ВНЕДРЕНИЕ НОВОГО ВИДА ТОПЛИВА С ВЫГОРАЮЩИМ ЭРБИЕВЫМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ НА РЕАКТОРАХ РБМК-1000 ЛЕНИНГРАДСКОЙ АЭС.

О.Г. Черников, К. Г. Кудрявцев, А.В. Завьялов, Л.В. Шмаков, Л.А. Завьялов
Ленинградская атомная электростанция


Одним из основных направлений дальнейшего развития внутренних свойств самозащищённости активной зоны реакторов РБМК—1000 в настоящее время является поэтапный перевод реакторов на новый вид топлива повышенного обогащения с добавлением выгорающего поглотителя в виде оксида эрбия(Er2O3). При производстве тепловыделяющих элементов(твэлов) для АЭС используется изотоп эрбия Er167 в качестве резонансного поглотителя тепловых нейтронов.

На Ленинградской АЭС в РБМК—1000 эксплуатация уран-эрбиевого топлива 2.6% обогащения по U-235 с содержанием эрбия 0.41% осуществляется с апреля 1996г, уран-эрбиевого топлива 2.8% обогащения с содержанием эрбия 0.60% с декабря 2001г.
Промышленному внедрению на ЛАЭС уран-эрбиевого топлива(ЭТВС) предшествовало:
—расчётно-теоретические исследования, обосновывающие возможность, безопасность и эффективность использования нового вида топлива в реакторах [1], [7], [8];
—проведение реакторных испытаний опытных партий ЭТВС;
—обоснование безопасности перевода реакторов на полномасштабную загрузку уран-эрбиевым топливом[4];
—поэтапный перевод загрузки активных зон на новое ядерное топливо;
—экспериментальные исследования изменения нейтронно-физических характеристик на каждом этапе внедрения уран-эрбиевого топлива[3], [6].

В расчётно-экспериментальных работах [1], [2] было обоснованно, что увеличение обогащения топлива в тепловыделяющих сборках РБМК-1000 с добавлением выгорающего поглотителя в виде оксида эрбия позволяет повысить уровень безопасности реактора и уменьшить воздействие на экологию за счёт:
—уменьшения величины парового коэффициента реактивности до требуемого предела безопасности без использования дополнительных поглотителей в активной зоне;
—уменьшения величины максимальной мощности тепловыделяющих сборок (ТВС) и, как следствие этого снижение негативных последствий при проектных, аварийных ситуациях с выходом радиоактивных продуктов деления из-под оболочки твэла;
—уменьшения неравномерности полей энерговыделения в реакторе;
—сокращения количества, вплоть до полной выгрузки из активной зоны дополнительных поглотителей (ДП) и, как следствие, сокращение высокоактивных отходов.

Использование уран-эрбиевого топлива с учетом оптимального планирования перегрузок, одной из функций которой является удельный расход топлива на единицу энерговыработки реактора, позволяет существенно улучшить экономические характеристики реакторов РБМК:
—повысить глубину выгорания выгружаемого топлива;
—снизить темп перегрузки ТВС;
—уменьшить затраты на хранение и транспортировку отработавшего топлива.

Следует отметить, что полный перевод на ЭТВС с обогащения 2.8% позволит увеличить глубину выгорания топлива более чем на 10% и, соответственно, уменьшить расход ЭТВС при одновременном повышения уровня безопасности реактора и улучшения нейтронно-физических характеристик реакторной установки (РУ).
Выбранный состав уран-эрбиевого топлива повышенного обогащения позволяет сохранить основные эксплуатационные характеристики ТВС и повысить глубину выгорания топлива и продолжительности реакторного цикла ТВС[9]. Наибольший опыт эксплуатации ЭТВС с уран-эрбиевым топливом накоплен на энергоблоке № 2.

Перевод на ЭТВС энергоблока № 2 производится поэтапно:
—первый этап – загрузка в реактор энергоблока № 2 опытной партии в количестве 200 шт. ЭТВС с обогащением 2.6 % и содержанием 0.41% эрбия(ЭТВС-2.6);
—второй этап—загрузка в реактор энергоблока №2 500 шт. ЭТВС-2.6 (общее количество ЭТВС-2.6 в реакторе до 700 шт.);
—третий этап—полный перевод на ЭТВС-2.6 реактора энергоблока № 2;
—четвертый этап—загрузка в реактор энергоблока № 2 опытной партии в количестве 200 шт. ЭТВС-2.8 с обогащением 2.8 % и содержанием 0.60% эрбия[10];
В процессе перевода на уран-эрбиевое топливо были определены дополнительные требования по контролю нейтронно—физических характеристик РУ [5]:
—диапазон изменения величины парового коэффициента реактивности от
+0,3bэфф. до +0,8bэфф. с погрешностью измерения не более 0,2bэфф;
—периодичность измерения aj — не менее одного измерения при загрузке в реактор очередных 100 шт. ЭТВС[6];
—внеочередное измерение aj проводить при изменении средней глубины выгорания топлива в активной зоне на величину 40 МВт*сут./ТВС, в том числе в случаях завершения или прекращения загрузки ЭТВС;
—расчёт величины подкритичности реактора в состоянии с максимальным эффективным коэффициентом размножения по штатным программам комплекса “ЭНЕРГИЯ” не реже одного раза за 10 суток работы реактора;
—сопровождение работ по загрузке ЭТВС расчетным контролем паспортных данных организациями: НИКИЭТ, РНЦ КИ с выдачей заключения после установки очередных 200 ЭТВС;
—измерения подкритичности остановленного реактора выполнять перед очередным ППР.

Использование уран-эрбиевого топлива позволило увеличить среднюю энерговыработку ТВС в реакторе до 1575 МВтЧсут/ТВС, при этом средняя глубина выгорания выгружаемого топлива, составила ~2808 МВтЧсут/ТВС. По проекту средняя глубина выгорания выгружаемого топлива для ЭТВС 2.6% обогащения составляет 2900 МВтЧсут/ТВС. Плановая выгрузка ЭТВС с топливом 2.6% обогащения на энергоблоке №2 ЛАЭС осуществляется с июня 2000г. По данным на 30.11.2001г. выгружено ~200 ЭТВС, средняя энерговыработка составила ~2850 МВтЧсут/ТВС.

По состоянию на декабрь 2001г. в РУ энергоблоков загружено более 4600 ЭТВС. В процессе эксплуатации энергоблоков ЛАЭС подтверждён способ стабилизации парового эффекта реактивности в установленных пределах путём управления количеством ДП и ЭТВС в активной зоне[6]. Опыт эксплуатации РУ подтвердил тенденцию поведения основных нейтронно-физических характеристик реакторов полученных в результате прогнозных расчётов (средней энерговыработки ТВС, коэффициентов и эффектов реактивности, максимальных мощностей, коэффициентов запаса до кризиса теплообмена и линейной нагрузки на твэл) при загрузке ЭТВС в реактор.

Таким образом, перевод реакторов РБМК-1000 Ленинградской АЭС на уран-эрбиевое топливо и эксплуатация уран-эрбиевых ТВС позволили повысить уровень безопасности, надежности и улучшить экономические показатели энергоблоков.