SPARK-NC – малый свинцово-висмутовый из Китая

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.

Активная зона SPARK-NC.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Параметры активной зоны.
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.

Зависимость kэфф от времени.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Расчётные параметры активной зоны.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Радиальные коэффициенты неравномерности энерговыделения
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.

Переходной процесс с изменением мощности от 100% до 50%.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Переходные процессы для различных манёвренных режимов.
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

SinoAtom © 2017-2019 Frontier Theme