Выжигание малых актинидов в водо-водяных реакторах. 1. Многократная рециркуляция малых актинидов на примере одного реактора ВВЭР

23.09.2021 2021 - №03 Топливный цикл и радиоактивные отходы

Ю.А. Казанский Г.В. Карпович

https://doi.org/10.26583/npe.2021.3.05

Исследуются возможности и условия сжигания в водо-водяном реакторе собственных накапливаемых малых актинидов (МА). Использовалась простейшая расчётная модель – бесконечно протяженная среда с распределением и составом всех материалов тепловыделяющей сборки активной зоны реактора, аналогичного ВВЭР-1200, с двуокисью урана с начальным обогащением 4,95% по 235U. Модель выжигания была представлена в виде итераций, каждая из которых моделирует топливную кампанию длительностью четыре года без перегрузок топлива. На старте цикла в специальные твэлы загружаются малые актиниды, извлекаемые из переработанного ОЯТ реактора ВВЭР-1200. После окончания топливной кампании все МА извлекаются из ОЯТ и используются в новой итерации.

В результате расчётов выяснилось, что масса МА в цикле после трёх – семи итераций (в зависимости от количества выделенных твэлов для размещения и накопления МА) стремится к равновесному состоянию (независимо от добавки МА каждые четыре года). Иными словами, выделенные твэлы для загрузки МА играют роль своего рода печи, в которую в каждой итерации загружаются МА из предыдущей итерации, накопленные в данном реакторе. После нескольких итераций превращенная в осколки деления сжигаемая масса МА сравнивается с поступающей. Включение МА указанным способом в топливный цикл превращает минимум 86% МА в осколки деления без ущерба энерговыработке АЭС. Важно, что МА выгружаются из реактора временно после очередной итерации с целью освобождения от осколков деления и для добавления новой порции МА. После прекращения работы реактора выгружается в хранилище около16% от всего количества наработанных МА за всю историю жизни реактора. Начальный состав топливной композиции в избранных для загрузки МА твэлах отличается от остальных только количеством МА и массой 238U. Используемая в работе упрощенная расчётная модель (без ежегодных перегрузок реактора) повлияла на глубину выгорания и, естественно, на длительность работы – значение k∞ < 1становится через 1056 суток вместо реальных 1460 суток с ежегодными перегрузками топлива. Это повлияло на средний состав топлива и, следовательно, на спектр нейтронов, и могло повлиять на основной результат работы – количество выжигаемых МА в разных итерациях. Дополнительные расчёты с учетом ежегодных перегрузок реактора показали, что изменение спектрального состава слабо сказалось на количестве МА в конце топливной кампании (в пределах 2%).Оказалось, что замещение 238U малыми актинидами в твэлах, количество которых менее десяти приводит к потере реактивности. При количестве твэлов для загрузки МА более десяти происходит увеличение реактивности, что позволяет надеяться на выжигание МА, накопленных в нескольких реакторах.

Ссылки

1. Колобашкин В.В. Рубцов П.М., Ружанский П.А., Сидоренко В.Д. Радиационные характеристики облученного ядерного топлива. Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 382 с.
2. Use of Fast Reactors for Actinides Transmutation. / Proceedings of the Specialists Meeting held in Obninsk, Russian Federation, Oct. 22-24, 1992. IAEA-TECDOC-693, – IAEA, 1993. – 128 p.
3. Shmelev A.N., Kulikov G.G., Apse V.A., Glebov V.B., Tsurikov D.F., Morozov A.G. Radiowaste Transmutation in Nuclear Reactors. IAEA-TECHDOC-693. – IAEA, 1993. – PP. 77-86.
4. Казанский Ю.А., Дудкин А.Н., Клинов Д.А. Временное поведение активности отходов ядерной энергетики при различных сценариях использования топлива. // Сборник научных трудов кафедры РКР «Методы и средства моделирования физических процессов в ядерно-энергетических установках». – Обнинск: ИАТЭ, 1993. – 114 с.
5. Казанский Ю.А., Дудкин А.Н., Клинов Д.А. Трансмутация: мода или необходимость? / / Известия вузов. Ядерная энергетика. – 1993. – № 1. – С. 6569.
6. Слесарев И.С., Сальваторес М., Уематсу М. Возможность трансмутации в существующих и перспективных ядерных энергетических системах. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 1994. – № 1. – С. 22-29.
7. Адамов Е.О., Ганев И.Х., Лопаткин А.Н., Муратов В.Г., Орлов В.В. Степень приближения к радиационной эквивалентности высокоактивных отходов и природного урана в топливном цикле ядерной энергетики. // Атомная энергия. – 1996. – Т. 81. – Вып. 6. – С. 403-409.
8. Казанский Ю.А., Клинов Д.А. Эффективность трансмутации осколков деления. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2000. – № 4. – С. 38-46.
9. Ганев И.Х., Лопаткин А.И., Орлов В.В. Гомогенная трансмутация Am, Cm, Np в активной зоне реактора типа БРЕСТ. // Атомная энергия. – 2000. – Т. 89. – Вып. 5. – С. 355-361.
10. Ганев И.Х., Лопаткин А.И., Орлов В.В. Гетерогенная трансмутация Am, Cm, Np в активной зоне реактора типа БРЕСТ. // Атомная энергия. – 2000. – Т. 89. – Вып. 5. – С. 362-365.
11. Бергельсон Б.Р., Герасимов А.С., Тихомиров Г.В. Трансмутация долгоживущих актинидов в энергетических реакторах. // Атомная энергия. – 2003. – Т. 95. – Вып. 4. – С. 295-301.
12. Бергельсон Б.Р., Белоног В.В., Герасимов А.С., Тихомиров Г.В. Утилизация Np, Am, Cm в энергетическом реакторе. // Атомная энергия. – 2009. – Т. 107. – Вып. 2. – С. 82-86.
13. Хорасанов Г.Л., Блохин А.И. Выжигание младших актинидов в жестких нейтронных спектрах. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2013. – № 3. – C. 96-103; DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2013.3.12 .
14. Казанский Ю.А., Романов М.И. Трансмутация малых актинидов в спектре реактора на тепловых нейтронах. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2014. – № 2. – С.140-148; DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2014.2.15
15. Wenchao Hu, Bin Liu, Xiaoping Ouyang, Jing Tu, Fang Liu, Liming Huang, Juan Fu, Haiyan Meng. Minor actinide transmutation on PWR burnable poison rods. // Annals of Nuclear Energy. – 2005. – No. 77. – PP. 74-82; DOI: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2014.10.036 .
16. Казанский Ю.А., Иванов Н.В., Романов М.И. Результаты трансмутации малых актинидов в спектре нейтронов реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2016. – № 2. – С. 77-84.
17. Washington J., King J. Optimization of plutonium and minor actinide transmutation in an AP1000 fuel assembly via a genetic search algorithm. // Nuclear Engineering and Design. – 2017. – No. 311. – PP.199-212; DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2016.11.030 .
18. Иванов Н.В., Казанский Ю.А., Карпович Г.В. Результаты трансмутации осколков деления в спектре нейтронов теплового и быстрого реакторов. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2017. – № 2. – С. 118-125; DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2017.2.11 .
19. Wenchao Hu, Jianping Jing, Jinsheng Bi, Chuanqi Zhao, Bin Liu, Xiaoping Ouyang. Minor actinides transmutation on pressurized water reactor burnable poison rods. // Annals of Nuclear Energy. – 2017. – No. 110. – PP. 222-229; DOI: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2017.06.039 .
20. Коробейников В.В., Колесов В.В., Каражелевская Ю.Б., Терехова А.М. Исследования возможности выжигания и трансмутации 241Аm в реакторе с америциевым топливом. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2019. – № 2. – С. 153-163; DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2019.2.13 .
21. Faghihi F., Roosta F., Ghaemi S. Bagheri S. Core designing of the newly proposed (U+Gd)O2 FAs in the VVERs core and comparison with current UO2 FAs // Alexandria Engineering Journal. – 2019. – No. 58. – PP. 647-658; DOI: https://doi.org/10.1016/j.aej.2019.03.010 .
22. Leppaanen J. SERPENT – a Continuous Energy Monte Carlo Reactor Physics Burnup Calculation Code. User’s Manual. – Espoo. VTT Technical Research Centre of Finland, 2015. – 164 p.
23. Leppaanen J., Viitanen T., Cross Section Libraries for SERPENT 1.1.7. – Espoo. VTT Technical Research Centre of Finland, 2013. – 58 p.

ВВЭР малые актиниды нептуний америций кюрий трансмутация ядерное топливо выгорание замкнутый ядерный топливный цикл

Ссылка для цитирования статьи: Казанский Ю.А., Карпович Г.В. Выжигание малых актинидов в водо-водяных реакторах. 1. Многократная рециркуляция малых актинидов на примере одного реактора ВВЭР. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2021. – № 3. – С. 58-71. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2021.3.05 .