1

Для расширения экспериментальных возможностей исследовательского реактора СМ проводят его модернизацию, в результате которой в активной зоне предполагается разместить до двух петлевых каналов, каждый из которых займет ячейку ТВС. Для компенсации потерь реактивности на первом этапе модернизации решено увеличить на 20% количество топлива в твэле (с 5г 235 U до 6г 235 U) при сохранении его геометрии, материалов оболочки и топливной матрицы. Кроме этого, стальной чехол ТВС решили заменить чехлом из циркониевого сплава. 2

Вертикальное и горизонтальное сечение реактора СМ 3

ТВС и твэл реактора СМ 4

Сечения трех типов ТВС реактора СМ 5

Предварительно твэлы с увеличенной загрузкой топлива были испытаны в петлевом канале отражателя реактора СМ при средних и максимальных нагрузках. Затем в активной зоне реактора СМ были испытаны опытные ТВС трех типов. Результаты предварительных расчетно-экспериментальных исследований показали, что поэтапный переход на более плотное по урану топливо возможен в процессе штатных перегрузок реактора. При этом был смоделирован перевод, как при наличии петлевых каналов в активной зоне, так и при их отсутствии. Петлевые установки к моменту завершения испытаний опытных ТВС не были готовы, поэтому перевод на новое топливо было решено проводить по второму варианту. 6

Условия перевода: -замена в процессе планового графика работы реактора; -проектные пределы для реакторной установки и требования ядерной безопасности не должны быть нарушены. Процедура перевода действующего ядерного реактора на новое топливо в процессе его плановой эксплуатации не регламентирована действующими нормативными документами по безопасности. Поэтому такую процедуру необходимо было разработать, обосновать и согласовать с государственными надзорными органами. 7

В результате была принята и согласована с Ростехнадзором следующая схема действий: расчетное обоснование безопасности для каждой планируемой кампании с направлением оформленного документа в надзорные органы до начала кампании; экспериментальное определение эффективности органов СУЗ, запаса реактивности и подкритичности активной зоны по завершению перегрузочных работ перед каждой кампанией, с оформлением и направлением в надзорные органы соответствующих документов; экспериментальное определение физических характеристик активной зоны, важных для безопасности, после замены всех штатных ТВС в активной зоне на ТВС с увеличенной загрузкой топлива; 8

оформление пояснительной записки проекта активной зоны с новым топливом; оформление документации по переводу ТВС новых типов из категории опытных в категорию штатных; оформление отчета по обоснованию безопасности реактора и внесение необходимых изменений в эксплуатационную документацию. В первой половине 2005г в процессе 11 кампаний все топливо в активной зоне было заменено. К моменту пуска реактора после ППР вся активная зона, включая топливные подвески КО, была набрана из новых ТВС. Кроме этого были заменены также поглощающие части КО, выработавшие проектный ресурс. 9

Для уточнения основных физических характеристик реактора СМ с новым составом активной зоны на реакторе были проведены измерения: мощностного коэффициента реактивности; температурного эффекта реактивности; градуировочных характеристик КО; эффективности рабочих органов СУЗ; эффектов реактивности от загрузки в активную зону опытных ТВС с различным выгоранием топлива. Измерения проводили с использованием реактиметра КАРПАТЫ и цифрового многоканального реактиметра разработки НИИАР. Все используемые экспериментальные методики аттестованы. Погрешность определения реактивностных параметров составляет 4,2-10%. 10

Мощностной коэффициент реактивности для «горячего, отравленного» состояния активной зоны реактора составил (4,7 0,3) 10 3 эфф /МВт. Это значение несколько выше мощностного коэффициента реактивности -(4,0 0,3)10 3 эфф /МВт для аналогичного состояния активной зоны, загруженной штатным топливом. 11

Изотермический температурный эффект 12

Характеристики температурных эффекта и коэффициента реактивности активной зоны реактора СМ ПараметрОпытные ТВСШтатные ТВС Зависимость эффекта реактивности ρ(Т) от температуры, эфф Зависимость температурного коэффициента реактивности k ρ (Т) от температуры, эфф / С З начение температурного коэффициента реактивности для номинальной мощности k ρ (75 Т 90), эфф / С (0,020 0,001) (0,018 0,001) Значение температурного эффекта реактивности при выводе реактора на мощность Δρ (15 Т 95), эфф (1,12 ±0,06) (1,04±0,05) 13

Градуировочные характеристики КО Комбинации КО: поглощающая часть после двенадцати лет эксплуатации (выгоревший поглотитель), топливные подвески штатные ТВС с выгоранием топлива %; выгоревший поглотитель, топливные подвески опытные ТВС с нулевым выгоранием; необлученный поглотитель, топливные подвески опытные ТВС с нулевым выгоранием. ГХ описывали полиномом вида: 14

Градуировочные характеристики КО выгоревший поглотитель, топливные подвески штатныеТВС с выгоранием 28 29%; выгоревший поглотитель, топливные подвески опытные ТВС с нулевым выгоранием; необлученный поглотитель, ТП ТВС типа с нулевым выгоранием; 15

Эффективности КО реактора СМ ( эфф ) Материальный состав КОКО-1КО-2КО-3КО-4Сумма выгоревший поглотитель, топливная подвеска штатная ТВС (выгорание %)1,16±0,061,22±0,061,14±0,061,22±0,064,74±0,34 выгоревший поглотитель, топливная подвеска опытная ТВС (выгорание - 0 %) 1,82±0,112,04±0,121,88±0,111,96±0,117,70±0,54 необлученный поглотитель, топливная подвеска опытная ТВС (выгорание - 0 %) 1,83±0,112,07±0,122,09±0,122,00±0,127,99±0,56 16

Эффективность ЦКО и КО реактора СМ Положение РО по указателю положения, мм Эффективность, эф ЦКО КО-1 4 ЦКОКО-1КО-2КО-3КО-4 КО ,9±0,31,9±0,12,0±0,12,4±0,12,1±0,18,4±0, ,9±0,22,4±0,12,4±0,13,0±0,22,6±0,110,4±0,6 17

Эффективность АР реактора СМ при различном положении ближайшего КО Положение КО-1, мм Эффективность АР-1, эфф Положение КО-3, мм Эффективность АР-2, эфф 4500,005±0, ,014±0,001 00,074±0,00300,174±0,005 18

Эффекты реактивности при перегрузке ТВС с увеличенной загрузкой топлива в реакторе СМ ( эфф ) ячеек ТВС с выгоранием ТВС с выгоранием ТВС с выгоранием 0%40%0%40%0%40% 53, 54, 62, 65, 72, 75, 83, 842,3±0,10,9±0,1 1) 1)1,7±0,10,7±0,1 43, 44, 61, 66, 71, 76, 93, 941,5±0,10,4±0,11,2±0,10,4±0,11,1±0,10,4±0,1 52, 55, 82, 851,5±0,10,4±0,11,2±0,10,3±0,11,1±0,10,3±0,1 42, 45, 51, 56, 81, 86, 92, 951,1±0,10,5±0,1 1) ТВС данного типа не устанавливается в указанные ячейки 19

Год Компенсирующая способность органов СУЗ, β эфф Запас реактивности, β эфф Подкритичность а.з., β эфф Темп потери реактивности на выгорание топлива, β эфф /( МВт · сут ) ,611,72,00, ,710,62,10, ,210,72,50, ,810,32,50, ,510,12,40, ,09,62,50, ,510,12,30, ,29,92,30,

Год Среднее выгорание топлива в а.з., % Масса 235 U в а.з. на начало кампании, кг Среднее выгорание в ТВС, выгружаемых из а.з., % начало кампании конец кампании ,518,225,429, ,718,325,330, ,021,327,535, ,322,727,936, ,324,727,739, ,424,727,739, ,423,827,738, ,321,324,624,627,642,1 21

Фактические показатели использования "свежего" топлива Год Энерговыработка, МВт · сут Количество "свежих" ТВС Масса 235 U в "свежих" ТВС, кг Расход "свежих" ТВС на 1000 МВт · сут 2003~ ,95,0 2004~ ,64,6 2005~ ,43,4 2006~ ,13,2 2007~ ,22,8 2008~ ,63,1 2009~ ,32,9 2010~ ,92,8 22

Перевод в 2005г. реактора на новое топливо привёл к снижению расхода свежих ТВС. Более плотное топливо медленнее выгорает, время нахождения ТВС в активной зоне и кратность перегрузок увеличивается. Экономия топлива достигнута также за счет изменения алгоритма перегрузок топлива. Свежие ТВС загружали преимущественно в ячейки, примыкающие к нейтронной ловушке. Эффект реактивности от загрузки топлива в эти ячейки - максимальный. При достижении выгорания 10÷25 % сборки из центральных ячеек переставляли в периферийные, на границе активной зоны и отражателя таким образом, что менее выгоревшие ряды твэлов ориентировались на отражатель в область всплеска тепловых нейтронов. При этом обеспечивались наибольшая прибавка в реактивности и наиболее равномерное выгорание топлива по объёму ТВС. 23

В 2006г. на реакторе СМ-3 было проведено 24 кампании, в 2007г. – 25 кампаний, в 2008г. – 27 кампаний, в 2009г. – 26 кампаний, в 2010г. – 25 кампаний (всего 127 кампаний). При этом нарушений требований ядерной безопасности не допускали. Эксплуатационные и экономические показатели работы реактора СМ-3 с использованием ТВС новых типов доказали их перспективность. Надёжная работа реактора служит доказательством работоспособности твэлов с увеличенной загрузкой топлива в широком диапазоне тепловых нагрузок (до 15 МВт/м 2 ) и выгораний (более 40 % в среднем по ТВС). При соблюдении действующего графика работы реактора и реализации нового алгоритма перегрузок получена значительная экономия в использовании свежего топлива. 24

25