Повышение эффективности и безопасности АЭС с ВВЭР совершенствованием поглощающих материалов

Реакторы водоводяного типа (ВВЭР) и их западные аналоги (Р" №Т1) сегодня в начале XXI века занимают ведущее место в программах развития атомной энергетики России и других стран. Вместе с ростом доли выработки на АЭС России возрастают цены на ядерное горючее. Однако еще большими темпами растут стоимости органического топлива для ТЭС и, в первую очередь, на газ и мазут. В таких условиях все более значимыми становятся вопросы более эффективного использования ядерного топлива, а также дальнейшего повышения безопасности АЭС.

Уже в 1999 году средний тариф на электроэнергию АЭС составил 157 рублей/(МВт*ч), что в 1,37 раза ниже усредненного тарифа ГРЭС РАО «ЕЭС России», равного 217 руб/(МВт*ч).

Одной из важнейших задач, определенных в Программе развития атомной энергетики до 2010 года /56/ является наращивание производства электроэнергии на АЭС (для замещения органического топлива с высвобождением ресурсов газа и нефти) благодаря повышению эффективности использования ее существующих мощностей.

В рамках этой конкуренции /21,56/ в сегодняшних условиях • не ослабевает, а скорее усиливается значение всех тактических путей совершенствования топливоиспользования для действующих и проектируемых реакторов.

Как правило это относительно малозатратные мероприятия, позволяющие получить эффект весьма скорый, не связанные с какой — либо серьезной диверсификацией уже отлаженных, или освоением сложных новых производств. Проведенные в Российском научном центре «Курчатовский институт» (в дальнейшем РНЦ «КИ»), в том числе с участием автора, проработки по повышению эффективности и безопасности АЭС путем использования поглотителей позволили улучшить топливоиспользование, существенно повысить вместимость бассейнов выдержки и транспортных контейнеров при обеспечении современных требований ядерной безопасности.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению поставленных выше задач роста эффективности АЭС с ВВЭР на основе совершенствования поглощающих материалов и конструкций на этапах выгорания топлива в активной зоне, хранения отработавшего топлива в бассейне выдержки и при его транспортировке со станции на переработку.

Цель работы — научное обоснование повышения системной эффективности и безопасности АЭС с ВВЭР усовершенствованием поглощающих материалов.

Основными задачами исследования являются:

1. Обоснования обобщенного критерия эффективности топливо — и энергоиспользования на АЭС.

2. Разработка методики системного технико-экономического обоснования эффективности решений по совершенствованию выгорающих поглотителей.

3. Обоснование метода оценки системного эффекта от расширения регулировочного диапазона АЭС с ВВЭР при применении жидкостных и механических поглотителей.

4. Разработка методических основ оценки эффективности улучшения характеристик хранения и транспортировки отработавшего топлива.

Научная новизна результатов исследования: 1. Разработаны теоретические положения эффективности топливои энергоиспользования при заданных фактических обогащениях топлива, термодинамических и энергетических параметрах и характеристиках: начальной температуре насыщенного пара/(с учетом возможного ее изменения в течении кампании), термодинамического и электрического КПД энергоблока.

2. Разработана технико-экономическая модель сравнения по результирующей эффективности различных выгорающих поглотителей в сравнении с базовой конструкцией. Модель учитывает изменение затрат в ядерное топливо, стоимость материалов, производственной базы, технологических процессов.

3. Предложены, нейтронно-физические и теплотехнические обоснованы новые способы работы легководного корпусного реактора, позволяющие снизить потери нейтронов на поглотителях (жидкостных или (и) механических) путем перехода к частичной компенсации запаса реактивности сдвигом спектра нейтронов сначала в сторону более высоких энергий, а затем, ближе к концу кампании — работой только на температурном, а далее и на мощностном эффекте реактивности.

4. Разработана методика сопоставления системной эффективности хранения отработавшего топлива в стеллажах уплотненного хранения с применением поглотителей взамен базового способа хранения реализованного в бассейнах выдержки, а также эффективности транспортирования топлива со станции в модернизированных контейнерах.

5. Разработаны теоретические основы выбора и обоснования конструкций и композиций поглотителей (в активной зоне, бассейне выдержки и транспортном контейнере) на основе критерия достижения системного эффекта и при условиях энергетической сопоставимости вариантов и выполнения требований по надежности и безопасности.

6. Предложены методики сопоставления СВП (стержневых выгорающих поглотителей) модернизированных конструкций с базовым вариантом, сопоставления базовых конструкций бассейнов выдержки и транспортных контейнеров с усовершенствованными конструкциями путем использования поглотителей.

Практическая значимость.

Определена системная эффективность замены базовых выгорающих поглотителей на новые усовершенствованные для компенсации выгорания топлива, замены штатных стеллажей бассейнов выдержки на новые уплотненные с использованием поглощающих материалов.

Предложен способ работы энергоблока с увеличенной кампанией частичной загрузки за счет снижения потерь нейтронов на поглотителях.

Предложены практические методы оценки эффекта расширения регулировочного диапазона АЭС за счет рационального управления переходными процессами на ксеноне-135 в условиях регулирования мощности системой борного регулирования.

На защиту выносятся методические положения и результаты расчета топливной и общей эффективности применения усовершенствованных выгорающих поглотителей в активной зоне, использования поглотителей при хранении отработавшего топлива в бассейне выдержки и при транспортировке топлива в контейнере со станцииметодика оценки эффекта расширения регулировочного диапазона АЭС с ВВЭР, повышения надежности и безопасности хранения топлива в бассейне выдержки и при транспортировке его со станцииновые технические решения по выгорающим поглотителям и новый способ работы блока с частичной заменой функций поглотителя и снижением потерь нейтронов (ростом глубины выгорания) за счет спектральной компенсации запаса реактивности.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснованы использованием методологии системных исследований в энергетике, применением фундаментальных законов технической термодинамики, теплопередачи, теплофизики и теории надежности систем энергетики.

Нейтронно-физические расчеты для различных конструкций поглотителей проведены с применением детальных апробированных расчетных комплексов. Проведено сопоставление полученных результатов и выводов исследований с имеющимися данными, полученными в других работах иными теоретическими подходами.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Обоснованы критерии эффективности топливои энергоиспользования на АЭС с ВВЭР.

2. Предложена методика системного технико-экономического обоснования эффективности решений по совершенствованию выгорающих поглотителей.

3. Разработана методика оценки системного эффекта от расширения регулировочного диапазона АЭС.

4. Предложена методология повышения эффективности средств хранения и транспортировки отработавшего топлива.

5. Показана системная эффективность предложенных автором решений по использованию усовершенствованных поглотителей на всех стадиях обращения топлива на АЭС с ВВЭР.

Работа выполнена на кафедре «Тепловые электрические станции» Саратовского государственного технического университета и в Российском научном центре «Курчатовский Институт» в рамках основного научного направления развития науки и техники Российской Федерации «Топливо и энергетика», федеральной программы фундаментальных исследований в области «Физико-технические проблемы энергетики», раздел «Фундаментальные проблемы энергосбережения и эффективного использования топлива», а также программы 02 В.06. Разработка научно-методических основ обеспечения безопасности функционирования объектов атомной энергетики.

Изложенные в диссертации материалы опубликованы в /14,26,42,44,45,47,52,54,70,71 / и докладывались на научных конференциях и семинарах Саратовского государственного технического университета в 1994.

2001 гг. (г. Саратов), на межвузовском научном семинаре по проблемам теплоэнергетики в 1996 г. (г. Балаково), на Межвузовской научной конференции «Проблемы повышения эффективности и надежности систем теплоэнергоснабжения» (г. Саратов, 1−3 ноября 1999 г.), а также на семинарах Отделения Ядерных реакторов РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва) и др. семинарах, симпозиумах, конференциях.

Разработанные в диссертации методические положения и результатыисследований могут быть использованы при повышении эффективности выгорающих поглотителей на уже действующих и (или) проектируемых энергоблоках АЭС с ВВЭР, а также проектными организациями для системного технико-экономического обоснования решений по совершенствованию использования топлива в реакторах, повышению безопасности и улучшению технико-экономических показателей средств хранения и транспортировки отработавшего топлива АЭС.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Хрусталеву Владимиру Александровичу за внимательное руководство и помощь при выполнении работы, а также академику МАВШ доктору технических наук, профессору Андрющенко Анатолию Ивановичу и академику МЭА, доктору технических наук, профессору Аминову Рашиду Зарифовичу за консультации и советы в процессе выполнения работы, коллективам кафедры «Тепловые энергетические станции», «Теплоэнергетика» и Проблемной научно-исследовательской лаборатории ТЭУ за советы и замечания, высказанные при подготовке и обсуждении диссертации.

Публикации. По материалам диссертации автором опубликованы 8 печатных работ.

Структура и обьем диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах и состоит из предисловия, четырех глав, заключения, списка использованных источников 92 наименований, имеет 29 рисунков, 9 таблиц.

124 Выводы.

Проанализированы пути и методы повышения эффективности и безопасности АЭС с ВВЭР большой мощности.

Показано, что значительные резервы в данном направлении находятся в области совершенствования поглощающих материалов на этапах обращения топлива на АЭС:

— выгорания активной зоне;

— выдержки отработавшего топлива в бассейне;

— транспортировки отработавшего топлива со станции. Совершенствование поглотителей, как работающих в активной зоне реактора (ПЭЛ, СВП, жидкостной системы борного регулирования), так и поглотителей, используемых при хранении и транспортно-технологических операциях с топливом при относительной малозатратное&tradeпозволяет:

— существенно повысить экономичность использования топлива;

— повысить надежность и безопасность АЭС;

— обеспечить значительный системный эффект по маневрированию энергоблоков.

Указанные задачи решены согласованным научным обоснованием физических моделей совершенствования поглотителей и системным технико-экономическим анализом.

С использованием разработанных физических моделей с применением детальных нейтронно-физических программ предложены и научно обоснованы новые режимы работы реактора, конструкций органов регулирования (ПЭЛ, СВП) и средств транспортировки и хранения топлива.

Предложены обобщенные критерии эффективности топливои энергоиспользования на АЭС с ВВЭР. Критерии позволяют учитывать глубину выгорания топлива, обогащение, коэффициент воспроизводства топлива и электрический КПД, а также взаимосвязи между ними. Разработана упрощенная методика анализа тепловой эффективности блока, работающего с плавно изменяющимися в течение кампании частичной загрузки начальными давлением и температурой насыщенного пара в парогенераторе. Такой режим физически обоснован, приводит к экономии использования топлива и защищен патентом России.

4. Разработана методика оценки системной эффективности применения усовершенствованных поглотителей, учитывающая разную их стоимость (по всем фазам производства), надежность, сроки службы, и топливную эффективность. Исследованы пути улучшения процесса компенсационного поглощения при выгорании топлива. Обосновано повышение безопасности хранения топлива в бассейн выдержки, а также при транспортировке его со станции в контейнерах. Конструктивные решения по бассейну выдержки защищены авторскими свидетельствами и приводят у существенному росту экономичности обращения топлива на АЭС. Указанные решения позволяют увеличить на 2,5 — 3% эффективность использования топлива, в 1,7 раз увеличить вместимость бассейнов выдержки и до 2,2 раз вместимость транспортных контейнеров.

5. Оценен системный эффект от расширения регулировочного диапазона АЭС. В сравнении с альтернативной ГАЭС достигаемый эффект может составить до 1,5 млн руб. в год на блок 1000 МВт в ценах до 1991 г.

6. Оценен системный эффект от применения усовершенствованных поглощающих элементов при выгорании топлива который составляет 8−10 млн руб. на энергоблок в год, а также от улучшения за счет использования поглотителей характеристик бассейна выдержки и контейнеров для транс пор

126 тировки топлива. Для контейнеров эффект составляет около 5 млн руб. на энергоблок в ценах 2001 года.

7. Показаны пути повышения безопасности за счет улучшения конструкции поглотителей на всех этапах обращения топлива на АЭС. На примере рассмотрения вероятных аварий в бассейне выдержки показано, что риск тяжелых аварий при использовании стеллажей новой конструкции снижается в 8−10 раз.