Выгорание ядерного топлива

 

Работа ЯР сопровождается многими физическими процессами, влияющими на его энергетические возможности и маневренные качества. Главные из них – выгорание и воспроизводство топ­лива, шлакование, стационарное и нестационарное отравление 135Хе и 149Sm. На работу ЯР существенное влияние оказывает температура различных компонентов активной зоны и ее изме­нения.

 

Ядерное топливо – материал, содержащий делящиеся и, как правило, воспроизводящиеся (сырьевые) нуклиды и обеспечиваю­щий протекание ЦР в ЯР. В природе сохранился один делящийся нуклид, 235U – изотоп урана. Искусственно получают в количе­стве, достаточном для осуществления ЦР, нуклид 239Pu – изотоп плутония. В незначительных количествах в ЯР образуются деля­щиеся изотопы плутония 241Pu, 243Pu, а в специальных уста­новках – изотопы калифорния Cf и др. Природный уран состоит из делящегося нуклида 235U (~ 0,7 %) и ядерного сырья 238U (~99,3%). Массовое (атомарное) содержание изотопа 235U в уране, выраженное в процентах, называют обогащением:

 

х = (mU235/mu)×100% » (NU235/NU)×100%, (3.1)

 

где mU235, mu и NU235, NU – масса и концентрация 235U и при­родного урана соответственно. Поступающий на обогатительный завод природный уран с xо= 0,711 % превращается в обогащен­ный с повышенным содержанием 235U (1 % < x < 90 %) и отваль­ный уран с пониженным содержанием 235U (xотв < 0,2–0,3 %). Соотношение между массами природного урана mu и обогащен­ного mU235 имеет вид:

 

. (3.2)

 

Минимальное обогащение топлива в быстром ЯР с 235U состав­ляет » 15 %, а с 239Ри и 233U ~ 10 %.

Выгорание ядерного топлива – это процесс превращения ядер делящегося нуклида в ядра других, неделящихся нуклидов вслед­ствие деления и радиационного захвата нейтронов.

Количество разделившегося 235U за время t (сут) работы на мощности N (МВт), т. е. при энерговыработке Qк ~ Nt (МВт×сут),

 

mдeл = 1,05Nt = I,05Qк г, (3.3)

 

где 1,05 – масса урана (г), который необходимо разделить, чтобы получить энергию 1 МВт×сут; для 239Pu 1,07 г (МВт×сут).

Количество образовавшегося 236U вследствие радиационного захвата нейтронов в 235U при работе ЯР на мощности N (МВт) в течение времени t (сут)

 

г,

 

где – параметр, зависящий от энергии нейтронов, взаимо­действующих с топливом.

Количество выгоревшего (т.е. разделившегося, и претерпевшего радиационный захват 235U при работе ЯР на мощности N (МВт) в течение времени t (сут) при энерговыработке Qк (МВт×сут)

 

г, (3.4)

 

В ЯР на тепловых нейтронах для 235U α = 0,17 и

 

mвыг = 1,23Nt г. (3.5)

 

Если выражать мощность в мегаваттах, а время работы в часах, то для 235U получим

 

г, (3.6)

 

где 0,051 – удельный расход топлива, г/(МВт×ч); Qк – энерговы­работка, МВт×ч;

Скорость выгорания прямо пропорциональна мощности ЯР. Например, для 235U

 

г/ч. (3.7)

 

Если в качестве топлива используется природный или обога­щенный уран, то при работе ЯР на мощности кроме основного изотопа 235U частично делится также 238U, что учитывается коэф­фициентом размножения на быстрых нейтронах μ.

Кроме того, часть энергии деления ядра уносится за пределы активной зоны вместе с нейтронами и g-излучением. Если учесть эту потерю коэффициентом ηа.з. и деление 238U коэф­фициентом μ, то в общем случае количество выгоревшего 235U при работе ЯР на мощности N (МВт) в течение времени t (сут)

 

г. (3.8)

 

mвыгPu = 0,063N (МВт) t (ч) = 1,52N (МВт) t (сут) г. (3.9)

 

Один из важнейших показателей экономичности ЯР (ЯЭУ и АЭС в целом) – глубина выгорания топлива. Чаще всего среднюю глубину выгорания определяют как количество энергии, полу­ченной с единицы массы топлива, загруженного в ЯР, за время его пребывания в активной зоне. Это есть удельное энерговы­деление.

Если ЯР с загрузкой mтоп (кг) выработал N (МВт)× t (сут) = Qк (МВт×сут) энергии, то глубина выгорания

 

МВт×сут/кг (3.10)

 

Иногда mтоп выражают в тоннах, а – в мегаватт-сутках на тонну (МВт×сут/т).

Для металлического урана В составляет 3–3,5 МВт×сут/кг, а для его соединений может быть значительно больше. В совре­менных ВВЭР с обогащением 3–5 % при кампании 2–3 года с использованием частичных перегрузок достигает значения 30–40 МВт×сут/кг, а в максимально напряженных твэлах и больше. ВВЭР-440 при кампании топлива 2–3 года с частичной перегрузкой 1 раз в год имеет = 28 МВт×сут/кг. В быстрых и высокотемпературных ЯР » 100–150 МВт×сут/кг. В экспери­ментальном БР (Франция) достигнуто выгорание 210 МВт×сут/кг (ГВт×сут/т). Максимальная глубина выгорания в отдельных твэлах всегда больше на величину, пропорциональную коэф­фициентам неравномерности. Предельная глубина вы­горания определяется технологической стойкостью твэлов в зави­симости от обогащения топлива, типа теплоносителя, материала оболочки и конструкции твэла.

В ЯР на мощности N (МВт) со строго установленным вре­менем между очередными частичными перегрузками τяр (кам­пания ЯР, эф.ч) за время пребывания топлива (твэлов) в актив­ной зоне τтоп = nτяр (кампания топлива, эф. ч), т. е. после п перегрузок,

 

МВт×сут /кгU (3.11)

 

Для ВВЭР-1000 основным вариантом принят режим работы с п = 3, τяр = 7000 ч, начальным обогащением х = 3,5–4,5 %, при этом =30–40 МВт×сут/кг U. В тепловых ВВР при трех частич­ных перегрузках в выгружаемом топливе можно добиться глу­бины выгорания, практически равной начальному обогащению: при х=3 % (30 кг 235U/тU) = 30 МВт×сут/кг U, при х = 40 % В = 40 МВт×сут/кг U и т. д.

Глубину выгорания можно также выражать отношением масс выгоревшего делящегося нуклида, например 235U (mвыг, кг), и загруженного топлива (mтоп, т):

 

, кг/т (3.12)

 

Так как энергии в 1 МВт×сут соответствует 1,23×10-3 кг выго­ревшего 5U, то:

 

(3.13)

 

Если mвыг и mU брать в одинаковых единицах, то глубину выгорания можно выражать в процентах:

 

(3.14)

 

Следовательно, (кг/т) = 10 2 (%).

Можно относить выгоревший делящийся нуклид (mвыг) к за­груженному делящемуся нуклиду (mu235; mPu239)

 

(3.15)

 








Дата добавления: 2015-11-28; просмотров: 7509;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.014 сек.