутовый быстрый реактор РБЕЦ-М: оптимизация концептуальных решений. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6229/4,2001.

60. Васильев. A.B., Фомиченко П.А., Алексеев П.Н., Невиница В.А.,

61. Белов С.Б., Васильев Б.А., Евсеев В.И., Фаракшин М.Р. Расчетный анализ вариантов активной зоны БН-800 с нитридным топливом. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6275/4, 2003.

62. Orlov V., Ponomarev-Stepnoi N., Slesarev I., Alekseev P., e.a. Concept of the New Generation High Safety Liquid-Metal Reactor (LMFR). Proc. of Int. Conf. "Safety New Generation Power Reactors", USA, Seattle, 1988.

63. Алексеев П.Н., Васильев A.B., Микитюк K.O., Невинница В.А., Субботин С.А., Фомиченко П.А., Щепетина Т.Д. Свинцово-висмутовый реактор РБЕЦ: обзор концептуальных решений. Препринт ИАЭ-6179/4,2000.

64. Alekseev P., Subbotin S., e.a. "Potential Possibilities of a Three-Circuit Scheme for the Enhancement of Lead-Cooled Reactor Safety", In Proc. of ARS'94 Int. Topical Meeting on Advanced Reactors Safety, Pittsburgh, PA, U.S.A., 1994.

65. Titov V., Slessarev I., Alekseev P., e.a. Three-Circuit Nuclear Steam Generating Plant with Lead Coolant. Proc. of the ENS meeting, RDIPE, Moscow, USSR, October, 1990.

66. Котельников Р.Б., Башликов C.H. и др. Высокотемпературное ядерное топливо. М.: Атомиздат, 1978.

67. Орлов В.В., Филин А.И. и др. Конструкция реакторов БРЕСТ электрической мощностью 300 и 1200 МВт. Международная конференция "Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях", Обнинск, ГНЦ РФ ФЭИ, октябрь 1998.

68. Алексеев П.Н., Васильев А.В., Фомиченко П.А. Анализ некоторых конструкторских и эксплуатационных особенностей активной зоны быстрого реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО с пристанционным замкнутым топливным циклом. Препринт РНЦ КИ, ИАЭ-6267/5, 2003.

69. Глушков Е., Демин В. и др. Исследование нейтронно-физических характеристик реактора на быстрых нейтронах с гелиевым теплоносителем БГР-300. ВАНТ, сер. Физика и техника ядерных реакторов, вып. 5 (18), 1981.

70. Глушков Е.С., Демин В.Е., Пономарев-Степной Н.Н., Князев В.А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах с гелиевым теплоносителем. В сб. тезисов докладов V Всесоюзного семинара по проблемам физики реакторов, стр. 12-14. М.: ЦНИИ-атоминформ, 1987.

71. An Evaluation of Gas cooled fast reactor. Division of Reactor Development and Technology U.S. Atomic Energy Commission. AEC-95, 1972.