В Соединённых Штатах с 2006 года ведётся подготовка к конверсии активной зоны высокопоточного исследовательского реактора HFIR на низкообогащённое урановое топливо. О текущем состоянии этой работы и сложностях, возникших при перепроектировании РУ, коллектив специалистов из национальной лаборатории Окриджа (ORNL) рассказал на международном конгрессе RERTR-2008.
Исследовательский реактор HFIR был впервые выведен на критику 1 августа 1965 года. Его главным предназначением являлось производство 252Cf и других трансурановых элементов. В центральной зоне топливных элементов HFIR предусмотрена нейтронная ловушка, позволяющая создавать потоки тепловых нейтронов порядка 2×1015 н/(см2×с). Дополнительные экспериментальные каналы установлены в бериллиевом отражателе, где величины потоков составляют 1×1015 н/(см2×с).
Мощность реактора HFIR в настоящее время составляет 85 МВт(тепловых). На реакторе был установлен мировой рекорд по концентрации холодных нейтронов в экспериментальных каналах, и этот аппарат активно используется американскими исследователями.
Топливные элементы
Реактор HFIR интересен не только своими уникальными характеристиками, но и необычной конструкцией топливного элемента.
В топливном элементе HFIR толщина топливного слоя внутри пластины варьируется. Одновременно варьируется толщина слоя выгорающего поглотителя так, чтобы суммарная толщина топлива и ВП оставалась неизменной. При смене топлива с ВОУ на НОУ композиция топливного элемента должна претерпеть лишь минимальные модификации, чтобы новая активная зона как можно меньше "удалялась" бы от исходного проекта.
Рис.1. Конструкция топливного элемента в реакторе HFIR
Предварительные расчёты показывают, что загрузка по урану в конвертированную активную зону HFIR существенно увеличится. Так, масса 235U поднимется с 9,4 кг до 25 кг, а общая масса урана - с 10,1 кг до 125 кг.
Столь сильное изменение массы загружаемого урана потребовало тщательного перерасчёта нейтронно-физических характеристик активной зоны. Для этого была использована связка метода Монте-Карло с программой расчёта выгорания - код ALEPH/MCNP-V.
Для валидации кода использовались сохранившиеся с 1965 года описания двух критических экспериментов на HFIR, а также данные по кампаниям реактора в период с апреля по май 2004 года (длина кампании в тот момент составляла 24,33 суток).
Настройка расчётных инструментов не вызвала у американцев больших сложностей. Неприятность, однако, поджидала их при анализе конвертированной активной зоны. Для сохранения параметров нейтронного потока в экспериментальных устройствах потребовалось предусмотреть увеличение тепловой мощности установки с 85 до 100 МВт.
Исходному уровню мощности соответствовала загрузка 18 кг 235U. Как выяснилось, эта точка находилась на конце линейного участка зависимости реактивности от массы топливного изотопа. При дальнейшем наращивании массы, необходимом для обеспечения работы с повышенной мощностью, "включились" эффекты блокировки, что потребовало ещё большего увеличения топливной загрузки - иными словами, к ещё большему расходу 235U при эксплуатации реактора.
Рис.2. Эффект блокировки в конвертированной активной зоне HFIR
Теплогидравлика
Теплогидравлические расчёты реактора HFIR выполнялись американцами при помощи специализированного одномерного кода, написанного для моделирования уникальной конструкции топливных элементов этого аппарата.
Результаты первых же расчётов показали, что в геометрию топливных элементов потребуется внести значимые изменения. Увеличившаяся загрузка по урану привела к выходу за пределы безопасной эксплуатации - в первую очередь, по запасу до кипения.
Нарушения пределов в HFIR определяются локальным всплеском тепловых нейтронов, наблюдающимся у границы зоны и отражателя. Чтобы избежать этого, команда проектантов предложила ввести профилирование по толщине топливных элементов.
На нижних (нижних, потому что поток теплоносителя проходит через активную зону сверху вниз) 2 см высоты зоны толщину уранового слоя предлагается уменьшить. Кроме того, в этом регионе придётся отказаться от варьирования толщин слоёв топлива и ВП, сделав их постоянными.
Дальнейшие расчёты показали, что для низа активной зоны потребуется иметь набор топливных элементов с различными толщинами топливных слоёв, чтобы обеспечить плавный, а не скачкообразный переход от основной части активной зоны к её граничным участкам. Это существенно осложнит технологические процессы изготовления топлива для HFIR, так как потребуется производство топливных элементов с различными спецификациями.
Работы по созданию активной зоны HFIR на низкообогащённом уране продолжаются. Участники преследуют благие цели - внести свой вклад в уменьшение общего количества высокообогащённого урана, потребляемого вне военных секторов народного хозяйства, и вывести из числа пользователей ВОУ ещё один исследовательский реактор.
Однако, как демонстрируют перечисленные выше проблемы, конверсия активных зон исследовательских реакторов может оказаться трудоёмким и непростым занятием, так как переход на НОУ существенно меняет характеристики установки. Для уникальных аппаратов со сложной конструкцией - таких, как HFIR - конверсия приведёт к росту затрат на обслуживание реакторов (урановая составляющая, расходы на изготовление топлива и т.п.).
При этом, нужно помнить, что конверсии подвергаются реакторы, большинство из которых было построено почти полвека тому назад, по другим нормативным документам и при другом отношении к культуре безопасности.
ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru
ДАТА: 03.05.2009
Темы: Исследовательские реакторы, США
