Конверсия HFIR на НОУ сталкивается с техническими сложностями

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.

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.

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