Выход ПД из топлива при аварии.

Моделирование выхода продуктов
деления из топлива на начальной
стадии тяжелой аварии
В.В. Безлепкин, И.А.Потапов, А.С.Фролов
ФГУП СПбАЭП, Санкт-Петербург, Россия
1
Продукты деления при расчете тяжелых авариях
Теплогидравлический тяжелоаврийный интегральныйсквозной код
Радионуклидный блок
Наработка ПД
в топливе
Выход ПД из
топлива
Транспорт ПД
в РУ
Остаточное
тепловыделение
2
Накопление ПД и актинидов в топливе.
Модуль БОНУС [1] (Быстрая Оценка НУклидного Состава) предназначен для
экспресс-оценки временной зависимости концентрации, активности и
энерговыделения ПД и актиноидов в топливе на этапе штатной работы и после
останова реактора типа ВВЭР.
Код реализует одногрупповую нейтронную методику для расчета
концентраций ПД и актиноидов.
Учитывается γ- и β-распады ПД и радиационный захват медленных
нейтронов.
Учитывается наработка делящихся нуклидов.
Библиотека содержит данные для 265 нуклидов, включая стабильные.
Разработан модуль в ИБРАЭ РАН.
Для выполнения кросс-верификации результатов расчета модуля БОНУС
использован код РАДИОНУКЛИД.
Код предназначен для расчета нуклидного состава, активности и
радиационных характеристик топлива энергетических реакторов на
тепловых нейтронах.
Основу кода РАДИОНУКЛИД составляют известные коды WIMS-D4 и
ORIGEN.
Код оперирует с 879 нуклидами (ПД) и 129 актинидами.
Разработан код РАДИОНУКЛИД в РНЦ КИ.
3
Накопление ПД и актинидов в топливе.
Спад остаточного энерговыделения продуктов деления и актиноидов в
топливе в зависимости от времени после останова реактора по отношению
к номинальной мощности реактора.
-1
Остаточное относительное энерговыделение
10
-2
10
РАДИОНУКЛИД
БОНУС
ANS-5.1
-3
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
Время (сек)
4
Накопление ПД и актинидов в топливе.
Вклад ЛПД и ГПД в остаточное энерговыделение в топливе
Доля от остаточного энерговыделения
0.30
0.25
Q(Xe+I+Cs+Te)
-Радионуклид
-Бонус
0.20
100
1000
10000
Время (сек)
5
Накопление ПД и актинидов в топливе.
Накопление изотопов йода в топливе при работе реактора на мощности
-4
Концентрация изотопов иода в топливе (отн.ед.)
7.0x10
-1
10
-2
10
сумма
0.0
0.0
-3
10
7
8.0x10
I_127
I_129
I_131
,stable
,stable
,T1/2=8.04d
I_132
,T1/2=2.28h
сумма
I_133 ,T1/2=20.8h
-4
10
I_135 ,T1/2=6.57h
-5
10
I_134 ,T1/2=52.6m
I1_136 ,T1/2=47s
-6
10
I_136 ,T1/2=1.39m
-7
I_138 ,T1/2=6.5s
10
I_137 ,T1/2=24.5s
-8
10
-9
10
-10
10
0.0
7
2.0x10
7
4.0x10
7
6.0x10
7
8.0x10
8
1.0x10
Время работы реактора (с)
6
Выход ПД из топлива
при нормальной эксплуатации
Рассматриваются следующие механизмы выхода ПД:
1. Выход ПД из топлива за счет кинетической энергии, получаемой
осколком
при делении тяжелого ядра.
2. Выход ПД из топлива за счет испарения топлива в треках деления.
3. Выход ПД из топлива за счет диффузии ПД в топливе.
Топливо
Радиальный зазор,
стыки между
таблетками
Твэл
Осевое
отверстие
Оболочка
Зазор
Топливо
Отверстие
7
Тестовые расчеты выхода РПД из
топлива
Сравнения активностей ПД в зазоре, в осевом отверстии и твэле РУ V-428.
Изотоп
λ
пост.
Расп.
αк
кумул.
выход
αн
незав.
выход
-
1/c
-
1
zr 97
1.13-5
2
nb 97m
3
ПД под оболочкой
в зазоре
в
осевом
отвер.
в твэле
-
-
-
-
5.97-2
5.97-2
1.00
1.01
1.01
1.15-2
5.68-2
2.97-4
0.99
1.01
1.01
nb 97
1.60-4
6.05-2
5.14-4
1.00
1.01
1.01
4
sn131
1.07-2
1.03-2
1.03-2
1.00
1.01
1.00
5
sb131
5.02-4
2.66-2
1.63-2
1.00
1.01
1.00
6
te131m
6.42-6
5.01-3
2.38-3
1.00
1.01
1.00
7
te131
4.62-4
2.66-2
1.31-3
1.00
1.01
1.00
8
i131
1.0-6
3.03-2
4.70-5
0.99
1.01
0.99
9
xe131m
6.74-7
3.36-4
1.60-5
1.00
1.00
1.00
8
Выход ПД из топлива при аварии.
В рассматриваемых моделях выхода ПД из твердого топлива средняя скорость изменения
концентрации элемента j описывается уравнением
d
N j  R j N j  S j
dt
(1)
где Nj – средняя концентрация атомов элемента в топливе в момент времени t, Rj –скорость
выхода элемента из топлива в зазор, Sj – источник.
Модель CORSOR
В этой модели скорости выхода записывается в виде
R j  Aj exp( B jT  ),
T   T  273.15
(2)
T – температура топлива в К, Aj и Bj — эмпирические коэффициенты, полученные из сравнения
с экспериментальными данными. При T < 1173 К скорость выхода обращается в нуль.
Модель CORSOR–М
Эта модель отличается от CORSOR только формой зависимости скорости от температуры:
R j  k j exp(  Q j RT )
(3)
R — универсальная газовая постоянная, kj и Qj эмпирические коэффициенты.
Модель CORSOR–BOOTH
Для описания выхода ПД в зазор используется полуфеноменологическая модель диффузии в
эффективной сфере (Booth модель). В этой модели цезию отводится роль опорного элемента.
Скорости выхода остальных элементов (классов) рассчитываются с помощью корреляционного
соотношения
R j  C j RCs
(4)
9
Тестовые расчеты выхода РПД из
топлива
Накопление ПД под оболочкой твэлов на момент останова реактора. Выход
ПД из топлива по отношению к наработанному в топливе, вычисленный
по модели CORSOR-M на момент окончания 3-летней кампании.
Относитеольный выход летучих ПД из топлива
( Классы Xe, I, Cs, Te, модель CORSOR-M)
10
1
0.1
0.01
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
500
600
700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Температура топлива [C]
10
Тестовые расчеты выхода РПД из
топлива
Накопление ПД под оболочкой твэлов на момент останова реактора.
Сравнение выхода нуклидов из топлива
Изотоп
Т 1/2
Класс
-
год
-
2
3
4
Выход РПД
CORSOR-M
Выход РПД
CORSOR-BOOTH
%
5
%
6
7
НТД89
%
8
9
1
Kr-85
10,7
Xe
1,3e-5
18
1.0e-5
0,24
0,86
2
Sr-90
28,7
Sr
0
2,2E-06
1,6e-8
3,7E-04
0,83
3
Cs-134
2,1
Cs
1,3e-5
18
1.0e-5
0,24
1,0
4
Cs-137
30
Cs
1,3e-5
18
1.0e-5
0,24
0,83
5
Ce-144
0,8
Ce
0
0
1,7e-10
4,0Е-6
0,79
6
Pm-147
2,6
La
0
0
1,0e-10
2,5Е-6
0,89
11
Тестовые расчеты выхода РПД из
топлива
Запроектная авария
Основные этапы развития аварии
Время, с
Образование течи 1 контура.
0
Начало осушения активной зоны.
12
Повторный залив активной зоны
80
Начало разогрева активной зоны
900
Полное повторное осушение активной зоны
1480
Превышение температуры оболочек твэл проектного предела (1473 К)
1590
Начало выхода материалов разрушенной части активной зоны и
элементов внутрикорпусных устройств в нижнюю камеру реактора
2300
Образование в активной зоне локальных ванн расплава.
3000
Поступление расплава на днище реактора
7100
Разрушение корпуса реактора, выход первой порции расплава в УЛР
11060
12
Тестовые расчеты выхода РПД из
топлива
Запроектная авария
Выход ПД при запроектной аварии
22
3.5x10
22
Выход класса [ 1 / кгUO2 ]
3.0x10
22
2.5x10
22
2.0x10
22
1.5x10
I - corsor
I - corsor-m
I - corsor-booth
22
1.0x10
21
5.0x10
0.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Время от начала аварии [сек]
13
Выводы
1. Моделирование модулем БОНУС накопления продуктов деления и
остаточного тепловыделения в топливе реакторов типа ВВЭР
соответствует принятым в мировой практике подходам и точности.
2. При использовании моделей CORSOR, CORSOR-M и CORSOR-BOOTH
(модуль КОРРЕЛ) для моделирования выхода РПД следует учитывать
следующее.
• Модели не дают адекватного описания накопления ПД (РПД) под
оболочкой твэлов на момент останова реактора.
• Выход ПД (РПД) из топлива во времени модели описывают по
разному. Дополнительно требуется выполнение вариантных
расчетов и проведение анализа представительности результатов.
• При использовании моделей предполагается неизменность состава
классов ПД в процессе аварии , (наработка РПД отсутствует, изменение
состава классов не учитывается). Требуется проведение обоснования
данного положения для конкретных сценариев аварии.
В заключение авторы выражают благодарность сотрудникам НИО ФГУП СПбАЭП
за помощь в работе и предоставление исходных данных по расчету тяжелой
аварии, сотрудникам ИБРАЭ РАН за предоставление расчетных программ и
консультации по их использованию.
14