Замыкание топливного цикла – одна из основных задач, поставленных перед китайскими атомщиками. Об этом было сказано на завершившейся недавно в Китае крупной конференции, посвящённой вопросам развития атомной энергетики (прошла в дистанционном формате).
Магистральным реакторным направлением в китайском ЗЯТЦ остаются быстрые натриевые аппараты. Однако и ТЖМТ-направление в Китае не списывают со счетов, хотя отводят ему (пока?) место в малой энергетике.
В 2020 году группа авторов из корпорации CNNC и китайских университетов опубликовала в журнале «Energies» статью с описанием концептуального проекта реактора SPARK-NC – малого, на естественной циркуляции, с теплоносителем свинец-висмут, работающего в режиме слежения за нагрузкой аппарата.
Название статьи – «SPARK-NC: A Lead-Bismuth-Cooled Small Modular Fast Reactor with Natural Circulation and Load Following Capabilities». Авторы –Muhammad Hashim и др. Полный текст статьи опубликован в открытом доступе.
Основные параметры
Номинальная электрическая мощность реактора SPARK-NC составляет 10 МВт(э). В манёвренном режиме мощность может меняться в пределах 5-10 МВт(э).
Длина кампании – 8 эффективных лет. Топливо – диоксид урана UO2. Максимальное обогащение – 19,75%, что обеспечивает компактность активной зоны при сохранении возможностей для экспорта.
Материал оболочек твэлов – нержавеющая сталь T91, обладающая высокой стойкостью к коррозии при работе в свинцово-висмутовом теплоносителе. Проектные максимальные значения температуры оболочек – 500°C в стационарном состоянии и 650°C в переходных режимах.
Входная температура теплоносителя – 330°C. Проектная максимальная температура в центре топлива – 2000°C.
Максимальная скорость теплоносителя в активной зоне составляет 1 м/с, что позволяет не допускать эрозии конструкционных материалов.
Активная зона реактора SPARK-NC собирается из восьми типов кассет. В том числе, три типа ТВС (отличаются обогащением, шагом расстановки твэлов, диаметром твэла), два типа регулирующих сборок, по одному типу – сборки аварийной защиты, отражатель и биологическая защита.
Кассеты расставлены по треугольной решётке, шаг расстановки достаточно большой для обеспечения естественной циркуляции. В верхней части кассет имеется газовый объём для сбора газообразных продуктов деления.
Система управления и защиты разделена на две независимые системы – система регулирования (управления) и система аварийной защиты. Первая система разбита на две подсистемы – подсистема контроля реактивности и выравнивания поля энерговыделения и подсистема управления мощностью (веса стержней меньше, чем у первой подсистемы).
В конструкции кассет аварийной защиты предусмотрено наличие балласта из вольфрама с покрытием из B4C. Такое решение обеспечивает надёжность ввода стержней с поглотителями в свинцово-висмутовую зону при срабатывании АЗ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
Некоторые результаты
Для нейтронно-физических расчётов реактора SPARK-NC использовался код SARAX, разработанный в Китае – он позволяет вычислять основные параметры, включая выгорание нуклидов и параметры кинетики. Константы брались из файла ENDF/B-VII.0.
Для теплогидравлических и динамических расчётов использовались входящие в состав SARAX коды LAVENDER и DAISY.
Результаты расчётов kэфф (без учёта контроля реактивности движением регулирующих стержней!) показаны на графике ниже. Видно, что активная зона обладает достаточным запасом реактивности для работы на протяжении 8 эффективных лет.
Потеря реактивности с выгоранием составляет за кампанию примерно 2%. Максимальная глубина выгорания – 27,9 ГВт×сут/т. За кампанию выгорит примерно 107,5 урана-235 и 63 кг урана-238 и накопится 51,5 кг плутония-239.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
для различных состояний реактора.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
Из других расчётных результатов, приведенных в статье, интерес вызывают графики, демонстрирующие работу реактора в манёвренном режиме.
Так, для снижения мощности реактора на 50% в расчётах моделировалось введение стержнями СУЗ отрицательной реактивности -0,08$ на срок 15 секунд.
Снижение мощности после ввода отрицательной реактивности приводит к подключению механизма отрицательных обратных связей, работающего на возвращение реактивности к нулевому значению (стационарному состоянию).
Мощность в данном переходном процессе стабилизируется на уровне 50% примерно за 10 минут, чуть позже к нулевому значению вернётся реактивность.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
Хотя на графиках работа в манёвренном режиме выглядит достижимой, авторы задаются вопросом, насколько сложной для операторов получится работа по «тонкой настройке позиций органов СУЗ для введения малой реактивности».
Скептицизм (возможно, оправданный) авторов привёл их к выводу о том, что более практичным решением станет изменение входной температуры теплоносителя.
По расчётам авторов, на всём протяжении кампании подъём входной температуры примерно на 37°C приведёт к снижению мощности реактора со 100% до 50% (к сожалению, графики для данного переходного процесса в статье отсутствуют).
«Регулировка температуры теплоносителя на входе в активную зону – достаточно простая задача, которая потребует простого изменения массового расхода воды в парогенераторе», – полагают авторы.
Задачи для будущих работ
Авторский коллектив, работающий над концептуальным проектом SPARK-NC, намерен в дальнейшем выполнить оценки механических характеристик и целостности твэлов и конструкционных материалов при работе в режиме слежения за мощностью.
Кроме того, к изучению запланированы долговременные эффекты коррозии оболочек и конструкционных материалов в условиях высоких температур и облучения.
ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru