Гетерогенные эффекты при моделировании быстрого энергетического реактора на стенде БФС

24.06.2019 2019 - №02 Физика и техника ядерных реакторов

Ю.А. Казанский Г.В. Карпович

https://doi.org/10.26583/npe.2019.2.09

Моделирование реакторов на быстрых нейтронах для сопоставления экспериментальных и расчетных данных по нейтронно-физическим характеристикам проводят на стендах нулевой мощности. Расположение материалов в реальной конструкции реакторов (тепловыделяющих элементов и сборок, геометрии теплоносителя) отличаются от моделируемой. Отличия нейтронно-физических параметров, обусловленные геометрией расположения материалов при одних и тех же гомогенных концентрациях, называют гетерогенным эффектом.

Оценки гетерогенных эффектов для ряда функционалов рассчитывались при различных пространственных композициях материалов реактора для а) гетерогенного размещения в соответствии с конструкцией реактора на быстрых нейтронах; б) гетерогенного расположения в соответствии с возможностями и конструктивными особенностями стенда БФС; в) гомогенного представления материалов активной зоны и зон воспроизводства.

Основным вариантом расчетов, относительно которого вычислялся эффект, названный гетерогенным смещением значения функционала (ГСФ), принята компоновка материалов в соответствии с проектными данными реактора типа БН-1200. Проведена оценка влияния на ГСФ утечки нейтронов в результате расчетов с различными граничными условиями, а также проведены расчеты при использовании на стенде металлического плутония. При различных компоновках материалов рассчитаны значения эффективного коэффициента размножения (запаса реактивности), натриевого пустотного эффекта реактивности, средней энергии нейтронов, вызывающих деление ядер, и значений отношений сечения радиационного захвата к сечению деления для 239Pu. Расчеты выполнены с использованием программного комплекса Serpent 2.1.30 (VTT, Финляндия) и библиотек оцененных ядерных данных ENDF/B-VII.0 и JEFF-3.1.1.

Влияние различных способов размещения материалов на значения kэфф оказалось наибольшим при замене двуокиси делящегося материала на металл тех же материалов (около 1,6%). Гомогенная композиция снижает значение kэфф примерно на 0,4%.

Средняя энергия делящих нейтронов заметно зависит от утечки нейтронов и наличия натрия. Замена на БФС делящихся металлических материалов на их двуокиси может снизить среднюю энергию делящих нейтронов примерно на 60 кэВ. Наибольшее значение ГСФ (до 65%) наблюдается при расчете НПЭР при гомогенном расположении материалов, но при расчете модели на БФС равняется 1,5%. При отсутствии утечки нейтронов (бесконечно-протяженная среда) НПЭР становится положительным и ГСФ составляет 4 – 7%.

Гетерогенный эффект значений α для 239Pu заметно зависит только от замены металлического плутония его двуокисью (при сохранении гомогенных концентраций).

Ссылки

1. Lell R.M., Morman J.A., Schaefer R.W., McKnight R.D. ZPR-6 assembly 7 experiments: a fast reactor core with mixed (Pu,U)-oxide fuel and sodium with a thick depleted uranium reflector. ZPR-LMFR-EXP-001. International Handbook of Evaluated Reactor Physics Benchmark Experiments, NEA OECD, 2013.
2. Ishikawa M., McKnight R.D. ZPPR-10A experiment: a 650 MWe-class sodium-cooled MOX-fueled FBR homogeneous core mock-up critical experiment with two enrichment zones and nineteen control rod positions. ZPPR-LMFR-EXP-001. International Handbook of Evaluated Reactor Physics Benchmark Experiments, NEA OECD, 2013.
3. Rozhikhin Yu., Semenov M., BFS-61 assemblies: critical experiments of mixed plutonium, depleted uranium, graphite and lead with different reflectors. BFS1-LMFR-EXP-002. International Handbook of Evaluated Reactor Physics Benchmark Experiments, NEA-OECD, 2013.
4. Лейпунский А.И., Орлов В.В., Казанский Ю.А., Зиновьев В.П., Украинцев Ф.И., Шапарь А.В., Клинцов Н.А. Комплекс БФС-1 – миктротрон для изучения спектров нейтронов быстрых реакторов. // Атомная энергия. – 1974. – Т. 36. – Вып. 1. – С. 3-5.
5. Bouget Y., Hammer P., Periot R., Kazansky Yu., Etude d’interaction de barre dans les assemblages critiques BFS-24-16 (Obninsk) et MASURKA (Kadarache). – Fast Reactor Physics, (IAEA), 1980. – PP. 21-38.
6. Bickel W., Engelmann P., Wittek G. Sicherheitsbericht fьr die schnelle null-energieanordnung Karlsruhe SNEAK. – Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1965. – 353 p.
7. Hirota J, Nomoto S, Hirakawa N, Nakano M. Studies of the criticality of 20% enriched uranium fast critical assemblies (FCA-I). // Nuclear Science and Technology. – 1969. – Vol. 6. – PP. 35-42.
8. Rowlands J., Zukeran A. The ZEBRA MOZART Programme. ZEBRA-LMFR-EXP-002. International Handbook of Evaluated Reactor Physics Benchmark Experiments, NEA OECD, 2013.
9. Kusters H., Pilati S. The present accuracy of physics characteristics of unirradiated fast reactor cores. // Progress in Nuclear Energy. – 1985. – Vol. 16. – No. 3. – PP. 201-229.
10. Le Sage L.G., Lineberry M.J., McFarlane H.F. Current status of fast reactor physics reactivity coefficients. // Progress in Nuclear Energy. – 1985. – Vol. 16. – No. 3. – PP. 231-250.
11. Бедняков С.М., Голубев Б.Н., Дулин В.А., Козловцев В.Г., Мамонтов В.Ф. Экспериментальное обоснование методов оценки возмущений критичности быстрых сборок малыми образцами. // Атомная энергия. – 1988. – Т. 65. – Вып. 6. – С. 426-430.
12. Белов С.П., Дулин В.А., Жуков А.В., Кузин Е.Н., Можаев Е.К., Ситников Н.И., Цибуля А.М., Шапарь А.Н., Зайферт Э., Кунцман Б., Хайнцельман Б. Эффекты малой гетерогенности быстрых критических сборок. // Атомная энергия. – 1989. – Т. 66. – Вып. 1. – С. 13-17.
13. Leppaanen J. Serpent – a Continuous-Energy Monte Carlo Reactor Physics Burnup Calculation Code. User’s Manual. – VTT Technical Research Centre of Finland, 2015.
14. Leppaanen J., Viitanen T., Cross section libraries for Serpent 1.1.7., Espoo. – VTT Technical Research Centre of Finland, 2013. – 58 p.
15. Орлов В.В., Смирнов В.С., Филин А.И. Детерминистическая безопасность реакторов БРЕСТ. // Энергия, экономика, техника, экология. – 2003. – № 10. – С. 13-20.
16. Хаммел Г., Окрент Д. Коэффициенты реактивности в больших энергетических реакторах на быстрых нейтронах. – М.: Атомиздат, 1975. – С. 69-106.
17. Электронный ресурс: https://www.ippe.ru/nuclear-power/fast-neutron-reactors/122-bn1200-reactor (дата доступа 21.05.2019).
18. Электронный ресурс:http://www.innov-rosatom.ru/files/articles/b4589ee208b5b20af9c07c28921d4891.pdf (дата доступа 21.05.2019).

гетерогенность моделирование ядерных реакторов критические стенды реактор на быстрых нейтронах БН натриевый пустотный эффект реактивности нейтронно-физический расчет Монте-Карло

Ссылка для цитирования статьи: Казанский Ю.А., Карпович Г.В. Гетерогенные эффекты при моделировании быстрого энергетического реактора на стенде БФС. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2019. – № 2. – С. 105-116. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2019.2.09 .