Сторінка 41 з 88
8.7 КОЕФІЦІЄНТ ВІДТВОРЕННЯ, Надмірна
КОЕФІЦІЄНТ відтворення І ЧАС Подвоєння
Унікальною властивістю ядерного палива, що виробляє ядерну енергію при розподілі або синтезі, є його відтворюваність або здатність до розширеного відтворення, при якому проводиться паливо в кількості, що перевищує його споживання. Так, вдосконалене ядерне паливо, тобто (U, Pu) O2. (U, Pu) C, (U, Pu) N або (U, Pu) (CN), при використанні в LMFBR може виробляти більше вторинного ядерного палива, ніж його споживається в реакторі.
При теоретичному вивченні процесу бридинга особливий інтерес представляють коефіцієнт відтворення (КВ) і період подвоєння Т2. Коефіцієнт відтворення (КВ) визначається наступним чином:
(8.12)
де КВ більше одиниці. У циклі зі змішаним уран-плутонієвим паливом або переробленим плутонієвим паливом відношення кількості утворилися нуклідів (239 Pu) до кількості вигорілого нуклідів (235 U або 239 Pu) в основному більше одиниці в швидкому реакторах типу LMFBR. Сировинним матеріалом в паливному циклі зазвичай служить збіднений 238 U. Перевищення коефіцієнта відтворення над одиницею, тобто надлишкове число нуклідів, напрацьованих на один згорілий, називається надлишковим коефіцієнтом відтворення (ІКВ):
ИКВ = КВ-1. (8.13)
Чим більше коефіцієнт відтворення, тим вище надлишковий коефіцієнт відтворення. У своїй простій формі період подвоєння визначається як час, необхідне швидкого реактора для виробництва надлишкового пального в кількості М, необхідному для первинного завантаження реактора. Нехай прн роботі швидкого реактора на середньому рівні потужності Р споживання палива або швидкість вигоряння на один мегават теплової потужності [МВт (т.)] В добу становить W р Тоді реактор споживає ділиться паливо в середньому зі швидкістю WP г на добу (в реакторах на 235 UW приблизно дорівнює одному граму на мегават на добу або 1 г / [МВт (т.) на добу]. При вигорянні W г палива тільки Wj (\ + а) зазнає поділ,
де а - частка паразитного захоплення нейтронів в що діляться матеріалі (oc / Of). Тому лінійне час подвоєння Т2, необхідну для надлишкового виробництва М г подільного матеріалу в реакторі, складе:
(8.14)
При необхідних масштабах ядерних потужностей короткі часи подвоєння надлишкового ядерного палива можна отримати при високих КВ і ИКВ, а також високих питомих енергонапряженності палива Р / М (потужності з одиниці маси ядерного матеріалу, що поділяється в активній зоні реактора). Значення КВ і ИКВ обмежена в основному щільністю нуклідів і конструкцією активної зони для обраного виду палива. Збільшення енергонапряженності палива Р / М дозволяє знизити кількість ділиться матеріалу в паливному циклі.
Таким чином, використання в ядерній енергетиці уран-плутонієвого паливного циклу або циклу з переробленим Pu створює передумови для виробництва енергії і вторинного ядерного палива.
- Оптимізація часу подвоєння LMFBR з карбідним паливом і натрієвих подслоем. Мета розробки удосконаленого палива для LMFBR на основі (U, Pu) O2. (U, Pu) C, (U, Pu) N і (U, Pu) (CN) складається в:
- розробці двухцелевой енергетичних реакторних систем бридерів;
- досягненні необхідного рівня коефіцієнта відтворення, короткого часу подвоєння і високого вигоряння палива.
Орієнтація проектів вдосконалених паливних елементів на змішане оксидне уран-плутонієве паливо створює передумови для швидкого впровадження LMFBR в ядерну енергетику. Перехід в LMFBR наступного покоління на ущільнені карбідне (U, Pu) С і нітридне (U, Pu) N палива дозволить істотно підвищити показники бридинга через кращих ядерних, теплофізичних і радіаційних характеристик цих видів палив в порівнянні зі змішаним оксидним паливом.
Розробка вдосконаленого карбідного і нітридних палив для комерційних жидкометаллических швидких реакторів дозволить отримати економічний джерело ядерної енергії і високий коефіцієнт відтворення (або надлишковий коефіцієнт відтворення) для виробництва матеріалів, що діляться в кількості, що забезпечує необхідні темпи зростання ядерної енергетики. Значна кількість теоретичних і експериментальних робіт сконцентровано на змішаному КАРБІДНИЙ паливі.
Для обраного карбідного палива час подвоєння залежить в основному від питомої енергонапряженності Р / М, яка в свою чергу визначається об'ємною часткою паливних елементів або діаметром твелів, максимальної лінійної потужністю, матеріалом подслоя і т.д. Розглянемо оптимізацію часу подвоєння LMFBR теплової потужністю 5000 МВт з карбідним паливом з натрієвих подслоем.
Мал. 8.15. Залежність часу подвоєння системи від об'ємної частки палива в LMFBR потужністю 5000 МВт (т.) (Карбідне паливо з натрієвих подслоем): О - 820Вт / см; # 9633; - 984 Вт / см; Д- 1148Вт / см
Мал. 8.16. Залежність часу подвоєння системи від діаметра твелів і максимальної лінійної потужності твелів для LMFBR потужністю 5000 МВт (т.) (Карбідне паливо з натрієвих подслоем):
Конструкція паливного елемента, його охолодження і компоновка тепловиділяючої збірки в цілому вивчалися з точки зору збільшення брідінгових характеристик LMFBR. Час опромінення твелів в реакторі приймалося рівним 600 ефективним діб [29].
Показано, що оптимум Т2 знаходиться в діапазоні 8-9 років. Оптимальна частка палива лежить в діапазоні 33-36%, діаметр твелів 0,884, 0,915 і 1,016 см відповідно для максимальних лінійних потужностей 820, 984 і 1148 Вт / см. На рис. 8.15 показані розрахункова залежність часу подвоєння системи від об'ємної частки палива в LMFBR потужністю 5000 МВт (т.) З паливом з змішаного моно карбіду з натрієвих подслоем. На рис. 8.16 приведена залежність часу подвоєння системи від діаметра твелів і лінійної потужності зазначеного реактора.
Для стримування деформації паливних елементів перспективних LMFBR, яка відбувається через розпухання таблеток під опроміненням (бамбукообразная і реброобразная деформація), були досліджені різні механізми дистанціювання: загратоване дистанціювання, дротова спіральна навивка і тонкі дистанціонуючі трубки. Вибір способу стримування деформації твелів багато в чому визначає конструкцію паливної збірки, а також конструкцію активної зони в цілому. Дійсно, в конструкції паливних збірок виникає значна різниця через вибору способу дистанціювання. При розгляді конструкцій LMFBR з карбідним паливом об'ємна частка дистанціонуючих пристроїв становить 0,5-0,25% при гратчастому дистанціювання і 0,69-0,35% при дротовому дистанціювання.
Мал. 8.17. Залежність часу подвоєння від лінійної потужності твелів для LMFBR потужністю 3800 МВт (т.) (Карбідне паливо з гелієвим подслоем):
1 - 591 Вт / см; 2 - 755 Вт / см; 3 - 984 Вт / см; щільність палива 78% теоретичної щільності; товщина драйвера 91,44 см; максимальний флюенс швидких нейтронів 3,6-10 23 нейтр. / см 2
Мал. 8.18. Залежність часу подвоєння системи від середньої питомої енергонапряженності для LMFBR потужністю 3800 МВт (т.) На КАРБІДНИЙ паливі з гелієвим подслоем:
7-591 Вт / см; 2 - 755 Вт / см; 3 - 984 Вт / см. Вихідна інформація, як і на рис. 8.17
Отже, діапазон діаметрів твелів, лінійні потужності і конструкцію паливної збірки можна визначити за умови, що об'ємна частка дистанціонуючих пристроїв знаходиться в межах заданих обмежень. При вивченні можливості використання тонкостінних перфорованих дистанціонуючих трубок була показана перспективність цього напрямку.
- Оптимізація часу подвоєння LMBFR з карбідним паливом з Ні-подслоем. Оптимізація часу подвоєння системи також проводилася для LMFBR потужністю 3800 МВт з карбідним паливом і гелієвим подслоем. Було розраховано час подвоєння системи з урахуванням теплогідравлічних характеристик збірок з твельной структурою [30]. На рис. 8.17 представлена залежність часу подвоєння системи від діаметра твелів і лінійної потужності для LMFBR з карбідним паливом в твелах з газовим подслоем. На рис. 8.18 приведена залежність Т2 від середньої питомої енергонапряженності зазначеного реактора. З рис. 8.17 видно, що оптимальний час подвоєння складає 12-14 років для діаметрів твелів 8-9,5 мм. На рис. 8.18 оптимальне Т2 становить 12-13 років для середньої енергонапряженності 80 120 кВт / кг (U-Pu) і лінійної потужності твелів 591, 755. 984 Вт / см відповідно. Видно, що при великій питомій енергонапряженності і лінійної потужності Т2 зменшується при збереженні конструкції активної зони.