Выжигание малых актинидов в водо-водяных реакторах. 2. Использование уранового и ториевого топлив для выжигания малых актинидов, производимых многими реакторами ВВЭР

УДК: 621.039.51

В настоящее время в научно-техническом сообществе сложился консенсус по поводу решения проблемы малых актинидов (МА), образующихся при работе ядерной энергетики: МА должны быть превращены в продукты деления при выгорании в энергетических реакторах. Для этой цели, в основном, рассматриваются реакторы на быстрых нейтронах (БН, БРЕСТ), а также жидкосолевые реакторы (ЖСР). Несмотря на преимущества использования быстрых реакторов на сегодняшний день отсутствуют готовые для промышленной эксплуатации проекты энергоблоков с БН или БРЕСТ. Возможность использования для этой цели реакторов ВВЭР редко освещается в научной литературе несмотря на то, что технология легководных реакторов давно освоена и подготовить реактор-выжигатель МА на базе ВВЭР технически проще, нежели на базе опытно-промышленной технологии БН или находящихся на различных стадиях НИОКР реакторах БРЕСТ и ЖСР. В ранее опубликованной первой части работы [1] был исследован топливный цикл для реакторов ВВЭР – малые актиниды, полученные при работе реактора, извлекались из ОЯТ и добавлялись в свежее топливо для того же реактора. Выяснилось, что при реализации данного цикла и концентрации МА до 4 масс. процентов можно добиться восьмикратного сокращения количества нарабатываемых в реакторе ВВЭР малых актинидов без потери энерговыработки блока АЭС. В представленной работе с использованием идеи замыкания топливного цикла по малым актинидам исследуются связи глубины выгорания МА в реакторе ВВЭР-1200 с обогащением свежего топлива, динамикой выгружаемых тяжелых ядер и количеством МА в догружаемом топливе. Изучаются два вида догружаемого топлива с добавлением оксидов малых актинидов: на основе двуокиси обогащенного урана или смеси (1 – x)²³²ThO₂2 + x (96%UO₂) [2]. При этом количество тяжелых ядер в топливе поддерживается постоянным при изменениях количества загружаемых ядер МА, которое измеряется в количестве «обслуживаемых» реакторов ВВЭР-1200 (масса накапливаемых ядер МА составляет около 1% и ежегодно извлекается вместе с ОЯТ). Приток малых актинидов в топливо поддерживается на уровне, позволяющем иметь запас реактивности для работы реактора на мощности более 2% перед ежегодной перегрузкой топлива. Расчеты проводились на модели ТВС с разделением твэлов на несколько групп с разными глубинами выгорания топлива для имитации реальной загрузки активной зоны реактора. Такая модель позволяет уйти от влияния эффектов неравномерности энерговыделения и дать ответ о нейтронно-физических характеристиках топливного цикла с участием МА. Проведенные расчеты позволили сделать ряд существенных выводов:

по мере роста количества перегрузок наступает динамическое равновесие между загружаемыми и сжигаемыми объемами малых актинидов;
количество обслуживаемых реакторов прямо пропорционально обогащению топлива подпитки и при 20%-ном обогащении UO₂ возможно обслуживать до 23-х реакторов типа ВВЭР-1200, а при использовании топлива 80% ²³²ThO₂ +20% (96% UO₂) – 17 реакторов типа ВВЭР-1200;
при использовании МА, извлеченных из ОЯТ с глубиной выгорания 20 – 50 МВт∙сут/кг, влияние состава МА на баланс реактивности находится в пределах 4 – 5 β_эфф.

Ссылки

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
Казанский Ю.А., Кушнир Н.О., Хныкина Е.С. Многократное использование топлива на основе тория в реакторе типа ВВЭР-1000. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2022. – № 3. – С. 53 – 64. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2022.3.05
Андрианов А.А., Архангельский Н.В., Журавлев И.Б., Квятковский С.А., Птицын П.Б. Перспективные технологии утилизации малых актинидов. М.: ЦАИР. Частное учреждение «Наука и инновации», 2021. – 102 c.
Liu B, Jinsheng Han J., Liu F., Sheng J., Li Z. Minor actinide transmutation in the lead-cooled fast reactor. // Progress in Nuclear Energy. – 2020. – Vol. 119. – No. 103148. DOI: https://doi.org/10.1016/j. pnucene.2019.103148
Ashraf O., Tikhomirov G.V. Thermal-and fast-spectrum molten salt reactors for minor actinides transmutation. // Annals of Nuclear Energy. – 2020. – Vol. 148. – No. 107751. DOI: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2020.107751
Osaka M., Takano S., Yamane Y., Misawa T. On a fast reactor cycle scheme that incorporates a thoria-based minor actinide-containing cermet fuel. // Progress in Nuclear Energy. – 2008. – Vol. 50. – Iss. 2 – 6. PP. 212 – 218. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2007.11.002
Gabrieli F., Rineiski A., Vezzoni B., Maschek W., Fazio C., Salvatores M. ASTRID-like Fast Reactor Cores for Burning Plutonium and Minor Actinides. // Energy Procedia. – 2015. – Vol. 71. – PP. 130 – 139. DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.863
Карпович Г.В., Казанский Ю.А., Баханцов К.А., Исанов К.А., Кушнир Н.О. Влияние библиотек оцененных ядерных данных на результаты расчета выгорания топлива с малыми актинидами в реакторе ВВЭР. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2023. – № 2. – С. 56 – 68. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2023.2.05
Leppaanen J. PSG2/SERPENT – A Continious Energy Monte-Carlo Reactor Physics Burnup Calculation Code. User’s Manual. – Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 2015. – 164 p.
Leppaanen J., Viitanen T. Cross section libraries for Serpent 1.1.7. – Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 2013. – 58 p.

малые актиниды ядерное топливо выгорание ториевый топливный цикл реактор ВВЭР метод Монте-Карло

Ссылка для цитирования статьи: Карпович Г.В., Казанский Ю.А., Васечкин Н.Д., Баханцов К.А. Выжигание малых актинидов в водо-водяных реакторах. 2. Использование уранового и ториевого топлив для выжигания малых актинидов, производимых многими реакторами ВВЭР. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2024. – № 3. – С. 44-58. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2024.3.04 .

Открыть PDF файл