О ВЛИЯНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ФИЗИКУ И БЕЗОПАСНОСТЬ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РЕАКТОРОВ XIII ЕЖЕГОДНОЕ РОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ «БЕЗОПАСНОСТЬ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК» А.П. Малков ОАО «ГНЦ НИИАР»

Отличием ИР от других типов ЯР является наличие экспериментальных устройств. ЭУ и режимы испытаний могут оказывать значительное влияние на основные нейтронно-физические характеристики ИР: эффективность органов СУЗ, запас реактивности, знак и величина обратных связей по реактивности, подкритичность реактора с введенными РО СУЗ, эффекты реактивности при перегрузке активной зоны, коэффициенты неравномерности энерговыделения в активной зоне, вплоть до изменения основных проектных и паспортных характеристик реакторов. 2

Анализ опубликованной информации по влиянию ЭУ на НФХ исследовательских реакторов показал ее недостаточность для научно-методического обоснования и аргументированной трактовки нормативных требований по безопасности, как по объему, так и по качеству представленных результатов. Это определяет необходимость выполнения системных исследований в обоснование безопасности эксплуатации ИР с различными типами ЭУ. 3

Масштаб и характер влияния ЭУ на НФХ ИР зависит от: типа и характеристик самого реактора; конструкции и материального состава ЭУ и облучаемых материалов; места размещения ЭУ в реакторе; режима испытания (стационарный или динамический); режима работы реакторной установки; наличия в реакторе других ЭУ и необходимости согласования и обеспечения условий совместного испытания различных ЭУ; сценариев развития постулируемых нарушений нормальной эксплуатации. Влияние ЭУ на НФХ ИР проанализировано расчетно- экспериментальным путем для реакторов различного типа 4

Канал и его номер Компенсирующий орган Рабочий орган АР Ячейка активной зоны с ТВС Рабочий орган АЗ в бериллиевом вкладыше Сепараторный блок Центральный компенсирующий орган Бериллиевые блоки отражателя Картограмма активной зоны реактора СМ 5

Картограмма активной зоны реактора МИР 6

Картограмма активной зоны реактора РБТ-6 7

Картограмма активной зоны реактора РБТ-10 8

Сечение нейтронной ловушке реактора СМ с петлевым каналом (а), с центральным Ве-блоком (б) и сепаратором (в): 1 фигурный бериллиевый вкладыш; 2 стержень АЗ; 3 центральный бериллиевый блок; 4 поглотитель ЦКО; 5 – трубы сепаратора; 6 вода. б а в Влияние компоновки нейтронной ловушки на НФХ высокопоточного ИР 9

Зависимость реактивности от концентрации водорода в центральном канале реактора СМ ____ результаты из [4], - экспериментальные данные для углеводородных жидкостей, расчетные данные для пароводяной смеси. 10

Основные НФХ реактора СМ с различными вариантами компоновки нейтронной ловушки Параметр КаналВе -блокСепаратор Максимальная плотность потока тепловых нейтронов, м -2 с -1 2, , , Эффект реактивности, эфф 0+1,5+0,2 Температурный эффект реактивности (от 15 С до 70 С), эфф -0,33- 0,65- 0,56 Мощностной коэффициент реактивности, ( k/k)/%Nном -4,5 - (3 1) Коэффициент неравномерности энерговыделения по: высоте активной зоны сечению активной зоны сечению ТВС, граничащей с ловушкой объему активной зоны 1,25 1,65 2,92 6,0 1,25 2,16 2,06 5,60 1,25 1,88 2,27 5,33 Эффективность, эф: стержня аварийной защиты; центрального компенсирующего органа; компенсирующего органа; автоматического регулятора 0,59 4,09 2,04 0,05 0,5 - 1,5 3,0 - 4,5 1,3 - 3,5 0,01 - 0,4 0,4 – 1,5 2,5 – 4,5 1,3 – 3,5 0,01 - 0,4 11

Энерговыделение в типовых ячейках реактора СМ с бериллиевым блоком () и сепаратором ()

Усредненные параметры реактора СМ, связанные с использованием топлива Год Среднее выгорание топлива, % Среднее выгорание в выгружаемых ТВС, % Расход свежих ТВС на выработку 1000 МВт×сут начало кампании конец кампании ,621,035,44, ,220,534,974, (с Ве- блоком) 16,520,635,44, (с сепаратором) 14,218,731,14, ,918,831,24, ,319,131,34,60 13

ЭУ в активной зоне Для реактора СМ: ТВС с экспериментальными каналами; ТВС с экспериментальными каналами; Устройства в объеме ТВС; Устройства в объеме ТВС; Петлевые каналы для облучения материалов Петлевые каналы для облучения материалов Для реактора МИР: ЭТВС и сборки твэлов в петлевых каналах; ЭТВС и сборки твэлов в петлевых каналах; Устройства для испытаний твэлов в переходных и аварийных режимах; Устройства для испытаний твэлов в переходных и аварийных режимах; ЭТВС в рабочих каналах; ЭТВС в рабочих каналах; Устройства для накопления радионуклидах Устройства для накопления радионуклидах Для реакторов РБТ: Ампульные вертикальные каналы с облучаемыми материалами; Ампульные вертикальные каналы с облучаемыми материалами; Прямоточные экспериментальные каналы Прямоточные экспериментальные каналы Устройства в объеме ТВС Устройства в объеме ТВС 14

ЭУ в активной зоне реактора СМ

Эффективность КО реактора СМ и эффекты реактивности при размещении ЭУ в объеме ТВС Заполнение яч.52 Эффективность КО, эф Подкрити- чность, Эффект реак-ти КО-1КО-2КО-3КО-4 эф ТВС типа ,21,41,2 2,00 Вода 0,81,41,21,12,8-0,8 13 мишеней в воде 0,81,41,31,14,2-2,2 25 мишеней в воде 0,71,21,31,14,6-2,6 Бериллий 0,91,41,1 2,6-0,6 13 мишеней в бериллии 0,81,31,21,12,8-0,8 13 мишеней в бериллии, 12 ячеек заполнены водой 0,81,31,21,12,9-0,9 25 мишеней в бериллии 0,71,31,21,13,1-1,1 Две «полукассеты» с 11 мишенями в воде вплотную 1,01,21,31,0 3,5-1,5 Две «полукассеты», с 11 мишенями в воде со смещением 1,3 1,2 2,9-0,9 16

Коэффициенты неравномерности энерговыделения для модернизированной активной зоны с ПК Модернизированная активная зона Существующая активная зона ячейкаksks KкKк ksks kкkк * (1.64 ** ) ** (1.76) (1.25) (1.35) (0.95) (1.01) (1.28)

ЭУ в активной зоне реактора МИР ,2 18

КС РК ПК КС КД РК– рабочий канал; ПК– петлевой канал; КД– компенсатор с догрузкой; КС– компенсирующий стержень. КС РК ПК КС КД КС 19

Изменение эффективности стержней СУЗ в зависимости от расстояния до центра локальной области 20

Изучение эффекта реактивности при удалении воды из петлевого канала 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,60,8 Масса 235 U, отн. ед. Эффект реактивности, отн. ед. 1,0 21

Добавка в теплоноситель раствора борной кислоты увеличивает значение эффекта реактивности и снижает запас реактивности реактора 0,6 Реактивность, отн. ед. 1,2 0 -0, Концентрация, г/л 22

ЭУ в активной зоне реакторов РБТ 9 к стенду АК

Эффекты реактивности при перегрузочных операциях в реакторах РБТ Операция Эффект реактивности, эф Перемещение ампулы в канале 2 (0,41 0,03) Перемещение ампулы в канале 6 (0,18 0,01) Загрузка пустого канала в ячейку 5 (0,09 0,01) Загрузка ОУ в канал 5 (0,15 0,01) Выгрузка алюминиевой пробки (0,36 0,03) Выгрузка алюминиевого вытеснителя (0,22 0,02) Загрузка ОУ (0,44 0,03) Загрузка устройства для накопления Мо-99 +(1,2±0,7) 24

ЭУ в отражателе реактора СМ 25

Эффекты реактивности от загрузки ЭУ в ближние ячейки отражателя реактора СМ Загружаемое устройство Значение эффекта реактивности, эф По подкритичностиПо запасу реактивности С 10-ю мишенями с кобальтом в яч. 5 0,1 0,5 С 10-ю мишенями с иридием в яч. типа 5 0,03 0,4 С образцами сталей в яч. 4 - в корпусе петлевого канала из циркония - в стальном корпусе петлевого канала 0,03 0 0,3 0,05 С 20-ю образцами В 4 С в яч. 5: - в корпусе петлевого канала из циркония - в стальном корпусе петлевого канала 0,05 0,01 0,5 0,1 С образцами материалов термоядерной установки 0,1 0,3 Корпус стального петлевого канала в яч. 4 0,04 0,4 Сборка из 8 твэлов СМ с загрузкой 235 U 6г/твэл в яч ,1+0,4 Бериллиевая пробка в яч. типа Д-4+0,06+0,4 26

Основные этапы обеспечения безопасности ИР: заблаговременное установление степени влияния ЭУ на НФХ ИР; сопоставление полученных результатов по изменению НФХ активной зоны под воздействием ЭУ с проектными (допустимыми) пределами; выбор организационно-технических мер (в рамках применяемых эксплуатационных процедур) обеспечения ЯБ при проведении эксперимента; определение, в достаточно редких случаях, необходимых действий по изменению систем (элементов) реактора и/или режимов его эксплуатации, когда внедряемое ЭУ нового типа приводит к изменению проектных характеристик реактора.

ЭУ ИР предлагается разделить на четыре класса. 1 Класс ЭУ, приводящие к изменению проектных характеристик ИР 2 Класс ЭУ, требующие выполнения специальных организационно-технических мероприятий для сохранения эффективности органов СУЗ и распределения энерговыделения в активной зоне в проектных пределах 3 Класс ЭУ, оказывающие влияние на реактивность, эффективность органов СУЗ и распределение энерговыделения в пределах проектных значений 4 Класс - ЭУ, не оказывающие влияния на реактивность, эффективность органов СУЗ и неравномерность распределения энерговыделения 28

Требуемые процедуры при подготовке эксперимента с ЭУ различного класса Процедура1 класс2 класс3 класс Определение коэффициентов неравномерности энерговыделения и пределов изменения эффективности органов СУЗ ++- Определение температурного и мощностного коэффициентов реактивности +-- Выбор алгоритма перегрузок ТВС ++- Определение эффектов реактивности и влияния на эффективность РО СУЗ +++ Определение допустимых режимов работы реактора ++ Уточняющий анализ постулируемых аварийных ситуаций +++ Изменения эксплуатационной документации и обучение персонала + - Подготовка требуемых документов, получение разрешения на эксплуатацию

Состав и количество замедлителя Меняется Не меняется Новый тип ЭУ Динамические испытания Стационарные испытания Объем работ 1 класса Изменение состава и количества замедлителя Изменение конструкции органов СУЗ Количество и состав мишеней Расчетно-экспериментальные исследования нейтронно-физических характеристик (НФХ) реактора Расчетно- экспериментальное исследование НФХ Делящиеся материалы Неделящиеся материалы Паспортные характеристики Меняются Не меняются Расчетно- экспериментальные исследования НФХ 2 класс3 класс 2 класс3 класс 1 класс 2 класс ЭУ 3 класс ЭУ 1 класс ЭУ 3 класс 2 класс 1 класс Схема установления класса ЭУ при планировании испытаний 30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основании результатов проведенных расчетно- экспериментальных исследований характеристик ИР с различными типами ЭУ определены факторы и масштаб влияния экспериментальных устройств на нейтронно- физические и эксплуатационные характеристики, а также параметры, важные для безопасности. Предложена классификация ЭУ по влиянию на характеристики реактора, важные для ядерной безопасности. Ее наличие позволяет установить этапы работы, необходимые и достаточные для обеспечения и обоснования ядерной безопасности реактора при проведении испытаний, оптимизировать и минимизировать объем подготовительных работ. 31

Благодарю за внимание! 32