Возможность использования 231Ра и стабилизация размножающих свойств в высокотемпературном газографитовом реакторе

В работе [3.13] рассмотрен высокотемпературный реактор (ВТГР), загруженный ториевым топливом, в состав которого введен ²³¹ Ра для обеспечения продолжительной кампании топлива. Технология ВТГР с использованием инертного гелиевого теплоносителя и керамического высокотемпературного микротоплива с графитовым и керамическим покрытием, быть может как никакое другое, подходит для использования для долгоживущих активных зон.

Рассмотрена загрузка реактора с твэлами шарового типа и графитовой матрицы (рис. 3.3). Внутренняя зона шарового твэла содержит микрочастицы монокарбидного топлива с покрытием из пироуглерода (РуС) и карбида кремния (SiC), диспергированные в графитовой матрице, служащей также замедлителем.

Рис. 3.3. Схема шарового твэла и расчетной ячейки (цифры в кружках — см. данные табл. 3.6).

Монокарбидное уран-ториевое топливо было выбрано вследствие более высоких (по сравнению с оксидным) температуры плавления, плотности и теплопроводности (табл. 3.6).

Плотность энерговыделения в активной зоне принималась равной 3 МВт/м³, т. е. аналогично реактору AVR в Германии [3.14].

Различие в изменении эффективного коэффициента размножения с выгоранием для топлива, содержащего Ра и «Th, показано на рис. 3.4. Можно видеть, что если для топлива с торием коэффициент размножения с выгоранием падает, то для топлива с протактинием-231 он с выгоранием возрастает. Здесь проявляется свойство выгорающего поглотителя для топлива с ²³¹Ра.

Характеристики шарового твэла (ТМ — тяжелый металл).

Рис. 3.4. Влияние ²³¹Ра на К" при выгорании.

Для оптимизации соотношения топлива и замедлителя при высоком выгорании оценивалась зависимость коэффициента размножения от относительного содержания замедлителя и топлива (M/F) (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Влияние отношения концентраций атомов замедлителя к топливу на К*, при различных выгораниях (50%²³³U+50%^23lPa).

При этом изменялась степень заполнения шаровых твэлов частицами топлива с покрытием. При увеличении отношения M/F содержание тяжелого металла в матрице N_JM уменьшается, а содержание углерода N_c остаётся почти неизменным, так как углерод находится в покрытии частиц топлива. Оказалось, что по мере роста отношения M/F (смягчение спектра нейтронов) влияние ²³¹ Ра на снижение начальной реактивности становится сильнее, а глубина выгорания больше (см. рис. 3.5). При этом глубина выгорания достигает весьма больших значений (500−700 ГВт сут/тонна т.а.) и длительность облучения 10−15 лет и более.

В заключение нужно отметить, что в работе [3.13] рассмотрение ограничено анализом концепции активной зоны с шаровыми твэлами. Однако было бы более логичным рассмотреть другую концепцию, в которой активная зона собрана из призматических графитовых блоков с топливными компактами [3.14]. Ведь при использовании топлива со стабилизированными размножающими свойствами до очень глубоких выгораний нет необходимости обеспечивать рециклирование твэлов через активную зону.

Вопросы, связанные со сверхдлинной кампанией топлива легководного реактора типа ВВЭР, но на нитридном топливе, рассмотрены в работе [3.15].