Введение к работе
Цель работы заключается в обеспечении адекватного математического моделировании нейтронно-физических экспериментов, выполняемых в процессе эксплуатации промышленных реакторов на быстрых нейтронах, разработке методик и средств их расчётного анализа, системы по накоплению данных о свойствах нейтронных полей быстрых реакторов по результатам эксплуатационных измерений на реакторах АЭС, их обработке и сохранению в специализированных базах данных. Практическая реализация разработки направлена на создание базы данных интегральных экспериментов, выполненных в единственном в мире, эксплуатируемом энергетическом быстром реакторе БН-600, её расчетно-теоретическом анализе для последующего использования в проектах инновационных реакторных установок на быстрых нейтронах нового поколения.
Актуальность работы определяется:
Развёртыванием Российской Федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения», предусматривающей в качестве главного направления инновационного развития ядерной энергетики разработку реакторов на быстрых нейтронах нового поколения с замкнутым топливным циклом;
Необходимостью сохранения уникальной экспериментальной информации, накопленной при эксплуатации энергетических быстрых реакторов, для последующего учёта накопленного опыта в проектах;
Необходимостью разработки методик, средств анализа нейтронных полей быстрых реакторов по результатам эксплуатационных экспериментов на реакторах АЭС в условиях снижения количества специализированных экспериментальных стендов, сокращения количества экспериментальных программ на них;
Потребностями обеспечения предельно высокой точности предсказания изменений характеристик при эксплуатации реакторных установок, в первую
очередь БН-600, при модернизации активных зон в условиях исчерпания первоначальных эксплуатационных запасов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые создана интегральная информационная система, позволяющая выполнять полный комплекс работ, связанных с обработкой, хранением, анализом экспериментальных данных о фундаментальных нейтронно-физических характеристиках быстрых реакторов, получаемых в эксплуатационных измерениях на действующих реакторах БН на АЭС и расчётным моделированием подобных экспериментов. Впервые в единую систему объединены наиболее современные средства систем управления базами данных, проектно-инженерные и прецизионные коды расчёта переноса нейтронов и функционалов нейтронного поля быстрых реакторов. Это позволяет провести анализ методических и модельных погрешностей, добиться ясности понимания причин расхождений с экспериментом при расчётном моделировании и анализе экспериментальных данных. Совместный учёт расчётных и экспериментальных данных позволяет добиться предельно высокой точности прогнозирования параметров ядерной и радиационной безопасности при эксплуатации активных зон быстрых реакторов.
Создана не имеющая аналогов база данных по нейтронно-физическим характеристикам активной зоны быстрого реактора средней мощности с натриевым теплоносителем на основе экспериментов на действующем реакторе БН-600 Белоярской АЭС и построена адекватная система математических моделей экспериментов. Полученные данные впервые позволяют учесть результаты выполненных нейтронно-физических экспериментов на реакторе БН-600 для валидации реакторных кодов и ядерных констант, используемых при обосновании проектов перспективных РУ нового поколения.
Проведена верификация кодов TRIGEX, JARFR, ГЕФЕСТ и выполнена оценка характеристик активной зоны 01М2 реактора БН-600 с повышенным уровнем точности, достигнутым за счёт совместного использования инженер-
но-проектных и прецизионных методов, основанных на методе Монте-Карло, и учёта в прогнозных расчётах экспериментальных данных.
Практическая значимость работы:
Созданный инструмент используется для сопровождения ведущихся экспериментальных работ в реакторе БН-600 и может быть рекомендован для установок БОР-60, БН-800, начиная с физ. пуска, и последующих перспективных установок на быстрых нейтронах МБИР, БН-1200 с натриевым теплоносителем. Универсальность подхода позволяет применять систему и для быстрых реакторов со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями БРЕСТ и СВБР;
Полученные результаты анализа экспериментальных данных позволили завершить верификацию программ TRIGEX, MMKKENO, JARFR с константами БНАБ-93 и перейти к процедуре их аттестации в Ростехнадзоре. База данных экспериментов и предложенные математические модели позволяют аналогичным образом верифицировать и аттестовать в Ростехнадзоре другие подобные коды, библиотеки реакторных констант, а также нейтронно-физические модули комплексов по обоснованию безопасности РУ и АЭС с реакторами на быстрых нейтронах;
Результаты расчётного анализа экспериментальных данных в реакторе БН-600 позволили уточнить проектные характеристики активной зоны с повышенным выгоранием топлива 01М2, существенно снизить погрешности прогнозирования нейтронно-физических характеристик данной активной зоны и снизить консерватизм обоснования баланса реактивности при исчерпании исходных эксплуатационных запасов;
Полученные данные обладают большой ценностью для лицензирования активной зоны со стальным экраном 01МЗ реактора БН-600, гибридной активной зоны БН-600, активных зон реактора БН-800 и перспективного коммерческого реактора типа БН-1200.
Личный вклад автора в работах, представленных в диссертации, состоит в следующем:
Создание компьютерной информационно-вычислительной системы ModExSys для обработки, хранения, расчётного анализа данных макроскопических нейтронно-физических экспериментов, выполненных на энергетических реакторах БН.
Сбор и анализ информации о выполненных экспериментах в реакторе БН-600: структурирование информации, анализ её достаточности, отбор достоверной информации, заполнение баз данных. В перспективе базы данных должны пополняться за счёт экспериментов, ранее проведённых в реакторах БН-350 и БОР-60, а также зарубежных установках - PHENIX, SUPERPHENIX, CEFR.
Разработка системы математических моделей экспериментов, выполненных в реакторе БН-600, отбор информативных экспериментов, их обобщение и приведение к условиям соответствующих моделей. Разработка математического обеспечения верификации кодов по указанным экспериментам и моделям.
Расчётный анализ рекомендованных экспериментальных данных БН-600 с использованием набора кодов, включенных в разработанную систему ModExSys, обеспечение верификации смежных кодов - ГЕФЕСТ и JARFR.
Оценка погрешностей нейтронно-физических характеристик существующей активной зоны БН-600, уточнение её проектных параметров по экспериментальным данным, демонстрация практической возможности достижения высоких точностей прогнозирования реакторных характеристик за счёт учёта текущих экспериментальных данных и адекватного расчётного анализа.
Расчётная поддержка при сопровождении экспериментальных работ, выполняемых в реакторе БН-600.
Положения, выносимые на защиту:
Информационно-вычислительная система (программный комплекс) ModExSys расчётного моделирования и анализа нейтронно-физических экспериментов на энергетических быстрых реакторах;
Система математических моделей экспериментов, выполненных в реакторе БН-600, система баз данных нейтронно-физических характеристик реактора БН-600 в различных состояниях;
Результаты расчётного анализа нейтронно-физических экспериментов в реакторе БН-600 и оценки точности расчётного определения характеристик активной зоны 01М2 реактора БН-600, полученные на основе этого анализа;
Результаты верификации системы с базовым трёхмерным нейтронно-физическим кодом TRIGEX по экспериментам в реакторе БН-600.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:
на российском семинаре "Нейтроника" (г. Обнинск, 2007 и 2008 г.);
на международных конференциях по физике реакторов PHYSOR-2006 (Ванкувер, Канада) и PHYSOR-2008 (Интерлакен, Швейцария);
на международном молодёжном ядерном конгрессе IYNC-2008 (Интерлакен, Швейцария);
на всероссийской научной школе для молодёжи «Реакторы на быстрых нейтронах» (г. Обнинск, 2009 г.).
Материалы диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах [1]-[Ю], в том числе журналах: «Известия вузов. Ядерная энергетика» и «Атомная энергия».
Большой объём проведенных верификационных исследований позволил завершить верификацию программ TRIGEX, MMKKENO, JARFR с константами БНАБ-93 и перейти к процедуре их аттестации в Ростехнадзоре.
Созданная автором система ModExSys используется в ГНЦ РФ-ФЭИ при сопровождении эксплуатации реактора БН-600.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объём диссертации 158 страниц, в том числе 59 рисунков и 37 таблиц. Список литературы содержит 72 наименования.
