Zkušenosti s palivem s vyhořívajícími absorbátory na JE Dukovany

Vývoj palivového cyklu

Původní (projektový) palivový cyklus Jaderné elektrárny Dukovany předpokládal využívání paliva v tříletých kampaních. Schéma zavážení in-out-out, kdy se na okraj aktivní zóny zavážely čerstvé palivové soubory se ukázal jako neekonomický. Další jeho nevýhodou byly relativně vysoké neutronové dávky na reaktorovou nádobu. Proto se už od roku 1987 začalo s přechodem na 4letý cyklus. V případě 3letého cyklu se zaváželo v průměru 116 čerstvých palivových souborů ročně, zatímco v případě plně čtyřletého je to již jen 87 souborů. Aby se přechod na 4letý cyklus mohl realizovat, bylo nutné modernizovat i konstrukci samotného palivového souboru. Pro zlepšení neutronové bilance v aktivní zóně byla nejprve snížena tloušťka obálky souboru ze 2 na 1.5 mm a ocelové distanční mřížky byly nahrazeny mřížkami ze zirkonia (v obou případech došlo ke snížení parazitní absorpce neutronů). Dále byly nahrazeny regulační soubory s obohacením 2.4 %U235 soubory s obohacením 3.6 %U235. Přechod na plně čtyřletý cyklus ale umožnilo až zavedení palivových souborů s radiálně profilovaným obohacením (střední obohacení 3.82 %U235).

Od roku 2003 se začaly zavážet palivové soubory s vyhořívajícími absorbátory (na bázi gadolinia) se středním obohacením 4.38 %U235 (palivo označované Gd-1), které umožnily zahájení přechodu na 5letý cyklus. V plně pětiletém cyklu se už bude zavážet už pouze 72 čerstvých palivových souborů ročně. Další inovací palivového souboru bylo prodloužení palivového sloupce o 6 cm a zlepšení vodo-uranového poměru (snížení tloušťky proutků), které umožnilo snížení středního obohacení na 4.25 %U235 (palivo označované jako Gd-2) při zachování stejného kef jako u souborů typu Gd-1. Je třeba poznamenat, že gadolinium umožňuje nejen lepší vyrovnání výkonu na začátku cyklu, ale jeho význam spočívá také ve zvýšení podkritičnosti skladovaných čerstvých souborů. Na obrázku 1 je uveden zmiňovaný sortiment paliva (soubory s obohacením 3.82, 4.38 a 4.25 %U235) a na obrázku 2 jsou pro přehlednost zobrazeny typická 3letá, plně 4letá a 5letá vsázka.



Obr 1: Sortiment paliva



Obr 2: Typy palivových vsázek

Zkušenosti s palivem s vyhořívajícími absorbátory

Předběžné analýzy i následný provoz potvrdily, že palivové vsázky s palivem s vyhořívajícími absorbátory se z fyzikálního hlediska příliš neodlišují od vsázek bez vyhořívajících absorbátorů. Zásadním rozdílem je fakt, že radiální a objemový koeficienty nevyrovnání výkonu mohou dosahovat svého maxima mezi 100 a 150 efektivními dny, kdy dochází k úplnému vyhoření gadolinia. Poté už se vsázka z pohledu nevyrovnání výkonu chová stejně jako vsázky klasické, které mají maximum nevyrovnání na začátku cyklu a potom se s rostoucím vyhoříváním nevyrovnání snižuje. Průběh koeficientů nevyrovnání je znázorněn na obrázku 3 a 4.



Obr. 3: Průběh Kq pro různé typy vsázek



Obr. 4: Průběh Kv pro různé typy vsázek

Teplotní koeficient reaktivity moderátoru je u vsázek s vyhořívajícími absorbátory v absolutní hodnotě vyšší než u klasických vsázek, teplotní koeficient reaktivity paliva je srovnatelný, koeficient reaktivity kyseliny borité je u klasicých vsázek v absolutní hodnotě mírně vyšší. Dalším sledovaným parametrem je účinnost systému havarijních a regulačních kazet a specielně 6. (regulační) skupiny. Vzhledem k tomu, že účinnost je přímo úměrná čtverci neutronového toku v místě zasouvání absorbátoru, není důvod aby se u vsázek s gadoliniem vymykala zvyklostem. Podobně je tomu v případě nestacionární xenonové otravy po změnách výkonu.

Vzhledem k vyššímu množství absorbáturu na počátku cyklu v aktivní zóně jsou v případě vsázek s gadoliniem nižší kritické koncentrace kyseliny borité.

Obrázek 5 ukazuje vynikající shodu výpočtu s měřením u vsázky s palivem typu Gd-2.


Obr. 5: Porovnání výpočtových a měřených kritických koncentrací kyseliny borité

Budoucnost palivového cyklu

V budoucnosti je prioritou JE Dukovany udržení pětiletého cyklu při zkracování délek odstávek (a tedy prodlužování kampaní). K tomu je nutná další inovace palivového souboru, která je označována Gd-2+. Jde podstatě o soubor vycházející z typu Gd-2 ovšem s optimalizovaným radiálním profilováním obohacení. Tento typ paliva se začne dodávat na elektrárnu od roku 2006. Další prioritou je zachování pětiletého cyklu při zvýšení výkonu reaktoru na 105 %Nnom. Modernizované palivo, které toto umožní je označováno jak Gd-2M. Konstrukčně je tento soubor shodný se soubory typu Gd-2 a Gd-2+, má ale radiální profilování obohacení shodné s palivem typu Gd-1.

Ve vzdálenější budoucnosti není vyloučena možnost přechodu na 6letý palivový cyklus. V tomto případě by se už muselo obohacení blížit 5 %, jeden z typů paliva, který by mohl být v takovém případě použit je uveden na obrázku 1.

Daneš Burket a Stanislav Dvořák

zpět na úvodní stránku