Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. —
Димитровград: Научно-исследовательский институт атомных реакторов,
2015. — 283 с.
Специальность: 05.14.03 - Ядерные энергетические
установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из
эксплуатации
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Калыгин В.В. Цель работы. Разработка, научно-методическое обоснование и практическая реализация технических решений по расширению экспериментальных возможностей активной зоны с созданием новых экспериментальных объемов и улучшению топливного цикла реактора.
Научная новизна. Решение поставленных задач позволило получить ряд результатов, определяющих научную новизну работы:
— обоснованы основные концептуальные решения модернизации активной зоны высокопоточного исследовательского реактора СМ для увеличения экспериментальных объемов, повышения плотности потока нейтронов в них и улучшения топливного цикла реактора;
— разработано программно-методическое обеспечение для проведения инженерных поисковых и прецезионных расчетов нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик активной зоны при решении задач модернизации;
— получены теплофизические и нейтронно-физические характеристики активной зоны реактора СМ, проведен их комплексный анализ, установлены и систематизированы закономерности формирования поля тепловыделения по объему активной зоны при перегрузках топлива и в процессе кампании реактора;
— предложены обоснованные технические решения по увеличению экспериментальных объемов в массиве активной зоны,получены и исследованы характеристики новой компоновкиактивной зоны, модернизированной в рамках первого этапа;
— обоснована конструкция, материальный состав и проведено обоснование работоспособности и эксплуатационной надежности модифицированных твэлов и ТВС в новых условиях модернизированной активной зоны в объеме первого этапа модернизации;
— обоснован алгоритм и проведено расчетное сопровождение перевода реактора на модифицированное топливо, в результате которого реализован первый этап модернизации активной зоны;
— обоснованы конструкция, материальный состав экспериментальных твэлов с малым вредным поглощением нейтронов и стержней с выгорающим поглотителем, их оптимальное размещение в тепловыделяющей сборке в новых условиях модернизированной активной зоны в объеме второго этапа модернизации.
— определены характеристики экспериментальных каналов и активной зоны в различных компоновках с использованием МВП твэла;
— обоснованы режимы, проведены петлевые испытания дисперсионного топлива с матрицей на основе алюминия (МВП твэлов) при плотности теплового потока выше 7 МВт/м2 до значений среднего выгорания выше 50%.
Практическая значимость работы:
— В результате проведенных исследований модифицированных твэлов с повышенной загрузкой урана и полномасштабных ТВС в рамках первого этапа модернизации показана их работоспособность при нагрузках до 15 МВт/м2, до средних значений выгорания топлива в ТВС 50%, что позволило обосновать и осуществить перевод реактора на такое топливо и, тем самым, завершить первый этап модернизации активной зоны реактора СМ.
— Предложенный алгоритм перевода реактора на модифицированное топливо и проведенное расчетное сопровождение перевода, в результате которого был реализован первый этап модернизации активной зоны, позволили расширить экспериментальные возможности реактора. Компоновка и характеристики активной зоны реактораСМ были изменены таким образом, чтобы в ней можно было разместить до двух петлевых каналов большого диаметра и до четырех ампульных каналов увеличенного диаметра для испытания материалов и наработки изотопной продукции. В результате экспериментальный объем в а.з. увеличился в 4,1 раза. При этом было снижено годовое потребление ТВС на 22%, урана на 9%.
— При работе реактора без петлевых каналов, (проектом активной зоны такой режим предусмотрен) использование модифицированного топлива позволило увеличить экспериментальный объем в а.з. в 1,7 раза, значительно улучшить топливоиспользование реактора: снизить годовую потребность в тепловыделяющих сборках на 27 %, в высокообогащенном уране на 15 %.
— Результаты расчетных и экспериментальных исследований вошли в состав технических проектов твэла, тепловыделяющей сборки трех модификаций и технического проекта активной зоны, модернизированной по первому этапу, позволили провести межведомственные испытания изделий и поставить их на серийное производство.
— С использованием результатов исследований нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик активной зоны на основе МВП твэла (второй этап модернизации) обоснованы режимы и проведены реакторные испытания экспериментальных МВП твэлов трех модификаций, проработавших без нарушения герметичности в условиях модернизированной активной зоны.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Калыгин В.В. Цель работы. Разработка, научно-методическое обоснование и практическая реализация технических решений по расширению экспериментальных возможностей активной зоны с созданием новых экспериментальных объемов и улучшению топливного цикла реактора.
Научная новизна. Решение поставленных задач позволило получить ряд результатов, определяющих научную новизну работы:
— обоснованы основные концептуальные решения модернизации активной зоны высокопоточного исследовательского реактора СМ для увеличения экспериментальных объемов, повышения плотности потока нейтронов в них и улучшения топливного цикла реактора;
— разработано программно-методическое обеспечение для проведения инженерных поисковых и прецезионных расчетов нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик активной зоны при решении задач модернизации;
— получены теплофизические и нейтронно-физические характеристики активной зоны реактора СМ, проведен их комплексный анализ, установлены и систематизированы закономерности формирования поля тепловыделения по объему активной зоны при перегрузках топлива и в процессе кампании реактора;
— предложены обоснованные технические решения по увеличению экспериментальных объемов в массиве активной зоны,получены и исследованы характеристики новой компоновкиактивной зоны, модернизированной в рамках первого этапа;
— обоснована конструкция, материальный состав и проведено обоснование работоспособности и эксплуатационной надежности модифицированных твэлов и ТВС в новых условиях модернизированной активной зоны в объеме первого этапа модернизации;
— обоснован алгоритм и проведено расчетное сопровождение перевода реактора на модифицированное топливо, в результате которого реализован первый этап модернизации активной зоны;
— обоснованы конструкция, материальный состав экспериментальных твэлов с малым вредным поглощением нейтронов и стержней с выгорающим поглотителем, их оптимальное размещение в тепловыделяющей сборке в новых условиях модернизированной активной зоны в объеме второго этапа модернизации.
— определены характеристики экспериментальных каналов и активной зоны в различных компоновках с использованием МВП твэла;
— обоснованы режимы, проведены петлевые испытания дисперсионного топлива с матрицей на основе алюминия (МВП твэлов) при плотности теплового потока выше 7 МВт/м2 до значений среднего выгорания выше 50%.
Практическая значимость работы:
— В результате проведенных исследований модифицированных твэлов с повышенной загрузкой урана и полномасштабных ТВС в рамках первого этапа модернизации показана их работоспособность при нагрузках до 15 МВт/м2, до средних значений выгорания топлива в ТВС 50%, что позволило обосновать и осуществить перевод реактора на такое топливо и, тем самым, завершить первый этап модернизации активной зоны реактора СМ.
— Предложенный алгоритм перевода реактора на модифицированное топливо и проведенное расчетное сопровождение перевода, в результате которого был реализован первый этап модернизации активной зоны, позволили расширить экспериментальные возможности реактора. Компоновка и характеристики активной зоны реактораСМ были изменены таким образом, чтобы в ней можно было разместить до двух петлевых каналов большого диаметра и до четырех ампульных каналов увеличенного диаметра для испытания материалов и наработки изотопной продукции. В результате экспериментальный объем в а.з. увеличился в 4,1 раза. При этом было снижено годовое потребление ТВС на 22%, урана на 9%.
— При работе реактора без петлевых каналов, (проектом активной зоны такой режим предусмотрен) использование модифицированного топлива позволило увеличить экспериментальный объем в а.з. в 1,7 раза, значительно улучшить топливоиспользование реактора: снизить годовую потребность в тепловыделяющих сборках на 27 %, в высокообогащенном уране на 15 %.
— Результаты расчетных и экспериментальных исследований вошли в состав технических проектов твэла, тепловыделяющей сборки трех модификаций и технического проекта активной зоны, модернизированной по первому этапу, позволили провести межведомственные испытания изделий и поставить их на серийное производство.
— С использованием результатов исследований нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик активной зоны на основе МВП твэла (второй этап модернизации) обоснованы режимы и проведены реакторные испытания экспериментальных МВП твэлов трех модификаций, проработавших без нарушения герметичности в условиях модернизированной активной зоны.