Перспективы повышения эффективности использования топлива в рамках проекта АЭС-2006 К.Ю. Куракин, Ю.А. Ананьев, А.К. Горохов, И.Н. Васильченко, С.Н. Кобелев, В.В. Вьялицин, Б.Г. Козак, О.А. Тимофеева, А.Н. Устинов ОКБ «Гидропресс»

Требования к топливным циклам в проекте РУ АЭС-2006 По проектной стратегии использования топлива: применяются четырех- пятигодичные топливные циклы с одной перегрузкой в 12 (18) месяцев. РУ и активная зона должны обеспечивать возможность работы с межперегрузочным периодом до 24 месяцев; По коэффициенту готовности: средний за весь срок службы АЭС коэффициент готовности блока при работе в базовом режиме – не менее 92 %, что определяет требования к продолжительности работы на номинальной мощности: –в 12-ти месячном топливном цикле – не менее 336 эфф. сут.; –в 18-ти месячном топливном цикле – не менее 504 эфф. сут.; –в 24-х месячном топливном цикле – не менее 672 эфф. сут.; По выгоранию: предел среднего выгорания топлива ТВС с учетом инженерного коэффициента запаса – 70 МВт*сут/кгU; По снижению флюенса на корпус и ВКУ: используются схемы перегрузки, уменьшающие утечки нейтронов из активной зоны; По коэффициентам реактивности: обратные связи должны обеспечивать свойство внутренней самозащищенности активной зоны в соответствии с требованиями нормативных документов; По ограничению распределения энерговыделения: на стадии формирования ПООБ устанавливаются следующие ограничения, обоснованные анализом безопасности проекта: Kq 1,40, Kr 1,57, Qlmax 420* Вт/см * с учетом инженерного коэффициента запаса и коэффициента неточности знания и поддержания мощности реактора

Увеличение загрузки топлива в активной зоне ВВЭР-1200 РеакторТВС таблетки, мм/ отверстия, мм Высота топлив- ного столба, мм Масса топлива, кг в твэле/ в ТВС/ в активной зоне/ Процент увеличе ния, % ВВЭР ТВС-27,57 1, , , ТВС-2М7,6 1, , , ,1 ВВЭР ТВС I этап 7,6 1, , , ,5 ТВС II этап 7,8 0, , , ,2 ТВС III этап 7,8 0, , , ,7

Основные параметры активной зоны ВВЭР-1200 Наименование параметраЗначение Количество ТВС в активной зоне, шт163 Мощность реактора тепловая (номинальная), МВт3200 Расход теплоносителя через реактор (номинальный), м 3 /ч Давление теплоносителя на выходе из активной зоны, абсолютное (номинальное), МПа 16,2 Температура теплоносителя на входе в реактор при работе на 100 % номинальной мощности, С 298,2 Шаг размещения ТВС в активной зоне, см23,6 Количество ТВС с ОР СУЗ, шт121 Количество ПЭЛ в ПС СУЗ18

Рис. – Картограмма топливной загрузки с ежегодной подпиткой 36 ТВС ТВС год работы Обозначение Количество твэгов Рис. – Картограмма топливной загрузки с ежегодной подпиткой 42 ТВС ТВС год работы Обозначение Количество твэгов ТВС год работы Обозначение Количество твэгов Рис. – Картограмма топливной загрузки с подпиткой 78 ТВС Стационарные топливные загрузки* ВВЭР-1200 *Представленные топливные загрузки описывают возможные варианты по реализации трех различных стратегий использования топлива в активной зоне ВВЭР-1200 и требуют последующей оптимизации в отношении всей совокупности нейтронно-физических характеристик В качестве вариантов стационарных топливных циклов на рисунках представлены картограммы загрузок, разработанные в ОКБ «Гидропресс» с использованием аттестованного программного комплекса САПФИР_95&RC_ВВЭР

Наименование характеристикиЗначение Количество ТВС, загружаемых при перегрузке, шт: Этап увеличения объема топливаIIII II Среднее обогащение топлива подпитки по 235 U, массовый %4,77 4,714,85 Длительность топливной загрузки, эфф. сут: - при работе на номинальной мощности - с учетом работы на мощностном эффекте ,5 335,5 357,4 521 Выгорание выгружаемого топлива, МВт·сут/кгU: - среднее по всем ТВС - максимальное по ТВС 56,2 63,9 56,5 63,9 54,5 57,1 45,6 64,0 Максимальная в ходе работы топливной загрузки относительная мощность ТВС (К q ): 1,411,391,351,37 Максимальная в ходе работы топливной загрузки относительная мощность твэла (К r ): 1,561,551,56 Максимальная линейная мощность твэла (Ql), Вт/см: Коэффициент реактивности по температуре теплоносителя на МКУ мощности в начале кампании ( t( ))·10 5, 1/С: -9,6-10,0-4,7-3,4 Коэффициент реактивности по плотности теплоносителя на МКУ мощности в начале кампании ( )·10 2, 1/(г/см 3 ): 5,55,85,82,71,91,9 Коэффициент реактивности по температуре топлива на МКУ мощности в начале кампании ( t F )·10 5, 1/С: -3,2-3,3-3,2-3,1 Основные характеристики топливных загрузок

где: - F i - стоимость i-ой составляющей производства (утилизации) партии топлива, загружаемой в ходе перегрузки; - E(t) - количество электроэнергии (нетто), произведенной за период времени t от начала до конца работы топливной загрузки (в соответствии с ТЗ на проектирование АЭС 2006 принимаем номинальную электрическую мощность турбоустановки 1160 МВт, учитывая затраты на собственные нужды, 7 %, электрическая мощность (нетто) составляет 1078,8 МВт). Оценка эффективности использования топлива Топливная составляющая стоимости единицы вырабатываемой электроэнергии:

Оценка эффективности использования топлива. Исходные данные [1, 2] Составляющая топливного цикла Базовая цена единицы продукции Диапазон значений для анализа чувствительности Закупка урана, $/кгU 5040 ÷ 234 Конверсия, $/кгU 86 ÷ 11 Обогащение, $/ЕРР ÷ 120 Изготовление, $/кгU ÷ 350 Транспортировка и промежуточное хранение отработавшего топлива, $/кгU ÷ 365 Инкапсулирование и захоронение, $/кгU ÷ «Экономика ядерного топливного цикла». ОЭСР (АЯЭ), Перевод Информ-Атом, J.M. McMurray «The relationship between the uranium market price and supply-demand relationships» Proceedings of a technical meeting organized by the IAEA in cooperation with the OECD Nuclear Energy Agency and DIAMO State Owned Enterprise held in Straz, Czech Republic, 6–8 September 2004, pp. 63 – 72.

Оценка эффективности использования топлива. Исходные данные [1, 2] НаименованиеЗначения Концентрация урана в отвалах обогащения, % 0,25 Время, предваряющее реакторный цикл (до даты загрузки реактора), мес.: - закупка урана - конверсия - обогащение - изготовление топлива Время запаздывания (после даты выгрузки отработавшего топлива), лет: - транспортировка отработавшего топлива - инкапсулирование и захоронение отработавшего топлива Коэффициент потерь, %: - при конверсии - при изготовлении топлива - при других операциях 0,5 1,0 0 Норма дисконтирования для базового случая / для анализа чувствительности, % 0 / 0 ÷ 15

Оценка эффективности использования топлива. Стационарная загрузка ВВЭР-1200 с ежегодной подпиткой 42 ТВС Составляющая топливного цикла Стоимость топливного цикла, миллс/кВт·ч Для базовой цены единицы продукции (Ц б ) Для заданного диапазона цен (Ц- ÷ Ц+) Закупка урана Конверсия Обогащение Изготовление 1,11 0,18 1,84 0,63 0,89 ÷ 5,22 0,13 ÷0,25 1,34 ÷ 2,01 0,46 ÷ 0,80 Итого для начальной стадии 3,772,85 ÷ 8,35 Транспортировка и промежуточное хранение отработавшего топлива Инкапсулирование и захоронение 0,66 1,74 0,17 ÷ 0,83 0,40 ÷ 1,92 Итого для конечной стадии 2,400,57 ÷ 2,74 Общая стоимость 6,173,40 ÷ 11,02 Общая стоимость6,363,41 ÷ 11,2 Загрузка ВВЭР-1000 с ежегодной подпиткой 42 ТВС с увеличенной массой топлива (внешний диаметр топливной таблетки 7,6 мм, диаметр центрального отверстия 1,2 мм, высота топливного столба 368 см)

Рис. – Влияние нормы дисконтирования (r) на стоимость топливного цикла при ценовых характеристиках, соответствующих нижней (Ц-), базовой (Цб) и верхней (Ц+) границе цен на единицу продукции Оценка эффективности использования топлива

Описание топливной загрузки r, % Изменение стоимости топливной составляющей относительно базовой загрузки при заданных ценовых характеристиках, % Количество загружаемых ТВС, шт. Этап увеличения объема топлива Продление кампании за счет мощностного эффекта ( да / нет ) Ц-ЦбЦ+ 36 I Нет ,1 -2,2 -2,6 -2,4 -2,3 -2,6 -2,3 -2,2 -2,6 Да ,7 -1,8 -2,7 -2,0 -1,9 -2,7 -1,8 -1,9 -2,7 III Нет ,5 -2,8 -2,6 -2,7 -2,5 -2,6 Да ,6 -3,2 -2,9 -2,7 -3,2 -2,8 -2,7 -3,2 78IНет ,6 24,5 27,5 21,8 23,9 27,2 22,3 24,3 27,4

Заключение ч.1 Для реализации установленных в ТЗ на разработку РУ АЭС-2006 целевых показателей по характеристикам топливных циклов в проекте активной зоны предусмотрено поэтапное увеличение объема топлива в ТВС за счет следующих основных решений: - удлинения топливного столба; - увеличения наружного диаметра топливной таблетки и уменьшения или исключения центрального отверстия. Необходимость поэтапного проведения работ определяется объемом целого ряда НИОКР, необходимым для столь существенного изменения твэла. На первом этапе разработки ТВС для ВВЭР-1200 в качестве базовой принимается 4-х годичная топливная кампания с ежегодной загрузкой 42 ТВС. Возможность реализации базовой кампании, удовлетворяющей всем установленным требованиям подтверждена проектными нейтронно-физическими расчетами Последующее (за базовым) развитие топливных циклов направлено на повышение эффективности использования топлива и повышение коэффициента технического использования АЭС

При выполнении оценки эффективности топливоиспользования в активной зоне ВВЭР-1200 на основании расчетов постоянной приведенной стоимости топливной составляющей на единицу вырабатываемой электроэнергии получены следующие результаты: - общая стоимость топливной составляющей (без дисконтирования потока платежей) при работе базовой стационарной загрузки в зависимости от цен на услуги в открытом топливном цикле находится в диапазоне от 3,4 до 11,0 миллс/квт*ч (стоимость подобного топливного цикла ВВЭР-1000 находится примерно в таком же диапазоне); - переход на эксплуатацию энергоблока с базовой четырехгодичной кампании на кампанию с ежегодной перегрузкой 36 ТВС позволяет экономить до 3 % топливной составляющей стоимости; - эксплуатация энергоблока с полуторагодичным циклом перегрузок приводит к повышению топливной составляющей стоимости относительно «базовой», на ~ 22 ÷ 27 %. При этом вне зависимости от ценового диапазона наблюдается рост относительного проигрыша с увеличением нормы дисконтирования, что объясняется значительным вкладом в формирование стоимости издержек начального этапа топливного цикла. Для реализации длительных топливных циклов, следует рассмотреть возможность и целесообразность повышения обогащения топлива до 6,5 % по U-235. Заключение ч.2

Спасибо за внимание Thank you for attention