k/k), а
наименьший – с плутонием с ПО «Маяк» (с америцием – 1,1% 
k/k).Сборник тезисов докладов X Международной молодежной научной конференции
ВЛИЯНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ТОПЛИВА НА ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЫСТРОГО РЕАКТОРА
Шошина А.Н., Бурьевский И.В., Поплавская Е.В.
Государственный научный центр Российской Федерации –Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского
Устинова Е.П.
Обнинский государственный технический университет атомной энергетики
В соответствии с новой стратегией развития атомной энергетики в России к 2030 г. четвертая часть установленных мощностей АЭС должна приходиться на быстрые реакторы[1]. В связи с этим перед разработчиками встала задача создания большого коммерческого быстрого реактора БН-К, ввод которого в эксплуатацию намечен в 2018 г. Разрабатываемый коммерческий быстрый реактор должен быть конкурентоспособным, обеспечивать высокие показатели безопасности и технологическую защищенность топливного цикла от ядерного распространения. Из нейтронно-физических характеристик реактора самыми важными здесь являются величины НПЭР, КВА и запаса реактивности на выгорание.
В работе исследовано влияние изотопного состава загружаемого топлива на характеристики реактора БН-К. Зависимость характеристик от состава плутония рассматривалась в установившемся режиме перегрузок для открытого топливного цикла. Именно в таком топливном цикле реактор будет работать первые 8-10 лет до заполнения внешнего топливного цикла и его замыкания.
Изотопный состав плутония варьировался в достаточно широком диапазоне: (1) «оружейный» (декларированный)[2]; (2) энергетический «классического» состава 60/25/10.9/4.1%; (3) из ВВЭР-1000 без выдержки (без МА); (4) из ВВЭР-1000 с выдержкой 20 лет (без МА); плутоний с ПО «Маяк» 1980-х годов (с америцием (5) и очищенный (6)).
Полученные результаты демонстрируют существенное влияние состава плутония на критзагрузку, баланс плутония, показатели воспроизводства, запас реактивности на выгорание и величину НПЭР. Характеристики поля тепловыделения и величина нейтронного потока от состава плутония практически не зависят.
Критическая загрузка. Наименьшая загрузка по всему плутонию соответствует варианту с «оружейным» плутонием.
Таблица. Изотопные составы загружаемого плутония, %.
Состав плутония |
Оружейный (декларирован) |
Энергетический («классический») |
ВВЭР-1000 |
ПО «Маяк» 1977–1978 гг. |
||
без выд. |
20 лет |
с Am |
без Am |
|||
238Pu |
0,13 |
0 |
2,4 |
2,6 |
0,66 |
0,69 |
239Pu |
91,72 |
60 |
53,7 |
58,6 |
68,99 |
72,67 |
240Pu |
6,55 |
25 |
24,2 |
26,4 |
20,42 |
21,49 |
241Pu |
1,06 |
10,9 |
13,4 |
5,0 |
2,02 |
2,14 |
242Pu |
0,43 |
4,1 |
6,3 |
6,9 |
2,57 |
2,71 |
241Am |
0,11 |
0 |
0 |
0,5 |
5,31 |
0,30 |
Наибольшая — варианту плутония выгружаемого из реактора ВВЭР-1000 с 20-летней выдержкой. Диапазон изменения критзагрузки от 9,2 до 11,5 т.
Показатели воспроизводства и запас реактивности на выгорание. Минимальное значение воспроизводства в активной зоне КВА соответствует оружейному плутонию (КВА=0,81), а максимальное (КВА=0,90) – варианту с плутонием из реактора ВВЭР-1000 с 20-летней выдержкой. На воспроизводство в экранах состав плутония активной зоны заметного влияния не оказывает.
Величина КВА коррелирует с запасом реактивности на выгорание: чем выше
воспроизводство, тем меньше запас реактивности. Наибольший запас реактивности на
выгорание соответствует варианту с оружейным плутонием (1,71% k/k), а
наименьший – с плутонием с ПО «Маяк» (с америцием – 1,1% k/k).
Под балансом плутония подразумевается разность выгружаемого-загружаемого плутония за кампанию, как по сумме всех изотопов, так и по сумме делящихся. В случае плутония оружейного состава его баланс в активной зоне почти нулевой (воспроизводится почти столько же, сколько сгорает), в то время как в случаях с «грязным» плутонием баланс существенно отрицательный. По делящимся изотопам ситуация противоположная — чем «грязнее» плутоний, тем меньше его дефицит в активной зоне.
НПЭР и запас реактивности на выгорание. Чем плутоний «чище», тем меньше величина НПЭР. Это связано с сильной чувствительностью реакций деления пороговых изотопов плутония и америция к ужесточению спектра при осушении активной зоны. Отметим, что зависимость НПЭР от изотопного состава прямо противоположна зависимости запаса реактивности на выгорание.
Выполненные исследования показали, что активная зона должна оптимизироваться под конкретный изотопный состав топлива, который предполагается в ней использовать. Под оптимизацией понимается небольшая коррекция высоты активной зоны, за счет которой возможно установить величины НПЭР и запаса реактивности на выгорание в заданные пределы. За счет этого быстрый реактор можно сделать «всеядным», способным потреблять плутоний любого состава.
Литература
1. Федеральная целевая программа «Создание новой технологической платформы развития атомной энергетики России с 2006 по 2012 годы и на период до 2020 года», Москва, 2006.
2. «BN-600 Reactor Personnel Does Rates when Using Weapons Grade Plutonium» Tsikunov A.G., Khokhlov G.N., Chebeskov A.N. Global, 2003.