Влияние уран-эрбиевого топлива на глубину йодной ямы на примере реакторов РБМК-1000 Ленинградской АЭС.

 

Л.А. Завьялов

 

Филиал концерна “Росэнергоатом” “Ленинградская атомная электростанция”

 

После проведения мероприятий по повышению безопасности АЭС с реакторами типа РБМК-1000,  направленных на уменьшение парового коэффициента реактивности и увеличение величины оперативного запаса реактивности на ЛАЭС количество дополнительных поглотителей (ДП) увеличилось до  80 шт., что привело к снижению парового коэффициента реактивности (aj) с 4bэфф.-5bэфф. до 0.3bэфф.–1.0bэфф.. Оперативный запас реактивности с 30 шт. ст. РР увеличен до 43 стержней ручного регулирования. В Технологическом регламент[1], был введён пункт, ограничивающий по времени, пуск реактора и вывод блока на энергетический режим после останова через время не менее 2-х суток, если реактор работал перед остановом на мощности 50% Nтном  и выше. Принятые меры обеспечили необходимый уровень безопасности эксплуатации реакторной установки, но значительно ухудшили экономические показатели топливного цикла АЭС с реактором РБМК-1000 и снизили величину КИУМ за счет регламентного ограничения по времени при прохождении «йодной ямы». Улучшение экономических показателей АЭС, а также возможность сокращения времени стоянки достигнуто в результате перевода реакторов на уран-эрбиевое топливо. За счёт наличия в топливе выгорающего поглотителя эрбия который имеет резонанс при энергии 0,47 эВ, снижается коэффициент реактивности по температуре графита и в свою очередь уменьшается глубина провала при попадании реактора в йодную яму после останова реактора. Кроме того, загрузка ЭТВС приводит к смещению в более жёсткую область спектра тепловых нейтронов и к уменьшению усреднённого по спектру сечения поглощения нейтронов в Xe135,что снижает глубину йодной ямы[2]. Выгрузка ДП в процессе перехода на уран-эрбиевое топливо снижает мощность ЭТВС и незначительно плотность потока нейтронов, что так же снижает глубину йодной ямы. В итоге имеется возможность снижения продолжительности стояки реактора после неплановых остановов с различных уровней мощностей.

Для расчёта времени стоянки реактора после внепланового останова использовалась программа САПФИР_95&RC_RBMK. В отличие от известных программ расчета активных зон реакторов РБМК (СТЕПАН[3] , САДКО), САПФИР_95&RC_RBMK рассчитывает конкретное состояние активной зоны реактора с использованием распределения осколков деления по высоте ТВС, полученного из предварительных расчетов. В этих расчетах отслеживается реальный график загрузки эрбиевого топлива и учитываются условия эксплуатации энергоблока в течение нескольких последних лет (с января 1995 года). При этом не используется «восстановитель» поля мощностей на основе показаний датчиков контроля радиального энерговыделения. С приемлемой точностью поле мощностей устанавливается «само» в процессе расчета выгорания - среднеквадратичное отклонение от мощностей, получаемых в ИИСС СКАЛА-М, менее величины в 10%, заявляемой в аттестованных программах. При этом поле выгорания топлива по высоте канала формируется в процессе расчета индивидуально в каждом рабочем канале (в расчетах состояния активной зоны по программам СТЕПАН или САДКО эту форму приходится задавать априори). Расчет реакторов Ленинградской АЭС проводится с использованием программы САПФИР_95&RC_RBMK в двухгрупповом диффузионном приближении c решением в программе системы линейных уравнений - конечно-разностный аналог уравнения диффузии. Расчет заданного состояния реактора проводится при известных параметрах: положение стержней СУЗ, уровень мощности, распределение плотности теплоносителя, температуры топлива и графита по высоте каналов активной зоны. Из архива считывается расчётное распределение накопления осколков деления по активной зоне, на основе которого в каждой точке конечно-разностной сетки находится набор малогрупповых констант. С этими константами и решается система конечно-разностных уравнений диффузии нейтронов в реакторе. Расчёт процесса выгорания проводится как последовательность квазистационарных состояний с постоянными на шаге интегрирования параметрами (мощность, положение стержней регулирования и т.д.), которые берутся из файлов эксплуатационных параметров. Временной шаг выбирается в соответствии с имеющимися файлами эксплуатационных параметров. Предусмотрена возможность моделирования перегрузок через бассейн выдержки (для того, чтобы не потерять индивидуальное распределение выгорания по высоте ТВС). При расчете конкретного состояния или серии состояний (как в случае ксенонового переходного режима), начальное распределение выгорания для каждой ТВС активной зоны считывается из архива выгорания, подготовленного заранее. Такие архивы подготовлены для всех четырех энергоблоков Ленинградской АЭС путем численного моделирования процесса эксплуатации с 1995 года по настоящее время.

Используя программу САПФИР_95&RC_RBMK проведены расчёты изменения запаса реактивности активной зоны реакторов Ленинградской АЭС, связанного с нестационарным отравлением ксеноном при снижении мощности для различных моментов времени в процессе перевода энергоблоков на уран-эрбиевое топливо. Результаты расчетов показали, что уменьшение запаса реактивности в процессе переотравления ксеноном в активной зоне с эрбиевым топливом отличается от аналогичного эффекта в активной зоне с обычным топливом 2.4% - обогащения. Отмечёно заметное изменение рассчитанных температурных коэффициентов по топливу и графиту при увеличении в загрузке активной зоны ЭТВС. Отрицательный температурный коэффициент Допплера увеличился (по абсолютной величине), а положительный коэффициент по температуре графита – уменьшился. Наиболее показателен энергоблок №2, так как загрузка ЭТВС составляет более 90% от общего числа загруженных в активную зону ТВС. Из рис. 1 видно, что время стоянки реактора энергоблока №2 после останова можно существенно сократить и тем самым улучшить экономические показатели РБМК-1000   при этом сохранив необходимый для регулирования оперативный запас реактивности.

Литература:

1.       ЛАЭС «Технологический регламент по эксплуатации энергоблока № 2 Ленинградской АЭС с реактором РБМК-1000».Архив ПТО ЛАЭС, инв. № О-3181/О, 1997г.

2.       «Глубина йодной ямы в РБМК на уран-эрбиевом топливе » Атомная Энергия, т.93, вып. 2, август 2002г.

3.       Верификация программы STEPAN для трехмерного нейтронно-тепло­гидрав­ли­чес­кого расчета РБМК. Отчет РНЦ КИ, ИЯР, инв. №33-08/9, 1995г.