?

Log in

No account? Create an account

Fri, Mar. 2nd, 2018, 06:10 pm
Сегодня загружаем активную зону атомного реактора

Сегодня загружаем активную зону атомного реактора

    В комментарии к какому-то моему комментарию один из моих друзей написал, что он был уверен, что схема загрузки активной зоны реактора ВВЭР ядерным топливом заранее известна, рассчитана и оптимизирована. Сегодня расскажу, как это делается на практике.


   Я как раз сейчас готовлю отчет по предстоящей загрузке одного из наших блоков и все нужные программы у меня как раз под рукой. Итак, что нам заранее известно? Заранее нам известно, как должно быть расставлено топливо в активной зоне в общих чертах, начерно. Вот такая картинка является для нас отправной точкой для нашей работы.


    Здесь в каждой ячейке показан сверху тип топливной сборки (первая буква – вариант изготовления, две цифры – основное обогащение, далее признак оснащенности выгорающими поглотителями), а снизу – год работы сборки в активной зоне. Как видим, в реактор загружается 67 свежих сборок, они в большинстве своем используются две топливные кампании подряд, а некоторые, а именно 30 штук, остаются еще и на третью кампанию.

    Эта картинка, у нас называется картограмма, определяет для нас следующие вещи: места, где должны стоять свежие сборки и типы этих сборок; где должны стоят сборки второго и третьего года. Но это ограничение уже не столь строгое, а уж типы сборок второго и третьего годов работы и вовсе не фиксированы – какие мы оставим, те и будем расставлять по этим местам.

    Приступим же к формированию загрузки. Вот картограмма загрузки предыдущей кампании до перегрузки.

    Как видим, сборки второго и третьего года стояли немного не так, как предписывает нам образец, приведенный в начале. Но это допустимо, с помощью этого решались некоторые частные проблемы предыдущей кампании.

    Сначала надо выгрузить из реактора те сборки, которые мы не собираемся больше использовать. Это, конечно, во первых, те сборки, которые отработали уже по три кампании, во вторых на третью кампанию не допускаются сборки типа C44Z4 (ограничение завода-изготовителя), и, если останутся, сборки с самым высоким выгоранием (это значение показано на картограмме внизу). Программное средство, которое мы используем, не допускает пустых мест на картограмме, поэтому мы будем ставить на место выгружаемых сборок свежие. Как видно из рисунка 1 нам понадобится 24 сборки типа C49G6, 25 сборок типа C49Z4, и 18 сборок типа C44Z4 .

    Как видно из того же рисунка, сборки эти размещены симметрично. На картограмме можно выделить 6 одинаковых секторов, топливо в которых расположено одинаково. Поддержание такой симметрии сильно облегчает работу физика на АЭС, хотя догмой тоже не является. Итак, в первую очередь выгружаем сборки, отработавшие 3 кампании и сборки типа C44Z4. (Далее буду приводить количество сборок в секторе). Таких сборок ровно восемь, пять штук отработали 3 кампании и 3 – имеют неподходящий тип. 6 из них расположены симметрично, а две – одиночки. Но именно так размещаются свежие сборки типов C49G6 и C49Z4. Одну сборку последнего типа поставим в центр, заменив сборку очень низкого обогащения, которая там стояла в предыдущей кампании. Получаем такую картину.

    Осталось загрузить 18 сборок типа C44Z4 (3 штуки в секторе). Куда же их поставить? Вернее, правильный вопрос, какие сборки выгрузить? Ищем сборки с максимальным выгоранием. Делаем замену.


    Все свежее топливо пристроено в зону, самые отстойные сборки выгружены. Но, понятное дело, это еще не конец работы, ведь свежее топливо расставлено не так, как надо. Сперва поставим на свои места сборки типа C49G6 – они должны стоять симметрично. Для этого в нашей программе имеется возможность менять сборки местами – прямо с помощью компьютерной мышки. И если задать симметрию перестановок 60 градусов, меняться местами буду сразу шесть пар сборок.


    Потом поставим на свои мести и остальные свежие сборки.


    Чего еще не хватает? Конечно, топливо второго и, особенно, третьего года стоит не так. Поставим же сборки третьего года на свои места. При этом будем стараться сделать так. чтобы самые выгоревшие сборки оказались в «уголках» активной зоны – в самых крайних позициях внешнего ряда сборок каждого сектора.


    Вот, здесь подсвечены эти «уголки». Уф, работа закончена!

    Для очистки совести надо бы проверить (расчетным путем) характеристики этой новой загрузки. Для этого выведем на картограмму один из важных параметров – относительную мощность сборок и проведем расчет.


    Относительная мощность – 1.38. А допустимо 1.45. Ура, мы проходим! (Опытный глаз, конечно, сразу заметит неладное, но пойдем последовательным путем). Относительная мощность – коэффициент Kq в просторечье - не единственный параметр, который нам надо удерживать в рамочках. Да и расчет сделан только для начала кампании.

    Вот как выглядит картограмма загрузки, будучи раскрашенной в соответствии со значениями Kq.


    Запустим расчет посложнее. Будет рассчитано выгорание всей кампании, в том числе коэффициент Kq, температурный коэффициент реактивности по теплоносителю в начале кампании при всех извлеченных стержнях (коротко называемый ТКРом), эффективность регулирующей группы управляющих стержней и неравномерность мощности отдельных твэлов по всей активной зоне – так называемый коэффициент Kr. Посмотрим, что у нас получилось.

    Во первых Kq – оно сперва снижается, а потом, к середине кампании вырастает до 1.42 и снова снижается. Вот так


   Но формально – в допустимых пределах. ТКР – вон он там в окошке с параметрами, отрицателен - -0.24. Это тоже допустимо. Эффективность группы – (здесь ее не видно, она в другой распечатке) – от 0.74 до 0.80. Это тоже допустимо, можно иметь от 0.69 до 0.92. Измеряется она, кстати, в процентах реактивности.

    А вот коэффициент Kr подкачал – 1.60. А можно – не более 1.54. Придется с этим бороться.

    Кстати, такой хороший результат – 4 параметра из 5, удовлетворяющих требованиям при первой же попытке сложить загрузку – не случаен. Это результат того, что мы сразу расставили топливо в соответствии с картограммой на первом рисунке. Если бы мы ставили его абы как, методом проб и ошибок, мы бы не смогли удовлетворить ни одному из этих простых критериев. Эту картограмму разработал Научный Руководитель Проекта, а именно Курчатовский институт. Им за это и спасибо. Отклонения от этой картограммы допустимы, но делать их надо осторожно-осторожно. Не от того, что реактор взорвется, а от того, что чтобы сложить загрузку, вам придется очень и очень изрядно помучиться.

    Но что же делать с Kr-ом? Внимательно рассмотрев распечатку, видим. Что максимальный Кр достигается в сборке номер 82. Этот номер присвоен самой центральной сборке. И действительно, в ней и Kq самый большой. (А Kr, по секрету вам скажу, есть произведение этого самого Kq на коэффициент Kk, который в данном случае невелик). Может, постараться как-то уменьшить Kq в центральной ячейке? А как это сделать? Тут нам на помощь придет еще один расчетный параметр – коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде, рассчитываемый для каждой сборки. Выведем его на картограмму.

    Здесь я поставил kq наверх, а внизу этот самый коэффициент размножения. Чем он больше, тем сборка «свежее», производит больше нейтронов и лучше «горит». Вот, например, вокруг свежей центральной сборки стоят довольно «свеженькие» сборки с коэффициентом 1.02. Уберем их подальше, а вместо них поставим другие, «постарше».


    Вроде получше, но Kr все равно превышает… Вернем все назад.

    У нас получается, что мощные, высокообогащенные сборки с коэффициентом размножения 1.20 почти не горят на краю зоны, а «дохлые» сборки с коэффициентом 0.99 в середине горят, и очень даже хорошо.


    Предположим, что виной всему сборки, выделенные желтым маркером на картограмме. Может быть, они создают дефицит размножающих свойств на периферии? Переставим их симметричненько ближе к центру, а на их место какие-нибудь другие.


    Вот эту загрузку уже можно обсчитывать дальше. Хорошие запасы по всем коэффициентам (эффективность группы – от 0.72 до 0.75).

    Счету там еще довольно много, и тоже могут попасться параметры, не удовлетворяющие критериям. Тогда надо будет вернуться к только что описанному мною этапу и придумать, что еще переставить, чтобы параметр этот изменить и ввести в нужные рамки.

     Но и так видно, что каждая загрузка, в общем-то, индивидуальна, даже при наличии такой замечательной исходной картограммы. А уж если у вас вышла из строя кака-то сборка, и ее нужно заменить чем-то другим... Но тут Шахерезада прекращает дозволенные речи...

Sat, Mar. 3rd, 2018 08:35 am (UTC)
victor_chapaev

Это у вас устаревшая информация. Если на периферию ставить старые ТВС, то получается сразу несколько ништяков: удлинняется кампания и снижается флюенс на корпус -это сразу в плюс. В общем, позволяет это делать выгорающий поглотитель. Он снижает К бесконечное свежей сборки и по мере выгорания высвобождает запас реактивности. Поэтому в центре зоны ставят кассеты с большим количеством гадолиния. На картограмме это тип CxxZ4 - в этих кассетах 24 твэга с 8 процентным гадолинием. А в G6 - там шесть и с пятипроцентным. ТТО зависит от способа перегрузки - бывает полная выгрузка для осмотра корпуса - там 163 раза переставить из аз в бв и 163 из бв в аз. А если по цепочкам переставлять, то тоже сравнимо

Sat, Mar. 3rd, 2018 08:38 am (UTC)
tnenergy

Интересно, спасибо. А вот еще вопрос - вы проект перегрузки делаете сильно заранее и заказываете под него комплект топлива, или делаете, скажем, за год исходя из некого "стандартного" пакета разных ТВС?

Sat, Mar. 3rd, 2018 08:42 am (UTC)
victor_chapaev

Вообще-то заказывае за год. Обычно общие схемы бывают выбранымна несколько кампаний вперед, за месяц до ППР готовим окончательный отчет, как вот счас. Ну а что во время перегрузки случиться может, тут в каждом случае отдельная история.

Wed, Mar. 7th, 2018 10:20 am (UTC)
tnenergy

А вот еще вопрос: насколько я понимаю, пусковая зона набирается ТВС с нестандартными обогащениями, частично имитируя устоявшийся режим. Но когда-то я услышал, что пуск ВВЭР в первый год "сжирает" в 1,5 раза больше урана, чем потом работа в цикле (которая где-то 180-200 тонн в год, в зависимости от того, как хвосты жмут).

Насколько это верно? Я привык во всяких расчетах потребления урана накидывать 100 тонн на запуск, но может я совершенно неправ?

Wed, Mar. 7th, 2018 11:14 am (UTC)
victor_chapaev

В первой загрузке действительно часть (большая) ТВС пониженного обогащения. Они действительно имитируют выгоревшие ТВС.
В тоннах урана мы не считаем. Какой уран вы имеете в виду, смесь изотопов или только 235? Могу высказать только соображение, что если считать единовременную загрузку топлива, то в "цикле" загружается, грубо говоря, треть ТВС, а в первую загрузку - 163, то есть как бы в три раза больше. Умножить это на пониженное обогащение (если уран 235) вот и выйдет, что в полтора раза больше его загружают. Но "сгорать" урана 235 должно столько же - выработанная энергия пропорциональна количеству поделившихся ядер.

Wed, Mar. 7th, 2018 12:08 pm (UTC)
tnenergy

>Но "сгорать" урана 235 должно столько же - выработанная энергия пропорциональна количеству поделившихся ядер.

Я понимаю. Но может быть такое, что стартовая зона будет выгружаться "недогоревшей"?

Wed, Mar. 7th, 2018 12:17 pm (UTC)
victor_chapaev

Да нет. В первую перегрузку выгружаются ТВС самого низкого обогащения, типа 1.3% или 1.5%. Им и положено одну кампанию работать и выгорание иметь низкое. Во вторую перегрузку - более обогащенные - порядка 3%. Им тоже столько положено работать. А в третью перегрузку выгружаются те, которые в первой загрузке имитировали свежие ТВС цикла. Ну они и отработали три кампании.

Thu, Mar. 8th, 2018 08:36 am (UTC)
tnenergy

Ок, т.е. можно считать расход природного урана в эти 180-200 тонн каждый год включая пусковой, спасибо.

Thu, Mar. 8th, 2018 02:35 pm (UTC)
victor_chapaev

Все таки я не понял, какой уран имеется в виду

Thu, Mar. 8th, 2018 05:00 pm (UTC)
tnenergy

С природным содержанием U235.

Mon, Apr. 23rd, 2018 02:48 pm (UTC)
energo_2000

насколько я понимаю, гадолиний выгорает, поглощая нейтроны. А не рассматривалось ли какое-то полезное использование этих нейтронов? Типа того, чтобы вместо гадолиния засунуть другое вещество, с теми же подобранными характеристиками выгорания, но в результате получать полезный продукт?
Скажем трансмутация ненужных элементов (РАО), либо наоборот, наработка полезных?

Mon, Apr. 23rd, 2018 07:04 pm (UTC)
victor_chapaev

У нас промышленное предприятие. На втором месте - экономическая эффективность (на первом - безопасность, конечно). Реактор "заточен" на выработку пара для турбины. Если ему придавать дополнительные функции, эффективность снизится - универсальные устройства менее эффективны, чем специализированные. Вопросы, вами поднятые, рассматриваются и изучаются, но на других реакторах. Для примера, чтобы трансмутировать РАО, нужно их как-то в реактор засунуть, появятся дополнительные каналы, полости, пустоты, а там у нас топливо должно стоять. Короче, нейтроны у нас есть, но мы их никому не даем :))

Tue, Apr. 24th, 2018 03:36 am (UTC)
energo_2000

да про экономические характеристики как раз то понятно.
смысл в том, что нейтроны вы не даёте, но в гадолинии они так или иначе используются бесполезно. Если вместо именно гадолиния установить другое вещество-поглотитель, то эти нейтроны полезно погибнут, выполнив работу.
В любом случае, спасибо за ответ и в целом за ваш этот цикл лекций )

Thu, Apr. 26th, 2018 02:38 pm (UTC)
victor_chapaev

Гадолиний, как поглотитель, обладает некоторыми специфическими свойствами, дающими возможность сильно улучшить работу ядерного топлива. Он выбирался из большого количества претендентов. Есть еще единицы таких веществ, которые экономичны и дают похожие преимущества для топливного цикла. Если же в топливо подмешивать что-то другое, топливный цикл станет хуже. Да и достать из топлива наработанные ништяки будет крайне сложно. Овчинка выделки не стоит