Физико-технические особенности реализации долгоживущих активных зон

Техническая осуществимость глубокого выгорания топлива

Возникает вопрос: насколько технически осуществимо глубокое выгорание топлива? Как отмечалось ранее, известны твэлы, в которых глубина выгорания виброуплотненного оксидного топлива достигает 32%т.а. [3.2]. В расчетной модели было предположено, что используется оксидное топливо плотностью 9.6 г/см³.

В качестве конструкционного материала предусматривается использовать не цирконий (что типично для твэлов тепловых реакторов), а нержавеющую сталь, которая применялась и применяется в качестве оболочки твэлов быстрых реакторов [3.2]. Такая замена конструкционного материала оказалась возможной благодаря лучшему балансу нейтронов нового топлива.

В рассматриваемом топливе в существенном количестве присутствует «Ра. При работе реактора часть его превращается в U, который является стартовым нуклидом для цепочки радиоактивных распадов, заканчивающейся стабильным ²⁽⁾⁸РЬ. Эта цепочка включает шесть а-распадов, в результате которых в топливе накапливается гелий. Если гелий составит значительную добавку к газообразным продуктам деления, то это усложнит проблему сохранения целостности оболочки твэла вследствие роста давления. В оценках предполагалось, что большую часть газообразных продуктов деления составляют изотопы инертных газов (ксенон, криптон), а также гелий и тритий, образующийся при тройном делении.

Расчеты по программе SCALE-4.3 [3.3] дали следующее содержание гелия, образовавшегося в результате а-распадов, в отношении к суммарному количеству газообразных продуктов деления: для варианта, когда свежее топливо содержит 30% ²³¹ Ра, «гелиевая» добавка составляет 96% при выгорании 31%т.а., а при начальном содержании ²³¹ Ра в 71% она составляет 242% при выгорании 60% т.а. Видно, что для сохранения целостности оболочки твэла при глубоком и сверхглубоком выгорании топлива, эта проблема может оказаться существенной. Поэтому, для достижения таких выгораний можно периодически применять технологию типа DUPIC [3.9] с тем, чтобы удалять из топлива газообразные вещества и продолжать работу реактора.

При работе реактора конструкционный материал подвергается воздействию нейтронного поля, которое способно нарушать структуру его кристаллической решетки. Это приводит к ухудшению прочностных свойств конструкционного материала и, как следствие, к его разрушению. Величина повреждающей дозы, или число смещений каждого атома (СНА) конструкционного материала за время облучения — СНА (7), оценивалось по формуле:

где — микросечение смещения, определяющее накопление повреждающей дозы, усредненное по энергетическому спектру нейтронов; Ф — интегральная по энергии плотность потока нейтронов; Т — период кампании топлива.

Анализ показал, что для вариантов с глубоким выгоранием усредненное по спектру нейтронов сечение накопления повреждающей дозы и величина плотности нейтронного потока изменяются таким образом, что скорость набора СНА в процессе облучения остается достаточно стабильной. Это является основанием применения приближенной формулы для оценки величины СНА (7).

В настоящее время существует точка зрения, что максимально допустимое число смещений атомов для некоторых марок сталей, используемых в качестве конструкционного материала, до потери ими прочностных свойств может составить -180 [ЗЛО]. Если исходить из этого предположения, то топливо с глубиной выгорания до 31% т.а. может быть использовано без обновления оболочек твэлов (табл. 3.4). Согласно работе [3.11], стальные твэлы способны выдерживать флюенс нейтронов с энергией больше 0.1 МэВ до величены 4−10²³ н/см². Оценки показали, что в рассматриваемых вариантах флюенс высокоэнергетичных нейтронов даже при максимальной глубине выгорания топлива (60% т.а.) составляет меньшую величину (табл. 3.4). Однако при необходимости можно воспользоваться термомеханической технологией типа DUPIC для обновления оболочки твэла и продолжения облучения.

Таблица 3.4.

Нейтронно-физические характеристики, определяющие накопление повреждающей дозы в нержавеющей стали.

Вид топлива.		Диоксид (23lPa,233U,232Th).			Диоксид урана.
Состав свежего топлива, %.		0 4 96	30 19 51	71 29 0	4.4% 235U 95.6% 238U.
Выгорание, % т.а.		3.6.			4.2.
Плотность потока /=о нейтронов, 1014 н/см2-с t=T		2.90 3.94	2.89 3.32	2.49 6.01	2.65 4.16
СНА (Т).		6.5.			7.9.
Флюенс нейтронов, 1023 н/см2, ??" > 0.1 МэВ.		0.12.	1.14.	3.01.	0.13.