Нейтронно-физические характеристики торийсодержащих ТВС-2М
|
Введение 11
1 Теоретическая часть 13
1.1 Торий в природе 13
1.2 Краткая характеристика сырьевой базы тория в России 14
1.3 Торий для ядерных энергетических установок 15
1.4 Плутоний и торий для ядерных энергетических установок 16
1.5 Керамические соединения 17
1.5.1 Оксиды 17
1.5.2 Карбиды 18
1.5.3 Нитриды 18
1.6 Программное обеспечение расчетов 19
2 Подготовка и проведение расчетов 21
2.1 Описание расчетной модели 22
2.2 Оксидные топливные композиции 24
2.3 Нитридные топливные композиции 31
2.4 Карбидные топливные композиции 38
3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 45
3.1 Потенциальные потребители результатов исследования 45
3.1.2 SWOT-анализ 46
3.2 Планирование управления научно-техническим проектом 49
3.2.1 Иерархическая структура работ проекта 49
3.2.2 Контрольные события проекта 50
3.2.3 План проекта 50
3.3 Бюджет научного исследования 53
3.3.1 Расчёт материальных затрат 54
3.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы 56
3.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды 58
3.3.5 Накладные расходы 58
9
3.3.6 Формирование бюджета затрат исследовательского проекта 59
3.4 Организационная структура проекта 59
3.5 Матрица ответственности 60
3.6 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 62
Заключение 66
Список публикаций 68
1 Теоретическая часть 13
1.1 Торий в природе 13
1.2 Краткая характеристика сырьевой базы тория в России 14
1.3 Торий для ядерных энергетических установок 15
1.4 Плутоний и торий для ядерных энергетических установок 16
1.5 Керамические соединения 17
1.5.1 Оксиды 17
1.5.2 Карбиды 18
1.5.3 Нитриды 18
1.6 Программное обеспечение расчетов 19
2 Подготовка и проведение расчетов 21
2.1 Описание расчетной модели 22
2.2 Оксидные топливные композиции 24
2.3 Нитридные топливные композиции 31
2.4 Карбидные топливные композиции 38
3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 45
3.1 Потенциальные потребители результатов исследования 45
3.1.2 SWOT-анализ 46
3.2 Планирование управления научно-техническим проектом 49
3.2.1 Иерархическая структура работ проекта 49
3.2.2 Контрольные события проекта 50
3.2.3 План проекта 50
3.3 Бюджет научного исследования 53
3.3.1 Расчёт материальных затрат 54
3.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы 56
3.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды 58
3.3.5 Накладные расходы 58
9
3.3.6 Формирование бюджета затрат исследовательского проекта 59
3.4 Организационная структура проекта 59
3.5 Матрица ответственности 60
3.6 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 62
Заключение 66
Список публикаций 68
Цель работы - определить нуклидный состав топливной загрузки и диаметр твэл, которые обеспечат максимальную глубину выгорания и длину кампании ядерного реактора с ТВС-2М.
В процессе исследования проводился расчет и сравнение длительности кампании и глубины выгорания различных топливных композиций и оптимизация внешнего диаметра твэл в программе MCU.
В результате исследования определено, что торийсодежращие топливные композиции показывают большую длительность кампании и глубину выгорания по сравнению с чисто урановыми топливными композициями.
Степень внедрения: высокая.
Область применения: ядерная энергетика.
Экономическая эффективность/значимость работы: высокая.
Разведанные запасы тория в земной коре в несколько раз превышают запасы урана, что, потенциально, существенно увеличивает сырьевую базу ядерной энергетики в случае использования замкнутого ядерного топливного цикла.
Торий-232 является лучшим «сырьевым» изотопом по сравнению с ураном-238 для реакторов с тепловым спектром нейтронов. Уран-233 испускает более двух нейтронов в расчёте на один захват первичного нейтрона для широкого набора реакторов с тепловым спектром нейтронов.
Диоксид тория имеет большую химическую и радиационную стойкость в сравнении с диоксидом урана, а также лучшие теплофизические свойства (теплопроводность, коэффициент линейного расширения).
Цель работы: определить нуклидный состав топливной загрузки и диаметр твэл, которые обеспечат максимальную глубину выгорания и длину кампании ядерного реактора с ТВС-2М.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие
задачи:
- выбор материалов топливных композиций;
- выбор критериев сравнения топливных композиций;
- создание расчетной модели ТВС-2М;
- обработка расчетных результатов и выбор оптимального варианта топливной композиции.
Научная новизна исследования обусловливается возможностью использования результатов настоящей работы применимо к атомным теплоэлектростанциям малой мощности, которые предназначены для снабжения труднодоступных районов страны тепловой и электрической энергией. Для размещённых в отдалённых районах атомных энергоисточников
одним из важных для экономичности показателей является время работы до
11
перегрузки топлива, и в данной работе рассматриваются топливные композиции, которые способны обеспечить увеличение данной характеристики.
Актуальность темы исследования заключается в том, что применение новых видов топлива позволит решить часть актуальных проблем ядерной энергетики, таких как нахождение возможностей утилизации накопленного плутония, снижение накопления плутония, трансурановых элементов и актиноидов при работе реактора, вызывающих затруднения при решении вопросов захоронения радиоактивных отходов, сокращения расхода природного урана, а в будущем, возможно, приведет к замыканию ЯТЦ. В результате реализации уран-ториевого топливного цикла существенно улучшаются технико-экономические показатели, повышается безопасность АЭС с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах [1].
В процессе исследования проводился расчет и сравнение длительности кампании и глубины выгорания различных топливных композиций и оптимизация внешнего диаметра твэл в программе MCU.
В результате исследования определено, что торийсодежращие топливные композиции показывают большую длительность кампании и глубину выгорания по сравнению с чисто урановыми топливными композициями.
Степень внедрения: высокая.
Область применения: ядерная энергетика.
Экономическая эффективность/значимость работы: высокая.
Разведанные запасы тория в земной коре в несколько раз превышают запасы урана, что, потенциально, существенно увеличивает сырьевую базу ядерной энергетики в случае использования замкнутого ядерного топливного цикла.
Торий-232 является лучшим «сырьевым» изотопом по сравнению с ураном-238 для реакторов с тепловым спектром нейтронов. Уран-233 испускает более двух нейтронов в расчёте на один захват первичного нейтрона для широкого набора реакторов с тепловым спектром нейтронов.
Диоксид тория имеет большую химическую и радиационную стойкость в сравнении с диоксидом урана, а также лучшие теплофизические свойства (теплопроводность, коэффициент линейного расширения).
Цель работы: определить нуклидный состав топливной загрузки и диаметр твэл, которые обеспечат максимальную глубину выгорания и длину кампании ядерного реактора с ТВС-2М.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие
задачи:
- выбор материалов топливных композиций;
- выбор критериев сравнения топливных композиций;
- создание расчетной модели ТВС-2М;
- обработка расчетных результатов и выбор оптимального варианта топливной композиции.
Научная новизна исследования обусловливается возможностью использования результатов настоящей работы применимо к атомным теплоэлектростанциям малой мощности, которые предназначены для снабжения труднодоступных районов страны тепловой и электрической энергией. Для размещённых в отдалённых районах атомных энергоисточников
одним из важных для экономичности показателей является время работы до
11
перегрузки топлива, и в данной работе рассматриваются топливные композиции, которые способны обеспечить увеличение данной характеристики.
Актуальность темы исследования заключается в том, что применение новых видов топлива позволит решить часть актуальных проблем ядерной энергетики, таких как нахождение возможностей утилизации накопленного плутония, снижение накопления плутония, трансурановых элементов и актиноидов при работе реактора, вызывающих затруднения при решении вопросов захоронения радиоактивных отходов, сокращения расхода природного урана, а в будущем, возможно, приведет к замыканию ЯТЦ. В результате реализации уран-ториевого топливного цикла существенно улучшаются технико-экономические показатели, повышается безопасность АЭС с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах [1].
В настоящей работе выполнены все поставленные задачи.
Построена расчетная модель ТВС-2М реакторной установки ВВЭР-1000. Построены зависимости влияния состава топливной композиции и диаметра твэл на нейтронно-физические характеристики ЯЭУ.
В работе получена оценка влияния различных топливных композиций уранового, уран-ториевого и плутоний-ториевого циклов и содержания делящегося изотопа на длину кампании, глубину выгорания и начальный запас реактивности ядерного топлива реакторной установки ВВЭР-1000.
Показано, что при стандартном диаметре твэл (0,91 см) наибольшая длительность кампании и глубина выгорания у карбидной смеси урана с торием. При сравнении со стандартной топливной композицией из двуокиси урана видно, что при 5% содержании делящихся нуклидов в топливе длительность кампании увеличивается на 41,3% (с 1090 до 1540 суток), глубина выгорания увеличивается на 37,7% (с 37 до 51 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 12,4% (с 29,1 до 25,5 %). При 10% содержании делящихся нуклидов в топливе длительность кампании увеличивается на 47,3% (с 2030 до 2990 суток), глубина выгорания увеличивается на 41,5 % (с 69 до 98 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 6,5 % (с 33,2 до 31,1 %). При 19,9% содержании делящихся нуклидов в топливе длительность кампании увеличивается на
45,9 % (с 3700 до 5400 суток), глубина выгорания увеличивается на 36 % (с 125 до 171 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 4,1% (с 36,1 до 34,7 %).
Проведенная работа по оптимизации диаметра твэл показала, что наибольшую длительность кампании и глубину выгорания показывают карбидные топливные композиции. При сравнении со стандартной топливной композицией из двуокиси урана видно, что при 5% содержании делящихся
нуклидов в топливе наибольший прирост в длительности кампании и глубине выгорания показывает топливная композиция со смесью урана и тория. При диаметре твэл в 1,02 см длительность кампании увеличивается на 67,9% (с 1090 до 1830 суток), глубина выгорания увеличивается на 24,1%
(с 37 до 46 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 26,1% (с 29,1 до 21,5 %). При 10% содержании делящихся нуклидов в топливе наибольший прирост в длительности кампании и глубине выгорания также показывает топливная композиция со смесью оружейного плутония и тория. При диаметре твэл в 1,15 см длительность кампании увеличивается на 133,5% (с 2030 до 4740 суток), глубина выгорания увеличивается на 30,3%
(с 69 до 90 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 34,1% (с 33,2 до 21,9 %). При 19,9% содержании делящихся нуклидов в топливе наибольший прирост в длительности кампании и глубине выгорания показывает топливная композиция со смесью энергетического плутония и тория. При диаметре твэл в 1,15 см длительность кампании увеличивается на 203 % (с 3700 до 11210 суток), глубина выгорания увеличивается на 60 % (с 125 до 201 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности увеличился на 2,1% (с 36,1 до 36,9 %).
В ходе выполнения исследовательского проекта были соблюдены все требования безопасности. Рабочее место было хорошо освещено. При использовании ПЭВМ были соблюдены требования по электро- и пожаробезопасности. В результате выполнения работы травм получено не было.
Проведён экономический анализ исследования. Бюджет затрат исследования составил 26710 рублей.
Построена расчетная модель ТВС-2М реакторной установки ВВЭР-1000. Построены зависимости влияния состава топливной композиции и диаметра твэл на нейтронно-физические характеристики ЯЭУ.
В работе получена оценка влияния различных топливных композиций уранового, уран-ториевого и плутоний-ториевого циклов и содержания делящегося изотопа на длину кампании, глубину выгорания и начальный запас реактивности ядерного топлива реакторной установки ВВЭР-1000.
Показано, что при стандартном диаметре твэл (0,91 см) наибольшая длительность кампании и глубина выгорания у карбидной смеси урана с торием. При сравнении со стандартной топливной композицией из двуокиси урана видно, что при 5% содержании делящихся нуклидов в топливе длительность кампании увеличивается на 41,3% (с 1090 до 1540 суток), глубина выгорания увеличивается на 37,7% (с 37 до 51 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 12,4% (с 29,1 до 25,5 %). При 10% содержании делящихся нуклидов в топливе длительность кампании увеличивается на 47,3% (с 2030 до 2990 суток), глубина выгорания увеличивается на 41,5 % (с 69 до 98 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 6,5 % (с 33,2 до 31,1 %). При 19,9% содержании делящихся нуклидов в топливе длительность кампании увеличивается на
45,9 % (с 3700 до 5400 суток), глубина выгорания увеличивается на 36 % (с 125 до 171 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 4,1% (с 36,1 до 34,7 %).
Проведенная работа по оптимизации диаметра твэл показала, что наибольшую длительность кампании и глубину выгорания показывают карбидные топливные композиции. При сравнении со стандартной топливной композицией из двуокиси урана видно, что при 5% содержании делящихся
нуклидов в топливе наибольший прирост в длительности кампании и глубине выгорания показывает топливная композиция со смесью урана и тория. При диаметре твэл в 1,02 см длительность кампании увеличивается на 67,9% (с 1090 до 1830 суток), глубина выгорания увеличивается на 24,1%
(с 37 до 46 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 26,1% (с 29,1 до 21,5 %). При 10% содержании делящихся нуклидов в топливе наибольший прирост в длительности кампании и глубине выгорания также показывает топливная композиция со смесью оружейного плутония и тория. При диаметре твэл в 1,15 см длительность кампании увеличивается на 133,5% (с 2030 до 4740 суток), глубина выгорания увеличивается на 30,3%
(с 69 до 90 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности снижается на 34,1% (с 33,2 до 21,9 %). При 19,9% содержании делящихся нуклидов в топливе наибольший прирост в длительности кампании и глубине выгорания показывает топливная композиция со смесью энергетического плутония и тория. При диаметре твэл в 1,15 см длительность кампании увеличивается на 203 % (с 3700 до 11210 суток), глубина выгорания увеличивается на 60 % (с 125 до 201 ГВт*сут/т), при этом начальный запас реактивности увеличился на 2,1% (с 36,1 до 36,9 %).
В ходе выполнения исследовательского проекта были соблюдены все требования безопасности. Рабочее место было хорошо освещено. При использовании ПЭВМ были соблюдены требования по электро- и пожаробезопасности. В результате выполнения работы травм получено не было.
Проведён экономический анализ исследования. Бюджет затрат исследования составил 26710 рублей.