Многозонный реактор

Если реактор загружен однородным топливом, т.е. его обогащение e постоянно, то распределение объемной плотности энерговыделенияq (где q=Ф*S_f= Ф* N_Ue₅s_f) будет совпадать с Ф(r,z). Размерностью величины q являются единицы Вт/см³ =кВт/л=МВт/ м³.

Введем коэффициент неравномерности энерговыделения

К_v = q₀/q_{среднее},

где q₀.- плотность энерговыделения в максимально напряженной точке. Максимально допустимое значение q₀ лимитируется целым набором технологических параметров (таких как температура в центре ТВЭЛа, пределы прочности и температура оболочки, запас до кипения и т.п.). Получается, что в какой-то точке реактора топливо, оболочки и теплоноситель работают в предельном режиме, а в остальных они очень сильно недогружены. Коэффициент К_vможно разделить на радиальный и аксиальный К_v=К_rK_z.

В однородном цилиндрическом реакторе аналитическое значение К_v равно 3.64, то есть средняя и максимальная плотности энерговыделения различаются в 3.6 раза! Такой реактор даже приблизительно нельзя признать оптимальным. Чтобы найти путь снижения неравномерности изобразим радиальный профиль энерговыделения (или потока) графически (рис. 2.5.).

Для топлива с обогащением, допустим, 1.6 %, кривая потока будет соответствовать линии «А». Линия «А» - это линия максимально допустимых значений Ф_о и q₀. Точки кривой «А» нигде не превысят значений q₀. Попробуем изобразить здесь же кривые для более высоких обогащений, например 2.4 и 3.0%. Видно, что в области 0<r<r₀ для кривых «В» и «С» технологические пределы по топливу превышены и их использование в этой области недопустимо. Однако видно также, что в области r₀<r<r₁ применение обогащения 2.4% вполне оправданно и явно улучшает коэффициент неравномерности. Также понятно, что в области r₁<r<R целесообразно использование топлива 3.0% и это тоже улучшает К_V.

q

q0

R

r1

r0

A (1,6%)

B (2,4%)

C (3,0%)

Рис. 2.5. Радиальные профили энерговыделения в реакторе с разным обогащением

Таким образом, отталкиваясь от понятия неравномерности можно принципиально указать путь организации оптимальной первой топливной загрузки с помощью профилирования обогащением. Собственно, именно так она и организована.

На основе тех же соображений можно наметить основные направления перегрузки топлива при частичных перегрузках через 300-400 сут. работы. Ясно, что вследствие выгорания топлива, его обогащение будет снижаться, пусть примерно на 1% за год. Тогда в топливе центральной части остаточное обогащение будет 0.6%, это топливо надо выгружать. В топливе средней части остаточное обогащение будет 1.4%, его можно будет использовать, перегрузив в центр. Топливо с периферии будет иметь остаточное обогащение 2.0, его можно использовать, перегрузив в середину. Ну а в периферийную часть нужно загрузить свежее топливо подпитки из хранилища, лучше, как минимум,обогащением 3.0 или чуть выше, например -3.6%. Постепенно увеличивая обогащение топлива подпитки при сохранении указанной схемы перегрузки, реактор выводится на равновесный топливный цикл в котором топливом подпитки будет топливо обогащением4.4% или 5.0% (а в будущем и 6.0).

Как видно, даже на основе столь простых соображений можно принципиально сконструировать концепцию первой и последующих топливных загрузок. Разумеется, для точного планирования загрузки необходимы более аккуратные и детальные расчеты, но это уже вопрос потребной точности.