Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Характеристики топливных циклов реакторов ввэр, технология их количественной оценки 13
1.1. Натуральные и экономические характеристики топливных циклов реакторов ВВЭР 13
1.2. Технология получения количественных оценок характеристик топливных циклов реакторов ВВЭР 22
1.3. Верификация технологии получения количественных оценок характеристик ТЦ по данным реальных энергоблоков 23
1.3.1 Сопоставление данных по энергоблокам с ВВЭР-1000 24
1.3.2. Сопоставление данных по энергоблокам с ВВЭР-440 25
1.3.3. Заключение к разделу 1.3 25
ГЛАВА 2. Анализ и оптимизация натуральных характеристик топливных циклов повышенной длительности реакторов ВВЭР 35
2.1 Анализ натуральных характеристик и КИУМ для реакторов ВВЭР-1000. 36
2.2. Анализ натуральных характеристик и КИУМ для реакторов ВВЭР-440 .. 50
2.3. Заключение к главе 2 62
ГЛАВА 3. Анализ и оптимизация экономических характеристик топливных циклов повышенной длительности реакторов ВВЭР 64
3.1. Анализ экономической эффективности топливных циклов для реакторов ВВЭР-1000 68
3.1.1. Топливная составляющая себестоимости электроэнергии 68
3.1.2. Себестоимость электроэнергии 69
3.1.3.Совокупная прибыль 75
3.1.4. Заключение по разделу 3.1 76
3.2. Анализ экономической эффективности топливных циклов для реакторов ВВЭР-440 94
3.2.1. Топливная составляющая себестоимости электроэнергии 94
3.2.2. Себестоимость электроэнергии 95
3.2.3. Совокупная прибыль 97
3.2.4. Заключение к разделу 3.2 99
3.3. Заключение к гл 3 113
ГЛАВА 4. Выбор и обоснование оптимального режима работы ввэр-1000 на мощностном эффекте реактивности .114
4.1. Работа реактора на пониженных параметрах 114
4.2 Критерии эффективности при работе реактора на пониженных параметрах 118
4.3 Выбор оптимального режима работы ВВЭР-1000 на мощностном эффекте реактивности 122
4.4 Заключение к главе 4 129
Заключение 142
Список использованных источников 147
- Технология получения количественных оценок характеристик топливных циклов реакторов ВВЭР
- Анализ натуральных характеристик и КИУМ для реакторов ВВЭР-440
- Анализ экономической эффективности топливных циклов для реакторов ВВЭР-440
- Критерии эффективности при работе реактора на пониженных параметрах
Введение к работе
Ядерная энергетика России, преодолев период длительной стагнации, вступила в полосу ренессанса. Определены стратегия ее дальнейшего развития [1] и роль в энергетике страны [2-5]. Вводятся и достраиваются новые энергоблоки АЭС, причем подавляющее большинство из них оснащены реакторами типа ВВЭР. Планируется и осуществляется продление на 10-15 лет сроков службы энергоблоков старых поколений (в т.ч. ВВЭР). Актуальность работы.
В настоящее время происходит ввод новых блоков российского производства как в России, так и за рубежом (Чехия, Индия, Китай и т.д.). Этим блокам нужно перспективное топливо с высокими характеристиками безопасности и экономичности. Поэтому улучшение натуральных и экономических показателей топлива для реакторов ВВЭР (при безусловном приоритете соблюдения требований безопасности) было и остается, безусловно, очень актуальной проблемой. В составе постановления правительства РФ "Критические технологии федерального уровня", разделе "безопасность атомной энергетики" отмечена необходимость " овладения в промышленных масштабах ядерной энерготехнологией, отвечающей требованиям крупномасштабной энергетики по экономике, безопасности и топливному балансу ".
В целях улучшения технико-экономических показателей работы АЭС России концерн "Росэнергоатом", начиная с 1998, осуществляет программу "повышение КИУМ", составной частью которой является оптимизация натуральных и экономических характеристик топливных загрузок. Таким образом, задача анализа, моделирования, оптимизации и прогнозирования натуральных и экономических характеристик топливных циклов повышенной длительности для реакторов ВВЭР является действительно актуальной.
Объект исследования.
Объектом исследования являются топливные циклы реакторов ВВЭР ( в частности, циклы повышенной длительности). Предмет исследования.
Предметом исследования являются основные натуральные и экономические характеристики ТЦ реакторов ВВЭР, их изменения при вариациях основных параметров топливной загрузки реактора и вариациях ряда экономических параметров ТЦ. Цель и задачи исследования.
Цель исследования является анализ и обоснование выбора оптимальных натуральных и экономических характеристик топливных циклов реакторов ВВЭР на основе разработанной и верифицированной методики получения количественных оценок этих характеристик.
Для достижения этих целей необходимо решить следующие промежуточные задачи и достичь следующих промежуточных целей:
1. Разработать и подготовить к применению единую, самосогласованную
методику и технологию количественной оценки натуральных и экономических
характеристик ТЦ реакторов ВВЭР. Верифицировать эту технологию на дос
тупном материале реальных характеристик работающих АЭС с реакторами
ВВЭР-440 и ВВЭР- 1000.
Проанализировать натуральные и экономические характеристики актуальных и перспективных ТЦ реакторов ВВЭР при вариациях параметров топливных загрузок (обогащения топлива, числа загружаемых кассет), а также при вариациях ряда экономических параметров (структуры затрат на топливо и ремонт).
На основе результатов анализа определить оптимальные, с точки зрения какого-либо из параметров (например, КИУМ, максимальной прибыли, а возможно, и других параметров), перспективные ТЦ повышенной длительности
для реакторов ВВЭР. Сформулировать рекомендации по конструированию оптимальных ТЦ на сегодняшний день, ближайшую и отдаленную перспективу.
4. Проанализировать натуральные и экономические характеристики работы реакторов ВВЭР-1000 на пониженных параметрах перед перегрузкой. Определить режимы (или интервалы), при которых достигается оптимизация наиболее важных характеристик.
Методы исследования основаны на использовании теории и методов расчета характеристик ядерных реакторов и их топливных загрузок, теоретических основах экономики ТЦ. Краткая характеристика работы.
Диссертация посвящена анализу, моделированию, оптимизации и прогнозированию натуральных и экономических характеристик ТЦ повышенной длительности реакторов ВВЭР. Она состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 84 страницах основного машинописного текста, а также включает 45 рисунков и 9 таблиц. Список использованных источников содержит 51 наименование.
В первой главе произведен обзор литературы по вопросам методов расчета и анализа характеристик ТЦ реакторов ВВЭР (натуральных, экономических характеристик и характеристик безопасности). Приведено описание единой, самосогласованной расчетной методики оценки натуральных, эксплуатационных, экономических характеристик, а также разработанной на ее основе технологии количественной оценки этих величин для ТЦ реакторов ВВЭР.
Для верификации этой методики и технологии приведены результаты сравнения натуральных и экономических характеристик ТЦ реакторов ВВЭР реальных энергоблоков с результатами расчетов. Показано хорошее согласие натуральных и экономических характеристик ТЦ реальных энергоблоков и характеристик, оцененных по данной технологии. Это позволяет сделать вывод о достоверности принятой методики и технологии количественной оценки (и
входящих в нее подходов и методов), и о возможности ее применения для оптимизации тц.
Во второй главе приведены результаты сравнительного анализа ТЦ существующих реакторов ВВЭР (440 и 1000). Проведен анализ натуральных и эксплуатационных характеристик и их взаимосвязей. Обоснован выбор оптимальных (с точки зрения одного или нескольких параметров) ТЦ. Сделаны прогнозы и выданы рекомендации по конструированию перспективных ТЦ реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 с оптимальными натуральными характеристиками путем изменения различных параметров топливных загрузок (обогащение, количество загружаемых ТВС).
В третьей главе дан сравнительный анализ экономических характеристик существующих ТЦ реакторов ВВЭР. Проанализированы экономические характеристики ТЦ и их взаимосвязи с натуральными характеристиками ТЦ реакторов ВВЭР. Обоснован выбор оптимальных (с точки зрения одного или нескольких экономических параметров) ТЦ. Сделаны прогнозы и выданы рекомендации по конструированию перспективных ТЦ реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 с оптимальными экономическими характеристиками путем изменения как различных параметров топливных загрузок (обогащение, количество загружаемого топлива- ТВС), так и вариаций структуры затрат и длительности ремонтов. Даны рекомендации по конструированию оптимальных ТЦ и созданию наиболее экономически эффективных режимов перегрузки топлива.
В четвертой главе проведен сравнительный анализ натуральных и экономических характеристик работы реактора ВВЭР-1000 на пониженных параметрах (мощностном эффекте реактивности) перед перегрузкой. Обоснован выбор оптимальных, с точки зрения выбранных экономических параметров, режимов снижения мощности. Даны рекомендации по использованию этих режимов на АЭС для получения повышенного КИУМ и прибыли.
В заключении сделаны общие выводы по результатам проведенных исследований натуральных и экономических характеристик топливных циклов
повышенной длительности реакторов ВВЭР, обоснован выбор оптимальных циклов путем вариации параметров загрузки и структуры затрат. Даны рекомендации по использованию таких циклов на АЭС для получения оптимальных характеристик. На защиту выносятся:
1. Разработка и применение технологии количественной оценки натураль
ных и экономических характеристик ТЦ реакторов ВВЭР в зависимости от па
раметров топливных загрузок.
Результаты сравнительного анализа и обоснование выбора оптимальных натуральных и экономических характеристик ТЦ в зависимости как от параметров топливных загрузок, так и от экономических параметров.
Результаты анализа и обоснование выбора диапазона снижения мощности для получения оптимальных натуральных и экономических характеристик при работе на мощностном эффекте реактивности.
Научная новизна.
1. Разработана новая комплексная технология количественных оценок набора
натуральных и экономических характеристик для ТЦ энергоблоков с реак
торами ВВЭР. Эта технология верифицирована на основе данных по харак
теристикам реальных энергоблоков с реакторами ВВЭР.
Впервые проведен сравнительный анализ и оптимизация характеристик ТЦ повышенной длительности в зависимости от обогащения топлива, количества загружаемых ТВС, а также от ряда экономических и эксплуатационных параметров.
Выданы рекомендации по конструированию новых, перспективных ТЦ повышенной длительности с оптимальными характеристиками (максимальной прибылью, сниженной себестоимостью, измененными характеристиками топливоиспользования) в зависимости от обогащения топлива, количества загружаемых ТВС и ряда других параметров.
4. Получены и обоснованы новые пределы и диапазоны снижения мощности при работе реактора ВВЭР-1000, позволяющие достичь оптимальных натуральных и экономических характеристик в этих режимах.
Практическая значимость и реализация результатов.
1. Опробованная и верифицированная технология количественной оценки и
методика анализа натуральных и экономических характеристик ТЦ реакто
ров ВВЭР может быть использована для анализа, оптимизации, прогнози
рования и выдачи рекомендаций для конструирования перспективных ТЦ
на новых видах топлива (напр. МОХ, нитридное и т.п.).
Результаты анализа топливных циклов и рекомендации по конструированию ТЦ (повышенной длительности) с оптимальными характеристиками уже внедрены на ряде АЭС.
Сформулированы рекомендации на перспективу по конструированию ТЦ с наиболее благоприятными экономическими (а при необходимости также и другими) характеристиками для энергоблоков ВВЭР в зависимости от обогащения, количества перегружаемых ТВС и ряда экономических параметров.
4. Предложены и внедрены на АЭС рекомендации по продлению работы ре
акторов ВВЭР-1000 на пониженных параметрах ( и конкретные диапазоны
этих параметров) перед перегрузкой для улучшения натуральных и эконо
мических характеристик работы.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
Корректным применением методов расчета и оценки характеристик ТЦ (для натуральных, эксплуатационных и экономических характеристик, а также характеристик безопасности). Для расчета физических характеристик ТЦ, в частности, использовались только программы расчета, аттестованные ГАН;
Хорошим согласием характеристик ТЦ реальных АЭС, в особенности натуральных характеристик, с данными расчетных оценок;
Опытом проведения расчетных оценок натуральных и экономических характеристик для реакторов ВВЭР;
Обсуждением полученных результатов с экспертами по расчету топли-воиспользования реакторов АЭС и экономистами;
Опытом внедрения и практического использования полученных результатов.
Личный вклад автора заключается в следующем:
Настоящая работа проводилась как научно-техническое обоснование и поддержка программы концерна "Росэнергоатом" "повышение КИУМ". Автор являлся одним из инициаторов формирования и одним из основных исполнителей этой программы.
Автор внес основной, определяющий вклад в работу по разработке технологии количественных оценок для анализа экономических характеристик ТЦ реакторов ВВЭР. Работа по анализу экономических характеристик усовершенствованного и перспективного топлива для работающих энергоблоков ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 проводилась фактически под руководством автора.
Вклад автора был существенным на этапе анализа всего самосогласованного набора натуральных и экономических характеристик существующих и перспективных ТЦ реакторов ВВЭР, в том числе -на этапе анализа данных реальных АЭС.
Вклад автора в работу по выдаче рекомендации и внедрению оптимальных (наиболее благоприятных экономических характеристик) ТЦ для реакторов ВВЭР в зависимости от обогащения топлива, количества перегружаемых ТВС и других параметров являлся определяющим.
Работа по анализу и внедрению оптимальных экономических характеристик при продлении работы реактора ВВЭР-1000 на сниженных параметрах (на мощностном эффекте реактивности) перед перегрузкой проводилась по инициативе и под фактическим руководством автора.
Апробация работы. Результаты, приведенные в диссертации, докладывались на XII семинаре "Волга-2002", семинаре руководителей ЯФЛ и ОЯБ АЭС, Обнинск, ИАТЭ, 17-20 марта 2003 г.
Публикации. Основной материал диссертации изложен в 3 статьях в журнале "Ядерная энергетика" (Известия ВУЗов), материалах XII семинара по физике реакторов "Волга-2002", отчете ИАЭ им.И.В. Курчатова.
Технология получения количественных оценок характеристик топливных циклов реакторов ВВЭР
Итак, мы определили круг характеристик, которые мы предполагаем использовать для оптимизации, и описали методику их получения. Задача этого параграфа заключается в том, чтобы сопоставить рассчитываемые нами характеристики с реальными показателями эксплуатации реакторов ВВЭР (провести верификацию технологии) с тем, чтобы сделать выводы о ее применимостидля оптимизации сегодняшних ТЦ и прогнозирования характеристик перспективных ТЦ.
В нашем распоряжении были фактические данные по ряду натуральных и экономических характеристик ТЦ с энергоблоков ВВЭР России.1.3.1 Сопоставление данных по энергоблокам с ВВЭР-1000
Наиболее удобной для анализа оказалась информация с Балаковской АЭС поскольку имеется информация сразу с четырех ее блоков (с загрузками как серийного топлива, так и с загрузками новыми, перспективными видами экспериментального топлива).
В таблицах 1.1.-1.2 и на рис 1.1-1.3 в качестве примера представлено сопоставление оцененных нами и реальных значений ряда характеристик 1-4 блоков этой станции за 1998-2001г.г: среднего выгорания топлива, расхода природного урана и относительной ТСС. Отметим, что на Балаковской АЭС, как и на всех других, сначала загружалось топливо невысокого обогащения (1.6-3%), а затем переходили на топливо все более высокого обогащения, вплоть до равновесного цикла с топливом подпитки 4.0-4.4%(с профилированием ТВС). Соответственно, сначала блоки работали в режиме проекта 2-х летнего цикла, затем трех и четырехлетнего.
Пунктирными линиями на рисунках приведены расчетные характеристики для проектных 2-3-4-летних циклов, рассчитанные по вышеописанным программам и формулам (1-10). При этом в Зх-летнем цикле перегружаются 55 ТВС, в 4х-летнем -48 ТВС для проекта Ростовской АЭС и 42 ТВС для проекта, предлагаемого бюро ОКБМ.
Видно, что для средней глубины выгорания №1-2 блоков кривая начинается с проектного двухлетнего ТЦ. В 92-95г.г шли короткие циклы с пониженным обогащением и низким выгоранием, в 95-97 году ТЦ выходит на уровень выгорания 3-4 летнего. Блоки №3-4 сразу же после загрузки второй и третьей кампании выходят на 3-4 летний ТЦ.
Из таблицы 1.1. видно, что расхождения между расчетными оценками и реальными характеристиками (для глубины выгорания В) составляют единицы процентов (менее 10%).
Примерно та же картина наблюдается для расхода природного урана. Блоки №1 и 2 сначала работают либо по проекту 2-летнего ТЦ, иногда даже превышая его расход. Только начиная с 91-92 годов они выходят на топливо сЗ-летним проектным ТЦ, но стабилизируются на нем после 95-96г.г.. Из таблицы 1.2 видно, что и для расхода урана расхождения составляют менее 10%.
По относительной величине ТСС мы видим те же тенденции. Отметим, что верификация значений ТСС - это уже проверка экономической характеристики, хотя она и относится к начальной стадии ТЦ ( добыча-обогащение-изготовление топлива).энергоблоках второй очереди Кольской АЭС. Видно, что глубина выгорания выгружаемого топлива (рис. 1.4) начиная с 3-годичного ТЦ 86-90г.г. переходит к проекту 4-летнего для 3-го блока и стремится к 5-летнему, причем расчетная кривая для ТВС с обогащением 4.4%) разделяется, если дополнительно используется выгорающий поглотитель гадолиний (так называемое уран- гадолиние-вое топливо -УГТ).
Еще более явно указанная картина просматривается для расхода природного урана (рис. 1.5) на этих энергоблоках, где уже в 99 г. оба блока практически вышли в 5-летний топливный цикл.
Таким образом, по результатам сравнения расчетных и реальных характеристик топливных циклов можно сделать главный вывод: используемые нами методика получения характеристик топливных циклов и технология получения их количественных оценок дают результаты, которые
Анализ натуральных характеристик и КИУМ для реакторов ВВЭР-440
Исследование топливоиспользования и КИУМ для ВВЭР-440 приводится на примере проекта реактора В-230. Основные направления усовершенствова-ния ТЦ подобны тем, которые применены в ВВЭР-1000.
Проведенные расчетные исследования [46-48] показали, что переход на рабочие ТВС с уменьшенной толщиной стенок чехла и на циркониевые ДР позволили увеличить длительность кампании на 12-13 эфф.суток, уменьшить удельный расход природного урана на 4% (проектное значение - 250 г/МВт-сут) и увеличить КИУМ на 0.5% (проектное значение - 87.9%), применение же уран-гадолиниевого топлива практически не изменяет длительность кампании (применение выгорающего поглотителя позволяет лишь избежать положительного температурного коэффициента реактивности при формировании топливных загрузок повышенной длительности). Отметим, что и здесь КИУМ приводится в абсолютных единицах (процентах).
Расчеты выгорания, удельного расхода природного урана и КИУМ проводились по формулам (1.1-1.12), при этом в качестве исходных брались следующие значения Хо7я=0.3%,л:л/ =0.714%, AV=T375 МВт, ТППР=45 суток.
Дальнейшее увеличение длительности кампании и КИУМ может быть достигнуто только за счет увеличения обогащения свежего топлива и (или) уменьшения кратности перегрузок.
Были рассмотрены ТЦ для ТВС с циркониевыми ДР, использовался ряд обогащений от 3.15%) до 5.0% и кратность перегрузок от 2 до 5 (то есть перегрузки от половины активной зоны до одной пятой). При этом двукратная перегрузка соответствует загрузке 175 ТВС, трехкратная - 116 ТВС, четырехкратная - 87 ТВС, пятикратная - 70 ТВС. Схемы расстановок топлива, как и в ВВЭР-1000, выбирались, по возможности, близкими, чтобы минимизировать их влияние на характеристики активной зоны.
Для указанных вариантов рассчитаны: длительности кампании, глубина выгорания, удельный расход природного урана, и КИУМ. Полученные результаты сведены в табл. 2.2. На основании результатов, представленных в табл.2.2, для наглядности анализа построены различные зависимости.
Зависимость длительности стационарной кампании от обогащения загружаемого топлива при различном количестве загружаемых ТВС приведена на рис.2.6. Из него видно, какую длительность кампании можно получить при использовании различных топливных циклов.
Видно, что длительность кампании увеличивается с ростом обогащения и числа загружаемых ТВС. Для реализации топливных циклов длительностью более 400 эфф.суток необходимо либо увеличивать обогащение до 5.0% либо (или) увеличивать ежегодную загрузку до 84 ТВС.
Зависимость среднего выгорания выгружаемого топлива от обогащения при различном количестве загружаемых ТВС показана на рис.2.7, который наглядно показывает, какое среднее выгорание можно получить для различных ТЦ. Например, для ТЦ с трехгодичной перегрузкой топлива и обогащением ТВС около 4.2%, длительность которого составляет 400 эфф.суток, средняя глубина выгорания равна 40 МВт-сут/кгІІ. Очевидно, что глубина выгорания увеличивается с ростом обогащения и увеличением кратности перегрузок (уменьшением числа загружаемых ТВС).
Зависимость КИУМ от обогащения топлива при различном количестве загружаемых ТВС представлена на рис. 2.8. Этот рисунок подтверждает рост КИУМ с увеличением обогащения топлива и с уменьшением кратности перегрузок. Отметим, что темп роста КИУМ не постоянен, он замедляется с увеличением количества загружаемых ТВС. Рассматриваемый нами диапазон изменения обогащения - это 3.15-5.0%, использование обогащение более 5% будет затруднено вследствие эксплуатационных ограничений и ограничений по ней-тронно-физическим характеристикам (безопасности).
Из рисунка следует, что, при увеличении обогащения от 3.15% до 5.0%), можно получить увеличение КИУМ на 4.5-6.5% (первая цифра соответствует кратности перегрузки 2, вторая — кратности 5).
Увеличение КИУМ за счет уменьшения кратности перегрузок с 5 до 2 можно получить на 8.5%) - 6% (первая цифра соответствует обогащению 3.15%, вторая - обогащению 5.0%). Отметим, что темп роста КИУМ замедляется также и с увеличением обогащения.
Таким образом, можно получить максимальное увеличение КИУМ в 13% на всем диапазоне изменения обогащения и кратности перегрузок.
В настоящее время реакторы ВВЭР-440 с полномасштабной активной зоной эксплуатируются в четырехгодичном топливном цикле со средним обогащением ТВС 3.82% и в пятигодичном топливном цикле со средним обогащением ТВС 4.4%, реакторы ВВЭР-440 с кассетами-экранами эксплуатируются в четырехгодичном топливном цикле с обогащением ТВС 3.6%, поэтому реальное увеличение КИУМ за счет увеличения обогащения топлива до 5.0%) составит 3.5-2%, а за счет увеличения числа загружаемых ТВС - 5-1%.
Таким образом, можно получить суммарное увеличение КИУМ на величину не более 9%, даже перегружая половину активной зоны.
Зависимость удельного расхода природного урана от обогащения топлива для различного количества загружаемых ТВС приведена на рис.2.9. Из рисунка видно, что, начиная с обогащения 3.8%), удельный расход природного урана практически не зависит от обогащения ТВС, при уменьшении же кратности перегрузок удельный расход природного урана растет, то есть при реализации длинных топливных циклов удельный расход будет зависеть только от количества загружаемых ТВС. При уменьшении кратности с 5 до 2 удельный расход природного урана возрастает на 20%.
Таким образом, пятикратная перегрузка топлива по удельному расходу природного урана экономичнее двукратной на 20%, четырехкратная и трех кратная экономичнее двукратной на 16.5% и 10% соответственно, пятикратная и четырехкратная экономичнее трехкратной на 9% и 6% соответственно и т.д.
Отсюда следует, что при формировании длинных ТЦ (с целью увеличения КИУМ) за счет увеличения количества загружаемых ТВС происходит значительное увеличение удельного расхода природного урана.Рассмотрим, как меняется удельный расход природного урана при изменении КИУМ.
На рис. 2.10 представлена зависимость удельного расхода природного урана от коэффициента использования установленной мощности при различном количестве загружаемых ТВС, здесь пунктирные линии -это линии постоянного обогащения.
Ранее отмечалось, что, начиная с 3.8%), удельный расход природного урана не растет с увеличением обогащения, поэтому и увеличение КИУМ за счет увеличения обогащения в этом диапазоне не приводит к росту расхода урана. При меньших обогащениях увеличение КИУМ на 1% при фиксированном количестве загружаемых ТВС приводит к незначительному уменьшению расхода урана - всего на 0.6% (при кратности перегрузки 2 до 1%).
Зависимость удельного расхода природного урана от КИУМ за счет изменения числа загружаемых ТВС сложнее. Уже отмечалось при анализе рис.2.8, что темп роста КИУМ замедляется с увеличением количества загружаемых ТВС, это приводит к росту удельного расхода природного урана на 1% изменения КИУМ при увеличении количества загружаемых ТВС (
Анализ экономической эффективности топливных циклов для реакторов ВВЭР-440
Продолжим анализ эффективности топливных циклов для реакторов ВВЭР-440, представленных в гл.2.
Как и в предыдущей главе, здесь рассмотрены топливные циклы с различным обогащением топлива подпитки и различной долей перегружаемых ТВС. Конструкции ТВЭЛ и ТВС -те же, что и в главе 2. Диапазон обогащения топлива и количества загружаемых ТВС также совпадает с диапазоном главы 2. Результаты расчета нормированы на значения соответствующих величин в базовом варианте (в таблицах он имеет порядковый номер №10), в частности, все рассматриваемые составляющие себестоимости нормированы на значение себестоимости в базовом варианте. Для расчета затрат на топливо использовались относительные стоимости ТВС, приведенные на рис.3.13. Затраты на ППР, приведенные в таблицах, определялись по формулам 3.1 и 3.2, что везде оговорено особо. На всех кривых, иллюстрирующих приведенные данные, для расчета затрат использовалась только формула (3.2). Длительности ППЭР в сутках также оговорены в заголовках таблиц и графиков.
Результаты расчетов экономических характеристик топливных циклов приведены в таблице 3.2.Проанализируем тенденции поведения ТСС в зависимости от обогащения топлива, количества загружаемых ТВС. Зависимость ТСС от обогащения топлива для различного количества загружаемых ТВС представлена на рис.3.14. Видно, что во всем диапазоне изменения обогащений от 3.15% до 5.0% ТСС уменьшается на 8%, кроме того, с ростом обогащения уменьшение ТСС замедляется. Так как реакторы ВВЭР-440 с полной активной зоной эксплуатируются с обогащением 3.82% и 4.4%, а с кассетами-экранами с обогащением 3.6%, то можно уменьшить ТСС за счет увеличения обогащения не более чем на 3%.
Зависимость ТСС от количества загружаемых ТВС представлена на рис.3.15. Видно, что имеет место сильная зависимость ТСС от количества загружаемых ТВС, ТСС растет при увеличении количества загружаемых ТВС (то есть с уменьшением кратности перегрузок). При уменьшении кратности перегрузок от 5 до 2 ТСС увеличивается на 19%.
Таким образом, пятигодичный топливный цикл по ТСС экономичнее двухгодичного на 19%, а четырехгодичный экономичнее двухгодичного на 16% соответственно.Таким образом, при формировании длинных топливных циклов с увеличенным КИУМ за счет увеличения обогащения топлива и уменьшения кратности перегрузок происходит значительное увеличение ТСС за счет уменьшения кратности перегрузок и незначительное ее снижение за счет увеличения обогащения. Поэтому выгодно увеличивать КИУМ за счет увеличения обогащения, однако это возможно в небольших пределах.
Можно сравнить, как меняется топливная составляющая себестоимости электроэнергии при изменении коэффициента использования установленной мощности. Из табл.3.2 следует, что увеличение КИУМ на 1% за счет увеличения обогащения при фиксированном количестве загружаемых ТВС уменьшает ТСС приблизительно на 1.0%.
Получим и проанализируем зависимости себестоимости электроэнергии от обогащения загружаемого топлива и количества загружаемых ТВС. Для этого необходимо рассчитать себестоимость электроэнергии для различных вариантов топливных циклов. Первые две составляющие — ТСС и удельные затраты на вывоз отработанного топлива получены ранее и приведены в табл. 3.2.Составляющая затрат на ремонт С и постоянная составляющая эксплуатационных расходов СЦ в относительных единицах для базового варианта предос тавлены концерном «Росэнергоатом» и равны 0.213 и 0.616 соответственно, в качестве базовой длительности ППР принята величина Т„ = 45 суток.
Проведем анализ аналогичный тому, который был сделан для ВВЭР-1000. Рассмотрим случай, когда затраты на ремонт изменяются пропорционально сумме Тк и Т", т.е. удельные затраты на ремонт рассчитываются поформуле (3.2), при этом длительность ППР изменяется при изменении длительности кампании топливного цикла (относительная постоянная составляющая эксплуатационных расходов и относительная составляющая затрат на ремонт,рассчитанная по формулам (3.1) и (3.2) для Т = Т =45 суток приведены втабл.3.2).
Зависимости себестоимости электроэнергии от обогащения топлива, количества загружаемых ТВС, длительности ППР и КИУМ приведены на рис.3.16-3.17.
При фиксированной длительности ППР, например, Т = 45 суток в диапазоне изменения обогащения топлива от 3.6% до 5.0% себестоимость электроэнергии при увеличении обогащения уменьшается на 5%, причем темп снижения себестоимости падает по мере увеличения обогащения топлива.
На рис. 3.17 представлены зависимости себестоимости электроэнергии от количества загружаемых ТВС при фиксированном обогащении для различных длительностей ППР. Характер этих зависимостей резко отличается от характера зависимости ТСС от количества загружаемых ТВС, приведенной на рис.3.15. Для ТСС имеет место сильная зависимость от количества загружаемых ТВС (при увеличении количества загружаемых кассет ТСС сильно возрастает). Длясебестоимости, например, Т = 45 суток наблюдается ее снижение при увеличении количества загружаемых ТВС от 70 (кратность 5) до 116 (кратность 3) на 3%), далее себестоимость изменяется слабо.
Отсюда следует что при рассматриваемой зависимости затрат на ремонт и зависимости стоимости ТВС от обогащения, представленной на рис.3.13, мыможем сделать некоторые рекомендации по формированию оптимальной загрузки. Седует взять кратность перегрузки равной трем и для нее определять максимально возможное, с точки зрения обеспечения ядерной безопасности, обогащение.
Что касается связи между себестоимостью и длительностью ППР, то из табл. 3.2 следует очевидный факт, что увеличение длительности ППР приводит к увеличению себестоимости.
Из представленных таблиц и рисунков можно определить как «съедается» выигрыш в себестоимости от увеличения обогащения или увеличения числа загружаемых ТВС при увеличении длительности ППР. Так, например, выигрыш около 3%, который получается при увеличении обогащения с 3.6% до 4.4% для
Критерии эффективности при работе реактора на пониженных параметрах
В работах [46-47] приведен анализ эффективности топливоиспользования для различных стационарных топливных циклов на основе таких критериев, как глубина выгорания выгружаемого топлива, удельный расход природного урана, топливная составляющая себестоимости электроэнергии (ТСС), себестоимость электроэнергии и совокупная экономическая прибыль. Показано как увеличение длительности кампании и коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) соотносится с указанными критериями топливоиспользования. Изменение длительности кампании производится либо изменением обогащения, либо количества загружаемых ТВС, либо тем и другим. Рассматрива лась работа энергоблока на номинальной мощности.
В случае работы энергоблока на мощностном эффекте реактивности вид расчетных формул, приведенных в главе 1 (1.2-1.10), изменяется.
Приведенные выше формулы позволяют в последующей главе провести анализ эффективности топливоиспользования по различным критериям и определить, как изменение КИУМ соотносится с эффективностью топливоиспользования в случае работы энергоблока на пониженных параметрах.
Рассмотрим поведение КИУМ в режиме работы на пониженных параметрах и без него.Формулу (4.18) можно записать в другом виде: АТМ, , — изменение общей длительности кампании в эфф.сутках с учетом работы на пониженных параметрах; АТ а — изменение общей длительности кампании в кал. сутках с учетом работы на пониженных параметрах. Не следует путать ДТМ, , и АТ а с 5Тэфф и 5Ткал, которые приведены в предыдущей главе и обозначают время работы на пониженных параметрах в эффективных и календарных сутках, соответственно.
Выражения в формулах (4.26а) и (4.26 б) равны, когда АТМ, , = АТ а = О, или когдаских характеристик топливного цикла.Итак, рассмотрим экономическое обоснование работы ВВЭР-1000 на мощностном эффекте реактивности.
На основании вышеизложенного, проведем экономическое обоснование величины снижения мощности в режиме работы на мощностном эффекте реактивности в конце кампании.
Физические расчеты проводятся по комплексу КАСКАД [14]. Снижение мощности в конце кампании осуществляется с установившейся в настоящее время практикой, т.е. мощность снижается ступеньками по 3% от номинальной перемещением вниз рабочей группы ОР СУЗ с последующим перемещением рабочей группы вверх до первоначального положение для компенсации выгорания топлива. Общая величина снижения мощности не более 30% от номинальной.
Физические и экономические расчеты проведены на примерах частично-четырехгодичного проектного топливного цикла для 1 блока Волгодонской АЭС [49], проектного четырехгодичного топливного цикла с ТВСА для блоков Калининской АЭС [50], а также трехгодичного топливного цикла увеличенной длительности для блоков Балаковской АЭС [46-47]. Последний топливный цикл был разработан в рамках данной работы [51].
Сравнение проводится для топливного цикла в режиме работы на номинальной мощности и на мощностном эффекте реактивности, т.е. в обоих режимах сохраняется обогащение и количество загружаемых ТВС. В этом случае исключается внесение погрешности от определения зависимости стоимости ТВС от обогащения. Кроме того, эффект от работы на мощностном эффекте реактивности получается в «чистом» виде, т.е. не нужно приводить расчеты к одному обогащению и одинаковому количеству загружаемых ТВС, как в случае сравнения одного топливного цикла в режиме работы на мощностном эффекте реактивности с другим топливным циклом одинаковой длительности в режиме работы на номинальной мощности, но имеющим другое обогащение и другое количество загружаемых ТВС и, соответственно, другие экономические харак теристики [51].
Экономические расчеты для режима на мощностном эффекте реактивности приведены для стационарного топливного цикла. Для этого для каждой ступеньки снижения мощности проведено по комплексу КАСКАД [14] выгорание 10 последовательных топливных загрузок. Полученные «стационарные» результаты среднего выгорания выгружаемого топлива и длительностей кампаний в календарных и эффективных сутках, в зависимости от величины снижения мощности для рассматриваемых топливных циклов, приведены в таблице 4.1. В указанной таблице для каждой величины снижения мощности приведена общая длительность кампании в эффективных и календарных сутках, а также длительность «борной» кампании в стационарном режиме работы на мощностном эффекте реактивности в каждую кампанию.
Разность между общей длительностью в эффективных сутках и календарных сутках и длительностью «борной» кампании дает длительность работы на мощностном эффекте реактивности в эффективных и календарных сутках, соответственно.
Так для используемого в настоящее время режима снижения мощности на 30%, например, для топливного цикла [49], при работе его в данном режиме каждую кампанию получаем: общая длительность кампании в эффективных сутках - 299.3 эфф.суток, общая длительность кампании в календарных сутках -305.6 кал.суток, длительность «борной» кампании — 266.4 эфф.суток, длительность работы на мощностном эффекте реактивности в эффективных сутках 299.3 - 269.9 = 29.4 эфф.суток, в календарных сутках 305.6 - 269.9 = 35.7 кал.суток.Сравнение данного режима работы с режимом работы без мощностного эффекта реактивности (см. табл.4.1 - снижение 0%) для топливного цикла [49]
