Аппроксимационные зависимости для расчета радиационных и теплофизических характеристик отработавшего ядерного топлива реактора ВВЭР-1200
Исследование аппроксимационных зависимостей, которые могут быть использованы при решении задач по оценке радиационных и теплофизических характеристик отработавшего ядерного топлива реакторов ВВЭР-1200. Рассмотрение изменений нуклидного состава топлива.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 03.10.2019 |
Размер файла | 71,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
АППРОКСИМАЦИОННЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА РАДИАЦИОННЫХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА РЕАКТОРА ВВЭР-1200
Серебряный Григорий Зиновьевич
к.т.н.
ОИЭЯИ-Сосны НАН Беларуси
Аннотация
В статье приведены аппроксимационные зависимости, которые могут быть использованы при решении задач по оценке радиационных и теплофизических характеристик отработавшего ядерного топлива реакторов ВВЭР-1200.
Ключевые слова: аппроксимационные зависимости; отработавшее ядерное топливо; ВВЭР-1200; радиационные и теплофизические характеристики ОЯТ
Abstract
The article presents approximation dependences that can be used in solving problems of estimating the radiation and thermal characteristics of spent nuclear fuel from WWER-1200 reactors.
Keywords: approximation dependencies; spent nuclear fuel; VVER-1200; radiation and thermal characteristics of SNF
Эволюция физических характеристик работающего реактора определяется главным образом изменением нуклидного состава топлива. Знание изотопного состава также крайне важно, так как именно на его основе проводится обоснование безопасности обращения с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ) при его хранении, транспортировке и переработке.
Обоснование безопасного обращения с ОЯТ является комплексной задачей, для решения которой в настоящее время целесообразно использовать современные программные средства, позволяющие с достаточной точностью оценивать его изотопный состав. Однако в задачах экспертизы радиационной безопасности эти расчеты занимают достаточно длительное время. В связи с этим в 2014 г. впервые Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору Российской Федерации ввела руководство по безопасности при использовании атомной энергии (РБ-093-14) [1]. Руководство по безопасности РБ-093-14 содержит рекомендации по радионуклидному составу, ядерным константам и теплофизическим характеристикам ОЯТ используемым при обосновании безопасности объектов использования атомной энергии для реактора ВВЭР-1000..
В данной работе расчет нуклидного состава ОЯТ для перечня радионуклидов, рекомендованных в РБ-093-14, выполнен с использованием программного комплекса MCU-PD [3] для реактора ВВЭР-1200. Результаты расчетов представляют собой наборы дискретных значений концентраций (г/тU) выбранных радионуклидов для 4,95 % обогащения ядерного топлива по 235U и значений глубины выгорания ОЯТ от 40 до 70 ГВт•сут/тU.
Зависимости концентраций от глубины выгорания для каждого радионуклида аппроксимированы с помощью полиномиальной функции:
y(x)=a0+a1•x+a2•x2+a3•x3, (1)
где a0…a3 - аппроксимационные коэффициенты, y(x) - концентрация радионуклида г/тU; x - глубина выгорания ОЯТ ГВт•сут/тU.
Аппроксимационные коэффициенты для расчета концентраций, выбранных радионуклидов, их постоянные распада и активности 1 грамма представлены в табл. 1.
аппроксимационный отработавшее ядерное топливо
Таблица 1. Аппроксимационные коэффициенты для расчета концентраций, выбранных радионуклидов, их постоянные распада и активности 1 грамма.
Нуклид |
a |
b |
c |
d |
Постоянная распада, 1/г. |
Активность 1 грамма, Бк/г |
|
Am-241 |
-1.45179E+02 |
7.66398E+00 |
-8.15976E-02 |
2.62412E-04 |
1.60E-03 |
1.27E+11 |
|
Am-243 |
5.47028E+02 |
3.34252E+01 |
6.61611E-01 |
-2.61654E-03 |
9.40E-05 |
7.39E+09 |
|
Ce-144 |
2.74936E+02 |
9.67703E+00 |
-1.48457E-01 |
6.96279E-04 |
8.89E-01 |
1.18E+14 |
|
Cm-242 |
8.60951E+00 |
-2.69358E-01 |
3.02150E-02 |
-2.22510E-04 |
1.55E+00 |
1.23E+14 |
|
Cm-244 |
4.61126E+01 |
-6.21616E-01 |
-6.76862E-02 |
1.71219E-03 |
3.83E-02 |
3.00E+12 |
|
Cm-245 |
5.03538E+00 |
5.23912E-01 |
-1.81636E-02 |
2.21424E-04 |
8.15E-05 |
6.35E+09 |
|
Cs-134 |
7.43562E+00 |
-4.09542E-01 |
1.28693E-01 |
-5.83080E-04 |
3.36E-01 |
4.79E+13 |
|
Cs-135 |
1.78816E+01 |
1.50097E+01 |
-5.80435E-02 |
3.26349E-04 |
3.01E-07 |
4.26E+07 |
|
Cs-137 |
8.06140E+01 |
4.20511E+01 |
-1.05035E-01 |
4.96785E-04 |
2.30E-02 |
3.21E+12 |
|
Eu-154 |
1.40342E+01 |
6.96100E-01 |
1.10908E-02 |
-9.30880E-05 |
8.06E-02 |
1.00E+13 |
|
Eu-155 |
1.36852E+01 |
-7.21904E-01 |
2.01815E-02 |
-1.19930E-04 |
1.46E-01 |
1.79E+13 |
|
H - 3 |
-7.11524E-03 |
1.71432E-03 |
3.90862E-06 |
0.00000E+00 |
5.63E-02 |
3.56E+14 |
|
Kr- 85 |
-5.85421E-01 |
1.04862E+00 |
-7.08667E-03 |
2.05411E-05 |
6.44E-02 |
1.45E+13 |
|
Np-237 |
3.08588E+02 |
2.17897E+01 |
2.82624E-02 |
-8.60160E-04 |
3.23E-07 |
2.60E+07 |
|
Pd-107 |
7.27071E+00 |
1.67498E+00 |
1.11388E-01 |
-3.87920E-04 |
1.07E-07 |
1.90E+07 |
|
Pu-238 |
2.84193E+02 |
1.98225E+01 |
5.22348E-01 |
-2.50500E-03 |
7.90E-03 |
6.34E+11 |
|
Pu-239 |
1.66943E+03 |
2.37181E+02 |
-3.58125E+00 |
1.73486E-02 |
2.87E-05 |
2.30E+09 |
|
Pu-240 |
6.47787E+02 |
2.53148E+01 |
-2.48876E-02 |
-1.16142E-03 |
1.06E-04 |
8.40E+09 |
|
Pu-241 |
2.48649E+03 |
1.79700E+02 |
-2.22800E+00 |
9.33020E-03 |
4.84E-02 |
3.83E+12 |
|
Pu-242 |
2.14968E+02 |
2.37048E+00 |
6.56246E-01 |
-3.80615E-03 |
1.85E-06 |
1.46E+08 |
|
Ru-106 |
5.00137E+00 |
3.49803E+00 |
2.85479E-02 |
-2.56200E-04 |
6.78E-01 |
1.22E+14 |
|
Sb-125 |
-9.78987E-01 |
2.63103E-01 |
-5.89210E-04 |
0.00000E+00 |
2.51E-01 |
3.84E+13 |
|
Se- 79 |
-9.51553E-02 |
1.59421E-01 |
-3.39550E-04 |
9.54553E-07 |
2.35E-06 |
2.58E+08 |
|
Sm-151 |
9.92623E+00 |
2.49375E-01 |
-1.03268E-03 |
-1.82540E-06 |
7.70E-03 |
9.74E+11 |
|
Sn-121m |
-4.02554E-03 |
5.53462E-04 |
6.70610E-06 |
-1.46240E-08 |
1.58E-02 |
1.99E+12 |
|
Sn-126 |
-3.17526E+00 |
5.59668E-01 |
2.28436E-03 |
0.00000E+00 |
3.01E-06 |
1.05E+09 |
|
Sr- 90 |
-1.89267E+01 |
2.28470E+01 |
-1.44945E-01 |
4.34989E-04 |
2.41E-02 |
5.11E+12 |
|
Tc- 99 |
-2.42510E+00 |
2.69047E+01 |
-7.07534E-02 |
-1.19630E-04 |
3.28E-06 |
6.34E+08 |
|
Te-125m |
-1.54891E-02 |
3.10485E-03 |
-7.12770E-07 |
-3.02390E-08 |
4.41E+00 |
0.00E+00 |
|
U -234 |
3.68258E+00 |
-1.05019E-01 |
2.53561E-03 |
-4.24620E-06 |
2.82E-06 |
2.30E+08 |
|
U -235 |
4.99130E+04 |
1.17074E+03 |
9.40613E+00 |
-2.55866E-02 |
9.85E-10 |
8.00E+04 |
|
U -236 |
7.00390E+02 |
1.85182E+02 |
-1.61516E+00 |
2.85507E-03 |
2.96E-08 |
2.39E+06 |
|
U -238 |
9.98328E+05 |
3.18268E+03 |
4.56579E+01 |
-2.87933E-01 |
1.55E-10 |
1.24E+04 |
|
Zr- 93 |
1.77760E+01 |
2.46313E+01 |
-7.80199E-02 |
1.12374E-04 |
4.53E-07 |
9.31E+07 |
Сравнение масс радионуклидов в зависимости от выгорания топлива, вычисленных по полученным аппроксимационным зависимостям, и рассчитанных с помощью кода MCU-PD, показывает, что массовые концентрации нуклидов, вычисленные по аппроксимационным зависимостям, практически совпадают с результатами расчетов при помощи MCU-PD.
Для экспертных оценок радиационной опасности при обращении с ОЯТ необходимо знание общей активности всех радионуклидов. Расчетные данные по активности ОЯТ (Бк/т U) ВВЭР-1200 с начальным обогащением 4,95 % по 235U для выгораний 40, 50, 60 и 70 ГВт•сут/тU для времен выдержки от 5 до 100 лет были вычислены с помощью кода MCU-PD. Расчетные данные приведены в табл. 2.
Таблица 2. Расчетные данные по активности ОЯТ (Бк/тU) ВВЭР-1200 с начальным обогащением 4,95 % по 235U
Время выдержки, лет |
Глубина выгорания, ГВт•сут/тU |
|||||
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
||
5 |
3.26E+16 |
3.52E+16 |
3.77E+16 |
4.01E+16 |
4.23E+16 |
|
10 |
2.26E+16 |
2.45E+16 |
2.62E+16 |
2.79E+16 |
2.95E+16 |
|
15 |
1.88E+16 |
2.04E+16 |
2.19E+16 |
2.33E+16 |
2.46E+16 |
|
20 |
1.62E+16 |
1.75E+16 |
1.88E+16 |
2.00E+16 |
2.12E+16 |
|
25 |
1.40E+16 |
1.52E+16 |
1.63E+16 |
1.74E+16 |
1.84E+16 |
|
30 |
1.22E+16 |
1.33E+16 |
1.42E+16 |
1.52E+16 |
1.61E+16 |
|
35 |
1.07E+16 |
1.16E+16 |
1.25E+16 |
1.33E+16 |
1.41E+16 |
|
40 |
9.39E+15 |
1.02E+16 |
1.10E+16 |
1.17E+16 |
1.24E+16 |
|
45 |
8.26E+15 |
8.97E+15 |
9.64E+15 |
1.03E+16 |
1.09E+16 |
|
50 |
7.29E+15 |
7.91E+15 |
8.51E+15 |
9.10E+15 |
9.67E+15 |
|
55 |
6.44E+15 |
7.00E+15 |
7.53E+15 |
8.05E+15 |
8.56E+15 |
|
60 |
5.71E+15 |
6.20E+15 |
6.67E+15 |
7.14E+15 |
7.59E+15 |
|
65 |
5.07E+15 |
5.51E+15 |
5.93E+15 |
6.34E+15 |
6.74E+15 |
|
70 |
4.51E+15 |
4.90E+15 |
5.28E+15 |
5.65E+15 |
6.00E+15 |
|
75 |
4.02E+15 |
4.37E+15 |
4.71E+15 |
5.03E+15 |
5.36E+15 |
|
80 |
3.59E+15 |
3.90E+15 |
4.20E+15 |
4.50E+15 |
4.79E+15 |
|
85 |
3.21E+15 |
3.49E+15 |
3.76E+15 |
4.03E+15 |
4.28E+15 |
|
90 |
2.88E+15 |
3.13E+15 |
3.37E+15 |
3.61E+15 |
3.84E+15 |
|
95 |
2.58E+15 |
2.81E+15 |
3.03E+15 |
3.24E+15 |
3.45E+15 |
|
100 |
2.33E+15 |
2.53E+15 |
2.73E+15 |
2.92E+15 |
3.11E+15 |
Полученные данные по активности ОЯТ от глубины выгорания и времени выдержки аппроксимированы с помощью функции
Y(x,y)=(a+blnx+c(lnx)2+d(lnx)3+elny/(1+flnx+g(lnx)2+h(lnx)3+ilny), (2)
где a…i - аппроксимационные коэффициенты: a = 2.4913E+16; b = -1.0702E+16; c = 1.4787E+15; d = -9.3024E+13; e = 9.921E+14; f = 7.51204E-01; g = -3.0437E-01; h = 3.9965E-02; i = -2.8865-01,
Y(x,y) - активность ОЯТ, Бк/тU; x - время выдержки, г.; y - глубина выгорания ОЯТ, ГВт•сут/тU.
Отклонение вычисленных активностей по аппроксимационной зависимости от результатов, рассчитанных по MCU-PD, представлены на рис.1.
Как следует из рис.1, получено очень хорошее совпадение вычисленных результатов.
Для определения времени выдержки ОЯТ в бассейне, при транспортировании и длительном хранении необходимо знание остаточного тепловыделения в зависимости от выгорания и времени выдержки. Расчетные данные по остаточному тепловыделению ОЯТ (Вт/тU) ВВЭР-1200 с начальным обогащением 4,95 % по 235U для выгораний 40, 50, 60 и 70 ГВт•сут/тU для времен выдержки от 5 до 100 лет вычислены с помощью кода MCU-PD (табл. 3).
Рис.1. Отклонение вычисленных активностей по аппроксимационной зависимости от результатов, рассчитанных с использованием MCU-PD
Таблица 3. Расчетные данные по остаточному тепловыделению ОЯТ (Вт/тU) ВВЭР-1200 с начальным обогащением 4,95 % по 235U
Время выдержки, лет |
Глубина выгорания, ГВт•сут/тU |
|||||
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
||
5 |
2825.0 |
3196.7 |
3593.9 |
4018.7 |
4469.0 |
|
10 |
1791.6 |
2028.4 |
2283.3 |
2559.5 |
2858.9 |
|
15 |
1540.8 |
1737.2 |
1947.5 |
2175.0 |
2419.3 |
|
20 |
1392.5 |
1565.4 |
1748.9 |
1946.5 |
2158.0 |
|
25 |
1273.6 |
1428.4 |
1591.3 |
1765.3 |
1949.6 |
|
30 |
1170.3 |
1309.7 |
1455.4 |
1609.6 |
1771.9 |
|
35 |
1078.6 |
1204.7 |
1335.4 |
1472.8 |
1616.6 |
|
40 |
996.6 |
1111.3 |
1229.2 |
1352.2 |
1479.8 |
|
45 |
923.3 |
1027.8 |
1134.4 |
1245.1 |
1359.0 |
|
50 |
857.5 |
953.3 |
1050.1 |
1149.9 |
1252.1 |
|
55 |
798.4 |
886.4 |
974.7 |
1065.2 |
1157.2 |
|
60 |
745.3 |
826.5 |
907.4 |
989.8 |
1072.6 |
|
65 |
697.5 |
772.7 |
847.1 |
922.3 |
997.4 |
|
70 |
654.6 |
724.3 |
792.9 |
861.7 |
930.3 |
|
75 |
615.8 |
680.8 |
744.3 |
807.6 |
870.2 |
|
80 |
580.9 |
641.7 |
700.5 |
758.9 |
816.5 |
|
85 |
549.5 |
606.2 |
661.0 |
715.4 |
768.3 |
|
90 |
521.0 |
574.3 |
625.5 |
675.9 |
724.9 |
|
95 |
495.3 |
545.5 |
593.5 |
640.4 |
685.8 |
|
100 |
472.0 |
519.3 |
564.4 |
608.3 |
650.6 |
Зависимости остаточного тепловыделения ОЯТ от глубины выгорания и времени выдержки аппроксимированы с помощью функции
Y(x,y =(a+blnx+c(lnx)2+d(lnx)3+elny+f(lny)2) / (1+glnx+h(lnx)2 +i(lnx)3+jlny), (3)
где a…j - аппроксимационные коэффициенты: a = 1.66574E+03; b = 1.69243E+03; c = 4.33745E+02; d = 3.86929E+01; e = 2.70061E+02; f = 1.17219E+01; g = 1.01844E+00; h = -4.05325E-01; i = 5.57931E-02; j = -3.62633E-01,
Y(x,y) - остаточное тепловыделение ОЯТ, Вт/т U; x - время выдержки, г.; y - глубина выгорания ОЯТ, ГВт•сут/тU.
Отклонение вычисленных величин остаточного тепловыделения по аппроксимационной зависимости от результатов, рассчитанных по MCU-PD, представлены на рис.2.
Как следует из рис.2, получено очень хорошее совпадение вычисленных результатов.
В заключение следует отметить, что расчетами для обоснования безопасности при обращении с ОЯТ реакторов PWR длительное время занимаются в американской Национальной лаборатории Окриджа (ORNL). Расчеты выгорания проводились с использованием кода ORIGEN, который является частью программного комплекса SCALE. Результаты включают в общую активность, остаточное тепловыделение, источники фотонов и нейтронов, тепловыделение за счет фотонного излучения, а также концентрации 115 значимых нуклидов. Эти величины имеют большое значение для регулирования обращения с ОЯТ и эксплуатации хранилища ОЯТ, его транспортирования и водоотведения [4-5].
Рис.2. Отклонение вычисленных величин остаточного тепловыделения по аппроксимационной зависимости от результатов, рассчитанных с использованием MCU-PD
Результаты, сравнения полученных для реактора Westinghouse PWR 17x17 с начальным обогащением 5 % по 235U для выгорания 72 ГВт•сут/тU для общей активности и остаточному тепловыделению, с результатами данной работы представлены в таблице 4.
Таблица 4. Сравнение результатов данной работы с результатами ORNL
Свойства ОЯТ |
Время выдержки, лет |
|||||
5 |
10 |
50 |
100 |
Результаты |
||
Бк/т U |
4.18E+16 |
2.949E+16 |
9.77E+15 |
3.16E+15 |
[4] |
|
Бк/т U |
4.23E+16 |
2.95E+16 |
9.67E+15 |
3.11E+15 |
Данная работа |
|
Вт/т U |
4470 |
2950 |
1280 |
655 |
[4] |
|
Вт/т U |
4469 |
2959 |
1252 |
651 |
Данная работа |
|
Вт/т U |
4430 |
645 |
[5] |
Как следует из таблицы 4 данные расчетов общей активности и остаточного тепловыделения, представленные в данной работе, практически совпадают с результатами. полученными Национальной лабораторией Окриджа для реактора Westinghouse PWR 17x17.
Выводы
Приведенные данные по радионуклидному составу, ядерным константам и теплофизическим характеристикам отработавшего ядерного топлива реактора ВВЭР-1200, могут быть используемыми при обосновании безопасности объектов использования атомной энергии при лицензировании соответствующих видов деятельности.
Библиографический список
1. Руководство по безопасности при использовании атомной энергии. Радиационные и теплофизические характеристики отработавшего ядерного топлива водо-водяных энергетических реакторов и реакторов большой мощности канальных. РБ-093-14: утверждено Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 26 марта 2014 г. № 119. - 100 с.
2. SCALE: A Modular Code System for Performing Standardized Computer Analyses for Licensing Evaluation, Vols. I, II, and III. ORNL/NUREG/CSD-2R6. Oak Ridge, USA: Radiation Safety Information Computational Centre at ORNL, 2000. - 150 p.
3. Разработка программы MCU-PD для расчёта нейтронно-физических характеристик активных зон реактора ВВЭР-1200 АЭС-2006, реализующей для решения уравнения переноса нейтронов метод Монте-Карло на основе информации, хранящейся в файлах оценённых ядерных данных. Отчёт РНЦ КИ инв. № 36-03/18-08, Москва, 2009. - 180 с.
4. J. Hu, I.C. Gauld, J.l. Peterson and S.M. Bowman, "Us commercial spent nuclear fuel. Assembly characteristics, 1968-2013;" NUREG/CR-7227 ORNL/TM-2015/619, Oak Ridge, 2016. - 145 p.
5. I.C. Gauld, J.C. Ryman. Nuclide Importance to Criticality Safety, Decay Heating, and Source Terms Related to Transport and Interim Storage of High-Burnup LWR Fuel. NUREG/CR-6700. ORNL/TM-2000/284, Oak Ridge, 2001. - 104 p.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Методы учета и контроля ядерных материалов в "мокром" хранилище отработавшего ядерного топлива реакторных установок ВВЭР-1000. Требования к применению средств контроля доступа и проведению физической инвентаризации. Порядок оценки безвозвратных потерь.
дипломная работа [780,3 K], добавлен 16.01.2014Обзор и анализ способов утилизации горючих отходов переработки отработавшего ядерного топлива. Исследование и оптимизация процесса плазменного горения модельных горючих водно-органических композиций. Оценка энергозатрат на процесс плазменной утилизации.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 10.01.2015Определение удельного выгорания топлива ядерного реактора. Содержание изотопов урана в природном и обогащенном его вариантах. Анализ эволюции изотопов плутония во время кампании, изменение весового соотношения продуктов деления к концу кампании.
курсовая работа [678,8 K], добавлен 11.03.2013Теплотехническая надежность ядерного реактора: компоновка, вычисление геометрических размеров его активной зоны и тепловыделяющей сборки. Определение координат и паросодержания зоны поверхностного кипения. Температура ядерного топлива по высоте ТВЭл.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 18.06.2011Нейтронно-физический и теплогидравлический расчёт уран-графитового реактора. Параметры нестационарных и переходных процессов. Эффекты реактивности при отравлении реактора. Расчёт нуклидного состава и характеристик, связанных с выгоранием топлива.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 20.12.2015Использование ядерного топлива в ядерных реакторах. Характеристики и устройство водоводяного энергетического реактора и реактора РБМК. Схема тепловыделяющих элементов. Металлоконструкции реактора. Виды экспериментальных реакторов на быстрых нейтронах.
реферат [1,0 M], добавлен 01.02.2012Описание нейтронно-физических характеристик реактора ВВЭР-440. Определение коэффициента размножения тепловых нейтронов. Нахождение капиталовложений и ежегодных эксплуатационных издержек системы "ВВЭР СВШД". Мероприятия по защите от радиоактивных выбросов.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 23.01.2014Радиационная опасность ядерных материалов. Выбор полосового дифракционного фильтра и детектора. Вывод функций распределения актиноидов в периферийном слое топливной таблетки. Оценка фонового излучения. Фон от тормозного излучения и от продуктов деления.
курсовая работа [559,2 K], добавлен 27.11.2013География мировых природных ресурсов. Потребление энергии - проблема устойчивого развития. Статистика потребления мировой энергии. Виды нетрадиционных (альтернативных) источников энергии и их характеристика. Хранение отработавшего ядерного топлива.
презентация [1,2 M], добавлен 28.11.2012Предназначение и конструктивные особенности ядерного энергетического реактора ВВЭР-1000. Характеристика и основные функции парогенератора реактора. Расчет горизонтального парогенератора, особенности гидравлического расчета и гидравлических потерь.
контрольная работа [185,5 K], добавлен 09.04.2012