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;