3.63M

ТУК-141О_презентация

1.

Ждать —
безопаснее.
С каждым годом выдержки остаточное тепло
отработавших сборок падает…

2.

Ждать —
безопаснее.
Ждать —
дороже.
…и с каждым годом часть ценного плутония-241
распадается в америций-241.

Ждать —
безопаснее.
Ждать —
дороже.
Теплофизическое обоснование
возможности транспортировки ОТВС
ВВЭР-1000 после сокращённой
выдержки в контейнере ТУК-141О
Валтусов А. И., Половинкин А. А., Носочев С. С., Сергеева А. С.
Руководитель — Дуюнов К. Д.
ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 2026

4.

ОЯТ — не только отходы
Реактор ВВЭР-1000
В замкнутом топливном цикле из
отработавшего топлива извлекают
уран и плутоний и снова делают из
них топливо.
U и Pu — в новое топливо
Переработка
Бассейн выдержки
Перевозка в ТУК-141О

5.

ОЯТ — не только отходы
Реактор ВВЭР-1000
В замкнутом топливном цикле из
отработавшего топлива извлекают
уран и плутоний и снова делают из
них топливо.
U и Pu — в новое топливо
Сколько лет сборка
должна остывать в
бассейне, прежде чем её
можно везти?
Переработка
Бассейн выдержки
Перевозка в ТУК-141О

6.

7.

Пока топливо ждёт, плутоний-241 превращается в
америций-241
Z = 94
A
m
Z = 95
241
241
Pu
Делящийся нуклид —
ценное сырьё для нового
топлива
β⁻-распад
T½ = 14,35 года
Долгоживущий актинид —
осложняет обращение с
отходами
f(t) = 1 − 2−t/T½
доля распавшегося Pu-241 за время
выдержки t
1 год
4,7 %
3 года
13,5 %
10 лет
38,3 %
■ осталось Pu-241 ■ стало Am-241

8.

Тепло уходит быстро. Плутоний — медленно и
безвозвратно
Одна ОТВС
Распалось Pu-241
14,0
1,2
кВт
Каждая точка — 1/312 исходного Pu241 (иллюстрация доли)
18 ОТВС в контейнере:
252 кВт при пределе 36 кВт
3 мес
6 мес
1 год
%
2 года
3 года
5 лет
10 лет

9.

Тепло уходит быстро. Плутоний — медленно и
безвозвратно
Одна ОТВС
Распалось Pu-241
6,0
4,7
кВт
Каждая точка — 1/312 исходного Pu241 (иллюстрация доли)
18 ОТВС в контейнере:
108 кВт при пределе 36 кВт
3 мес
6 мес
1 год
%
2 года
3 года
5 лет
10 лет

10.

Тепло уходит быстро. Плутоний — медленно и
безвозвратно
Одна ОТВС
Распалось Pu-241
1,7
13,5
кВт
Каждая точка — 1/312 исходного Pu241 (иллюстрация доли)
18 ОТВС в контейнере:
30,6 кВт при пределе 36 кВт
3 мес
6 мес
1 год
%
2 года
3 года
5 лет
10 лет

11.

Тепло уходит быстро. Плутоний — медленно и
безвозвратно
Одна ОТВС
Распалось Pu-241
0,427
38,3
кВт
Каждая точка — 1/312 исходного Pu241 (иллюстрация доли)
18 ОТВС в контейнере:
7,69 кВт при пределе 36 кВт
3 мес
6 мес
1 год
%
2 года
3 года
5 лет
10 лет

12.

13.

Как мы искали ответ
Цель — найти минимальный срок выдержки, при котором полностью загруженный ТУК-141О
справляется с остаточным теплом.
1
2
3
4
5
Остаточная
мощность
Источник тепла
Нагрузка
контейнера
Температурное поле
Запас до предела
Qост(τ) одной ОТВС для
семи сроков выдержки
qv = Qост / V в активной
части ТВС
QТУК = 18 · Qост и
сравнение с 36 кВт
стационарный расчёт в
ANSYS CFX, сектор 90°
ΔT = 523 К − Tmax по
элементам модели
Критерии
Инструменты
Мощность упаковки Q ТУК ≤ 36 кВт
КОМПАС-3D геометрия контейнера
Температура Tmax ≤ 523 К (контрольное значение)
ANSYS CFX температурное поле
OpenMC проверка компоновки ТВС

14.

Остаточное тепло быстро уходит в первые годы
15
Q одной ОТВС, кВт
14,0
11,0
10
6,0
5
2,8
1,7
0
3 мес
6 мес
1 год
2 года
3 года
5 лет
10 лет
время выдержки (логарифмическая шкала)

15.

Остаточное тепло быстро уходит в первые годы
15
Q одной ОТВС, кВт
Qост(τ) = A · τ−n
14,0
табличные данные
По точкам 1 и 3 года: Q(1) = 6 кВт, Q(3) = 1,7
кВт
аппроксимация 1–3 года
11,0
n = ln(6/1,7) / ln 3 = 1,148
10
Qост = 6 · τ−1,148
Аппроксимация даёт 0,946 кВт для 5 лет и 0,427 кВт
для 10 лет. Табличные значения — инженерная
оценка; в полном обосновании их уточняют по
выгоранию и обогащению (РБ-093-20).
6,0
5
2,8
1,7
0,946
0,427
0
3 мес
6 мес
1 год
2 года
3 года
5 лет
10 лет
время выдержки (логарифмическая шкала)

16.

Остаточное тепло быстро уходит в первые годы
15
Q одной ОТВС, кВт
Qост(τ) = A · τ−n
14,0
табличные данные
По точкам 1 и 3 года: Q(1) = 6 кВт, Q(3) = 1,7
кВт
аппроксимация 1–3 года
11,0
n = ln(6/1,7) / ln 3 = 1,148
10
Qост = 6 · τ−1,148
Аппроксимация даёт 0,946 кВт для 5 лет и 0,427 кВт
для 10 лет. Табличные значения — инженерная
оценка; в полном обосновании их уточняют по
выгоранию и обогащению (РБ-093-20).
6,0
5
14,0 → 1,7
2,8
1,7
0,946
0,427
0
3 мес
6 мес
1 год
2 года
3 года
5 лет
10 лет
время выдержки (логарифмическая шкала)
кВт
от 3 месяцев до 3 лет выдержки —
примерно в 8 раз меньше

17.

Твэл
Наружный диаметр 9,1 мм
Таблетка UO₂ — 7,72 мм
Шаг решётки — 12,75 мм

18.

Сборка ВВЭР-1000
312 твэлов, 18 направляющих
каналов и центральная трубка
234 мм «под ключ», топливный
столб 3530 мм

19.

полиэтиленовая защита
ТУК-141О
18 сборок в одном контейнере
Ø 2390 мм — в 263 раза больше
твэла
чехол
корпус ВЧШГ

20.

полиэтиленовая защита
ТУК-141О
18 сборок в одном контейнере
Ø 2390 мм — в 263 раза больше
твэла
чехол
Высота
5860 мм
Толщина стенки корпуса
≈ 500 мм
Материал корпуса
ВЧШГ
Вместимость
18 ОТВС
Тепловыделение
до 36 кВт
Сечение — схема по расчётной модели; ВЧШГ —
высокопрочный чугун с шаровидным графитом
корпус ВЧШГ

21.

331
позиция в решётке
1 + 6 + 12 + 18 + 24 + 30 + 36 + 42 + 48 +
54 + 60 = 331

22.

331
позиция в решётке
1 + 6 + 12 + 18 + 24 + 30 + 36 + 42 + 48 +
54 + 60 = 331
312 твэлов + 19 каналов
18 направляющих каналов в 4-м и 7-м
кольцах и центральная трубка

23.

331
позиция в решётке
1 + 6 + 12 + 18 + 24 + 30 + 36 + 42 + 48 +
54 + 60 = 331
312 твэлов + 19 каналов
18 направляющих каналов в 4-м и 7-м
кольцах и центральная трубка
Шаг 12,75 мм, Ø твэла 9,1 мм, размер «под ключ»
234 мм
Та же решётка в OpenMC (рис.
3а)

24.

Где «живёт» тепло: активная часть сборки
S = (√3/2) · D²
= (√3/2) · 0,234² = 0,04742 м²
D = 234 мм

25.

Где «живёт» тепло: активная часть сборки
4570 мм — вся ТВС
S = (√3/2) · D²
= (√3/2) · 0,234² = 0,04742 м²
V = S · Hтопл
= 0,04742 · 3,53 = 0,1674 м³
3530 мм
топливный столб
D = 234 мм

26.

Где «живёт» тепло: активная часть сборки
4570 мм — вся ТВС
S = (√3/2) · D²
= (√3/2) · 0,234² = 0,04742 м²
V = S · Hтопл
= 0,04742 · 3,53 = 0,1674 м³
3530 мм
топливный столб
D = 234 мм
qv = Qост / V
= 1700 Вт / 0,1674 м³ ≈ 1,0·10⁴ Вт/м³
для выдержки 3 года; это значение задано в ANSYS CFX

27.

Где «живёт» тепло: активная часть сборки
4570 мм — вся ТВС
S = (√3/2) · D²
= (√3/2) · 0,234² = 0,04742 м²
V = S · Hтопл
= 0,04742 · 3,53 = 0,1674 м³
3530 мм
топливный столб
qv = Qост / V
= 1700 Вт / 0,1674 м³ ≈ 1,0·10⁴ Вт/м³
для выдержки 3 года; это значение задано в ANSYS CFX
Та же мощность 1,7 кВт, но разный объём:
Активная часть ТВС, 0,1674
м³
≈ 10 кВт/м³
Объём V₁ = 0,080 м³
21,25 кВт/м³ (×2,09)
D = 234 мм
Только таблетки UO₂
≈ 33 кВт/м³

28.

18 сборок — один предел
QТУК = 18 · Qост
36 кВт
предел ТУК-141О
0
20
40
60
80
100
120
кВт

29.

18 сборок — один предел
QТУК = 18 · Qост
36 кВт
предел ТУК-141О
108 кВт
0
20
40
60
Через 1 год: 108 кВт — в 3 раза выше предела
80
100
120
кВт

30.

18 сборок — один предел
QТУК = 18 · Qост
36 кВт
предел ТУК-141О
50,4 кВт
0
20
40
60
Через 2 года: 50,4 кВт — всё ещё на 40 % выше
80
100
120
кВт

31.

18 сборок — один предел
QТУК = 18 · Qост
36 кВт
предел ТУК-141О
30,6 кВт
0
20
40
60
Через 3 года: 30,6 кВт — ниже предела, запас 5,4 кВт
80
100
120
кВт

32.

18 сборок — один предел
QТУК = 18 · Qост
252 ↑
198 ↑
120
108
80
50,4
40
30,6
17,03
7,69
3 года
5 лет
10 лет
0
3 мес
6 мес
1 год
2 года
36 кВт

33.

Модель: четверть контейнера в ANSYS CFX
Задача симметрична — считаем сектор 90°.
Q90° = QТУК / 4 = 30,6 / 4 = 7,65 кВт
qv,90° = (QТУК/4) / (VТУК/4) = qv
Мощность и объём уменьшаются одинаково, поэтому
плотность источника не меняется.
расчётный сектор 90°

34.

Модель: четверть контейнера в ANSYS CFX
Трёхмерная модель (рис. 1а)
Расчётная сетка сектора (рис. 4)
расчётный сектор 90°

35.

Модель: четверть контейнера в ANSYS CFX
∇ · (λ∇T) + qv = 0
стационарная теплопроводность с объёмным источником
Снаружи: воздух +25 °C, естественная конвекция
Внутри: теплопроводность и излучение между элементами
Источник: 1,0·10⁴ Вт/м³ только в активной части ТВС
UO₂: λ = 1,5 Вт/(м·К)
Баланс: ∫qv dV = 1,7 кВт на ОТВС, 30,6 кВт на загрузку
расчётный сектор 90°

36.

Горячее всего — в зоне сборок
Температурное поле, ANSYS CFX (рис. 5). Шкала 330,5–
496,8 К

37.

Горячее всего — в зоне сборок
T, К — вдоль контрольной линии
500
480
460
440
420
400
380
Температурное поле, ANSYS CFX (рис. 5). Шкала 330,5–
496,8 К
360
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
X, м — от зоны ОТВС к наружной части
Кривая оцифрована с графика CFX-Post (рис. 7 статьи)

38.

Горячее всего — в зоне сборок
T, К — вдоль контрольной линии
500
≈ 493–497 К
480
главный перепад
460
440
420
400
≈ 370–380 К
380
Температурное поле, ANSYS CFX (рис. 5). Шкала 330,5–
496,8 К
360
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
X, м — от зоны ОТВС к наружной части
Кривая оцифрована с графика CFX-Post (рис. 7 статьи)

39.

Тепловой критерий выполнен
540
Tдоп = 523 К
496,8
26,2 К
500
Максимум в ОТВС
496,8
К
= 223,65 °C
460
26,2 К
запас до контрольного значения 523
К
420
380
340
300
ОТВС
корпус
полиэтиленова
я защита
крышка

40.

Тепловой критерий выполнен
540
Tдоп = 523 К
26,2 К
500
+66,2
+74,3
+121,2
496,8
Максимум в ОТВС
496,8
К
= 223,65 °C
460
456,8
26,2 К
448,7
запас до контрольного значения 523
К
420
401,8
380
340
300
ОТВС
корпус
полиэтиленова
я защита
крышка

41.

Тепловой критерий выполнен
540
до уточнения 521,1 К
26,2 К
500
+66,2
Tдоп = 523 К
+74,3
+121,2
496,8
Максимум в ОТВС
496,8
К
= 223,65 °C
460
456,8
26,2 К
448,7
запас до контрольного значения 523
К
420
401,8
380
340
300
ОТВС
корпус
полиэтиленова
я защита
крышка
До уточнения расчёта: 521,1 К и
запас около 2 К.
После уточнения максимум
снизился на 24,3 К.

42.

Насколько можно доверять расчёту
10-3
RMS T-Energy (логарифмическая шкала)
критерий 10⁻⁴
10-4
10-5
10-6
0
10
20
30
40
накопленный шаг
Невязка RMS T-Energy: ≈ 3·10⁻⁴ → 1·10⁻⁶ примерно за 38 шагов, ≈ 2,5
порядка. Критерий RMS ≤ 10⁻⁴ выполнен после первых шагов.

43.

Насколько можно доверять расчёту
10-3
RMS T-Energy (логарифмическая шкала)
Что уточнить до
окончательного решения
Теплофизические свойства материалов
критерий 10⁻⁴
10-4
Коэффициенты теплоотдачи и контактные
сопротивления
Условия внешнего охлаждения
10-5
Нормальные и аварийные сценарии перевозки
Влияние сетки и анализ неопределённостей
(РБ-166-20)
10-6
Qост по выгоранию и обогащению (РБ-093-20)
0
10
20
30
40
накопленный шаг
Невязка RMS T-Energy: ≈ 3·10⁻⁴ → 1·10⁻⁶ примерно за 38 шагов, ≈ 2,5
порядка. Критерий RMS ≤ 10⁻⁴ выполнен после первых шагов.

44.

Раньше нельзя, позже — дороже
мощность 18 ОТВС, кВт
120
перевозить нельзя
80
40
0
36 кВт
1 год
2 года
3 года
5 лет
10 лет

45.

Раньше нельзя, позже — дороже
распалось Pu-241
мощность 18 ОТВС, кВт
120
перевозить нельзя
38,3
40 %
80
21,5
20 %
13,5
40
36 кВт
9,2
4,7
0
1 год
2 года
3 года
5 лет
10 лет
0%

46.

Раньше нельзя, позже — дороже
распалось Pu-241
мощность 18 ОТВС, кВт
120
перевозить нельзя
38,3
40 %
года
минимальный расчётный срок
выдержки при полной загрузке
80
21,5
20 %
13,5
40
36 кВт
9,2
4,7
0
3
1 год
2 года
3 года
5 лет
10 лет
0%
Мощность
30,6 < 36 кВт
Температура
496,8 < 523 К
Pu-241
−13,5 % вместо −38,3
% за 10 лет

47.

48.

Три года выдержки — и 18 ОТВС
ВВЭР-1000 можно везти в ТУК-141О в
пределах теплового ограничения
Что дальше
Для 1–2 лет выдержки нужна модернизация теплоотвода или неполная
загрузка контейнера.
Уточнить свойства материалов, контакты и аварийные сценарии,
связать OpenMC с тепловой постановкой ANSYS CFX.
Валтусов А. И.
Половинкин А. А.
тепловыделение, нагрузка ТУК, Pu-241, текст
статьи
модель и расчёт в ANSYS CFX
Носочев С. С.
Сергеева А. С.
OpenMC, анализ ограничения по нагрузке
OpenMC, литературный обзор, оформление
Руководитель — Дуюнов К. Д.
Ваши вопросы

English Русский Rules