 |
||
|
Трансмутация по-японски - гетерогенный вариант AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 15.07.2019 У Японии нет актуальных планов по строительству быстрых натриевых реакторов (по крайней мере, пока нет), но японские специалисты продолжают теоретические проработки в этом направлении. Один из докладов, сделанных на международной конференции во Франции в мае 2019 года, был посвящён нейтронно-физическому анализу концепции быстрого натриевого реактора с MOX-топливом с частичной загрузкой металлического топлива из младших актинидов (гетерогенная трансмутация). Авторы доклада - Kazuya Ohgama (JAEA) и др. Расчётная модель Разработка технологий извлечения и трансмутации младших актинидов - один из исследовательских проектов, включённых в национальную программу Японии по снижению нагрузки на экологию. Для целей трансмутации миноров авторы доклада предложили рассмотреть комбинированный вариант. Трансмутация производится в быстром натриевом реакторе с MOX-топливом, так как по данному виду топлива у Японии имеется практический опыт работы (JOYO, "Monju"). А вот материал для трансмутации (миноры) загружается в активную зону в виде металлического топлива как более привлекательного для решения задачи по выжиганию. Переработку ОЯТ авторы предлагают обычную, водную. Для получения металлического топлива предлагается задействовать пирохимические методы. В качестве металлического топлива в докладе выбран достаточно распространённый вариант U-Pu-Zr. Расчётная модель была разработана на основе расчётной модели реактора JSFR мошностью 750 МВт(э). Рассматривались два варианта - с гетерогенной трансмутацией миноров и, для сравнения, с гомогенной трансмутацией (добавка 3% миноров в MOX-топливо). В расчётах использовалась одна из трансурановых топливных композиций, предлагавшихся для проекта JSFR, причём выбрана была композиция с максимальной концентрацией младших актинидов. Она соответствует выделенной из ОЯТ LWR (топливо UO2) с глубиной выгорания 45-49 ГВт×сут/т и 40-летней выдержкой после выгрузки. Характеристики реактора JSFR  Активная зона  Топливная композиция  Условия трансмутации Для того, чтобы гетерогенная трансмутация стала максимально эффективной, необходимо использовать топливо с как можно большим содержанием миноров. Проблема в том, что в концепции, рассматриваемой в докладе, предлагается использовать трансурановую смесь - то есть, плутоний и миноры. Хотя авторы прямо это не объяснили, но очевидно, что это вызвано требованием применения методов переработки ОЯТ, при которых не выделяется чистый плутоний. Во взятой для расчётов топливной композиции (см. таблицу выше) содержание младших актинидов менее 20%, и это состав с максимальным из возможных их содержанием! Поэтому авторы выбрали вариант топливного цикла с "подкачкой" америцием и кюрием, выделяемыми в процессе изготовления MOX-топлива из ОЯТ LWR. Следует отметить, что в выбранном цикле в составе MOX-топлива гомогенным образом присутствует нептуний, так как он не отделяется от урана и плутония при переработке ОЯТ LWR. Топливный цикл (слева гетерогенный, справа гомогенный).  Как было показано в японской работе Кураты и др. в 1992 году, существуют ограничения (с точки зрения возможностей изготовления) на содержание младших актинидов в металлическом топливе. В данном докладе верхний предел отношения концентрации младших актинидов к концентрации плутония был выбран равным 1,0. Кроме того, концентрация редкоземельных элементов, остающихся с минорами при пирохимической переработке, была принята равной 1% по весу. Для расчётного анализа потребовалось также учесть различия в конструкции MOX-твэлов и металлических твэлов. Например, в MOX-твэле JSFR газовый объём располагается ниже нижнего бланкета. В металлическом топливе газовый объём обычно организуют в верхней части твэла, так как объём между топливными таблетками и оболочками заполняется натриевым подслоем для улучшения теплофизических характеристик. В данном докладе использовался упрощённый вариант металлического топлива без натриевого подслоя и с газовым объёмом ниже топлива (как у MOX-твэлов). Аксиальное расширение металлического топлива было учтено следующим образом. Активная высота свежего металлического топлива составила 92,6 см, что при облучении даёт высоту 100 см - такую же, как и у MOX-твэлов. На самом деле, величина аксиального расширения зависит от конструкции твэла и условий облучения, поэтому авторы доклада установили величину 8% волевым порядком, исходя из имеющихся данных по этой проблематике. Из конструкции металлического твэла в рамках исследований был удалён нижний бланкет как контрмера для аварий с повреждением активной зоны. Предел по удельной мощности металлического топлива был задан равным 300 Вт/см. Структура топлива.  Нейтронно-физические расчёты проводились в R-Z геометрии по диффузионной программе CITATION. Использовалось 70 энергетических групп. Исходные данные для сечений брались из библиотеки JENDL-4.0, для свёртки констант применялась ячеечная программа SLAROM-UF. Расчёты выгорания проводились для первых 10 кампаний, десятая кампания принималась за равновесную, и на её конец вычислялись пустотный эффект реактивности и Допплер-коэффициенты. Результаты расчётов На первом этапе, говорится в докладе, были выполнены вариантные расчёты с целью определить оптимальную зону для загрузки металлического топлива с младшими актинидами. При этом контролировалось соответствие основным проектным ограничениям - на пустотный эффект, на удельную мощность, и так далее. Наиболее оптимальными, с точки зрения трансмутации младших актинидов, получились варианты, в которых кассеты с металлическим топливом ставились вблизи границы зон обогащения (в расчётах использовались две зоны - ЗМО и ЗБО), причём не было найдено принципиальных отличий между вариантами с загрузкой таких кассет в пределах ЗМО и в пределах ЗБО. Однако обескураживающим получился другой результат. Эффективность трансмутации предложенным гетерогенным способом оказалась ниже эффективности обыкновенной гомогенной трансмутации. Так, если в гомогенном случае для данной концепции можно достичь скорости трансмутации 54 кг/(ГВт×год), то даже в лучших вариантах гетерогенной трансмутации её скорость не превышала 51-52 кг/(ГВт×год). Все результаты даны с учётом 45-суточных остановов между кампаниями. Авторы доклада обратили внимание, что появление металлического топлива на внешней границе активной зоны (рядом с радиальным бланкетом) благотворно сказывается на пустотном эффекте (максимально допустимое значение в расчётах 6 долларов) - он уменьшается. Поэтому во второй серии расчётов была поставлена задача найти вариант, максимизирующий загрузку младших актинидов так, чтобы основные нейтронно-физические характеристики (пустотный эффект, Допплер, изменение реактивности с выгоранием, и так далее) были как можно более близкими к характеристикам варианта с гомогенной трансмутацией. Такой вариант подобрать удалось. В нём загрузка младших актинидов увеличилась примерно вдвое по сравнению с гомогенным вариантом, скорость их трансмутации в процентах упала, но в абсолютном выражении значительно выросла по сравнению с гомогенным вариантом - до 89 кг/(ГВт×год). Полученный результат авторы доклада не комментируют, ограничившись общим замечанием о том, что это "практическая концепция" с точки зрения нейтроники. По абсолютным величинам сожжённых миноров вариант, конечно, весьма выгоден, но при нём в топливном цикле будут вхолостую прокручиваться значительно большие объёмы миноров по сравнению с гомогенной трансмутацией. Кроме реакторных расчётов, докладчики также остановились на сравнении спектров нейтронов и сечений в разных типах топлива. Спектр в зоне с металлическим топливом более жёсткий, чем в зонах с MOX-топливом (что вполне ожидаемо). А сравнение одногрупповых сечений показало, что одногрупповое сечение захвата на 241Am в зоне с металлом значительно меньше, что и объясняет более низкие скорости трансмутации в гетерогенном варианте. Ключевые слова: Быстрые натриевые реакторы, Младшие актиниды, Япония, Статьи Другие новости: ТВЭЛ поставил в Китай топливо для CEFR Изготовитель - Электросталь. МАГАТЭ выпустило технический документ по запасам тория В том числе, представлена классификация месторождений по геолого-экономическим критериям. Плавучий энергоблок "Академик Ломоносов" передан заказчику - завод Начало перегона в Певек запланировано на 23 августа 2019 года". |
Герой дня 
Янко Янев: надо быть прагматичным реалистом Прежде всего, я рассматриваю перспективы нашей отрасли с точки зрения наличия компетентности и знаний. Во-вторых, нужно учитывать, существует ли политическое понимание того, что такое атомная энергетика, и знают ли правительства, что им нужно делать, чтобы быть ответственными хозяевами ядерно-энергетического комплекса. ИНТЕРВЬЮ
Йордан Йорданов МНЕНИЕ
SinoAtom.Ru 
|