CANDLE – японский вызов СВБР

22.12.08 16:37

Концепция выгорания CANDLE

Реакторы большой мощности, как известно, могут размещаться только в регионах с большими энергетическими потребностями и/или развитыми сетями. Для большинства развивающихся стран такие монстры, как EPR-1600 или APWR-1700, окажутся элементарно ненужными - государства третьего мира будут не в состоянии потребить вырабатываемые ими объёмы электричества.

Кроме этого, развивающиеся государства предпочли бы минимизировать все возможные хлопоты, связанные с ядерными реакторами. В идеале их устроили бы установки, которые не требуют или почти не требуют обслуживания в ходе эксплуатации, привозились бы на место поставщиками в собранном виде, а по завершению кампании возвращались бы обратно в страну-изготовитель.

В Токийском технологическом институте (TIT) группа под руководством Хироси Секимото (Hiroshi Sekimoto) изучает возможность создания свинцово-висмутовых реакторов, использующих концепцию выгорания CANDLE. Эта аббревиатура расшифровывается как Constant Axial shape of Neutron flux, nuclide number densities and power shape During Life of Energy producing reactor (постоянная аксиальная форма нейтронного потока, концентраций нуклидов и профиля энерговыделения в течение срока службы энергетического реактора).

В концепции CANDLE предусматривается, что формы распределения концентраций изотопов, потока нейтронов и энерговыделения остаются неизменными в ходе работы реактора, но при этом смещаются в аксиальном направлении с постоянной скоростью. Величина избыточной реактивности в ходе кампании не меняется, а это означает, что в реакторах с CANDLE не нужно заботиться о компенсации её изменений при выгорании.

Активная зона в концепции CANDLE будет фактически разделена на три подзоны по высоте:

• выгоревшая подзона;
• зона выгорания, где выделяется основное количество энергии;
• сырьевая зона.
  

Загружать топливо потребуется только при старте первого реактора в системе CANDLE, причём топливный материал (обогащённый уран или плутоний) понадобится только при формировании в первой загрузке зоны выгорания. Что до сырьевой зоны, то она будет содержать природный или обеднённый уран или торий.

По мере эксплуатации реактора, ядра делящихся материалов в зоне выгорания будут потребляться, а в сырьевой зоне, наоборот, накапливаться. Этим и будет обусловлено медленное перемещение зоны выгорания в аксиальном направлении (сверху вниз), как показано на Рис.1. После того, как эксплуатация первого реактора будет завершена, оставшаяся в нём зона выгорания может быть использована для зарядки второго реактора.



Рис.1. Схематическое представление "сдвигов" подзон по высоте активной зоны в ходе выгорания по концепции CANDLE.

Одним из декларируемых преимуществ концепции CANDLE японские специалисты называют достигаемое в ней сверхглубокое выгорание в открытом ЯТЦ - до 40%. При таком высоком к.п.д. использования природного урана, переработка ОЯТ и замыкание топливного цикла могут оказаться нецелесообразными. Это, в свою очередь, устранит одну из потенциальных угроз распространения ядерных материалов.

Ранее концепция CANDLE была проанализирована для больших быстрых и тепловых реакторов, однако в последнее время японские специалисты обратили свои взгляды на свинцово-висмутовые реакторы малой мощности. Реализовать стратегию CANDLE в таких установках оказалось непросто, в первую очередь, из-за большой радиальной утечки нейтронов. Однако позитивную роль здесь сыграли отличные качества свинца-висмута, в частности, тот факт, что этот материал является великолепным отражателем.

Свинцово-висмутовый реактор из Японии

Основные характеристики японского свинцово-висмутового быстрого реактора, работающего в концепции CANDLE, сведены в Табл.1.

Таблица 1. Основные характеристики японского свинцово-висмутового реактора.

Параметр	Величина
Тепловая мощность, МВт	200
Высота активной зоны, см	200
Радиус активной зоны, см	100
Толщина отражателя, см	50
Диаметр канала теплоносителя, см	0,453
Толщина оболочки, см	0,035
Толщина топливного стержня, см	1,132
Материал топлива	Уран-нитридное топливо, обогащённое по 15N
Материал оболочки	Ферритная сталь HT-9
Материал теплоносителя	Свинец-висмут (44,5%-55,5%)
Температура теплоносителя на входе в активную зону, K	600
Температура теплоносителя на выходе в активную зону, K	800
Kэфф	1,0001
Скорость выгорания, см/год	0,7
Среднее выгорание выгруженного топлива, %	40,2
Среднее выгорание выгруженного топлива, ГВт×сут/т	374,2
Кампания реактора, лет	30
Максимальная температура топлива, K	824
Максимальная температура оболочки, K	801

Топливный элемент японского свинцово-висмутового реактора выбран по типу "трубка в чехле", что позволяет легко увеличивать объёмную долю топлива в активной зоне для повышения эффективности использования нейтронов (см. Рис.2). В то же время, удельная мощность японского реактора невелика в угоду требованиям теплогидравлики.



Рис.2. Топливный элемент японского свинцово-висмутового реактора.

Выполненные в TIT комплексные нейтронно-физические и теплогидравлические расчёты показывают, что создать свинцово-висмутовый реактор, работающий в концепции выгорания CANDLE, возможно. На Рис.3 можно видеть плавное смещение профиля энерговыделения по высоте активной зоны за время кампании.

Расчётное изменение Kэфф за 30 лет работы японского реактора составит не более 0,002. Таким образом, в его конструкции не потребуются сложные системы компенсации изменения реактивности с выгоранием, и в нём невозможно появление аварии UTOP с самопроизвольным извлечением стержней регулирования. В TIT считают, что свинцово-висмутовый реактор, работающий в концепции выгорания CANDLE, является одним из перспективных реакторов четвёртого поколения.



Рис.3. Сдвиг профиля аксиального энерговыделения в центре активной зоны.

Комментарии специалиста

Проект японского свинцово-висмутового реактора, использующего концепцию выгорания CANDLE, прокомментировал российский специалист, работающий над схожими проблемами.

– Без сомнения, CANDLE - это красивая физическая идея, где очень хорошо разработаны нейтронно-физические процессы. Высокий профессиональный уровень в этой области команды профессора Секимото и TIT общеизвестен.

Но стоит добавить, что предлагаемая японскими специалистами концепция проработана не полностью, и сейчас рано судить о её практической реализуемости.

Что сразу обращает на себя внимание? В концепции не рассмотрен так называемый стартовый участок, то есть, режим выхода в равновесное состояние реактора. На первом этапе эксплуатации в активную зону придётся поместить или обогащённый уран, или плутоний. При этом, запас реактивности окажется больше, чем доллар, со всеми вытекающими из этого проблемами.

Второй момент, который хотелось бы отметить. Чтобы реактор работал так долго, как предлагается в концепции CANDLE (кампания не менее 30 лет), потребуется длинная активная зона (в японском проекте высота составляет 200 см при радиусе 100 см). Но это очень невыгодно для циркуляции теплоносителя.

Не будем забывать, что свинец-висмут - тяжёлый теплоноситель, требующий определённых расходов на прокачку. Длинная активная зона будет означать повышенное гидравлическое сопротивление и приведёт к росту мощности насосов.

Для получения хороших нейтронно-физических характеристик, в проекте используется нитрид урана, обогащённый по 15N. Но на сегодняшний день, нет промышленности, способной изготавливать такое топливо. Следовательно, мы не можем сейчас предсказать, какой окажется цена топлива, и насколько она повлияет - в худшую сторону! - на технико-экономические показатели проекта. А ведь при обсуждении возможности коммерческого использования технологий вопросы экономического плана становятся едва ли не главными.

Большая длина активной зоны также скажется на экономике проекта отрицательно. Длинная активная зона повлечёт за собой увеличение общей длины корпуса реактора. Появятся "лишние" объёмы дорогостоящего теплоносителя, лишние металлоконструкции, и так далее.

Следующий момент, вызывающий немало вопросов. Каким образом предполагается достигать столь высоких глубин выгорания (до 40%) при использовании плотного топлива? Известно, что для выгораний на уровне 10% в топливе следует предусмотреть до 10% пустого объёма, пористости. Что же тогда останется от топлива, если мы собираемся достигать выгорания 40%?

Добавлю, что на сегодняшний день нет понимания, выдержит ли сталь, используемая в качестве конструкционных материалов топливных сборок, те величины смещений на атом (сна), которые будут сопутствовать столь глубокому выгоранию.

В рассматриваемом проекте свинцово-висмутового реактора предложена обратная схема тепловыделяющей сборки - топливо располагается не внутри, а снаружи трубки. Значит, в конструкции сборки необходимо предусматривать верхние и нижние крышки с вваренными в них трубками. Возникнет разница температур конструкционных материалов и разность температурных удлинений, и потребуется введение узлов компенсации - например, сильфонов. Это, в свою очередь, снизит надёжность всей конструкции сборки и создаст угрозу её разгерметизации в ходе эксплуатации.

Таким образом, без инженерных проработок и дополнительных исследований, сегодня трудно судить о перспективности концепции свинцово-висмутового реактора, работающего по схеме "СВЕЧА". Хотя, с эстетической точки зрения, она выглядит очень красиво.

И в заключение добавлю, что "СВЕЧА" - не единственная концепция подобного рода. В отечественной практике за такими реакторами закрепилось неформальное название "реакторы-самоеды". Общей отличительной чертой самоедов является то, что после начального периода, где используется обогащённый уран или плутоний, они переходят на работу с подпиткой природным или обеднённым ураном. Для самоедов не нужны внешние мощности по замыканию ЯТЦ - новое топливо они нарабатывают и потребляют самостоятельно.

По материалам AtomInfo.Ru

Материалы по теме:

О российском проекте СВБР-100

Читайте также: