Детальная информация

Данная работа посвящена исследованию нейтронно-физических характеристик гетерогенной топливной композиции на основе оружейного и реакторного плутония в сравнении с традиционным гомогенным MOX-топливом. Целью исследования является оценка потенциала гетерогенного размещения (плутоний в центральной зоне, обеднённый уран − в периферийной) для повышения эффективности использования топлива, увеличения глубины выгорания и снижения накопления долгоживущих минорных актинидов, в частности 241Am. В работе выполнены расчёты в программном комплексе САПФИР_РФ для различных конфигураций PIN-ячеек водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР). Проведено моделирование выгорания топлива, проанализированы зависимости коэффициента размножения в бесконечной среде K∞ , изменение ядерных концентраций изотопов плутония, изотопный состав выгружаемого топлива и динамика накопления 241Am. Дополнительно с помощью программы КОРСАР оценено распределение температурного поля по радиусу твэла. Установлено, что гетерогенная компоновка обеспечивает более высокую глубину выгорания по сравнению с эквивалентной гомогенной моделью, а также пространственную локализацию накопления америция преимущественно в центральной зоне. Это создаёт предпосылки для упрощения последующей переработки отработавшего топлива и снижения радиотоксичности. При этом выявлены особенности энерговыделения: максимальная температура в центре топливной таблетки может приближаться к температуре плавления PuO2, что требует дополнительного анализа термомеханической устойчивости при аварийных режимах. Результаты работы подтверждают перспективность гетерогенного подхода к проектированию топливной таблетки в рамках замкнутого ядерного топливного цикла и могут быть использованы при разработке усовершенствованных топливных решений для реакторов типа ВВЭР.

This work investigates the neutronic characteristics of a heterogeneous fuel composition based on both weapons-grade and reactor-grade plutonium, compared to conventional homogeneous MOX fuel. The study aims to assess the potential of heterogeneous fuel arrangement – plutonium dioxide in the central zone and depleted uranium dioxide in the peripheral zone−for improving fuel utilization efficiency, increasing achievable burnup depth, and reducing the accumulation of long-lived minor actinides, particularly americium-241 (241Am). Calculations were performed using the SAPFIR_RF code for various PIN-cell configurations of a water-cooled water moderated power reactor (VVER). Fuel burnup was simulated, and the following dependencies were analyzed: the infinite multiplication factor K∞ , evolution of plutonium isotope nuclear concentrations, isotopic composition of discharged fuel, and dynamics of 241Am buildup. Additionally, the radial temperature distribution within the fuel rod was evaluated using the KORSAR code. It was found that the heterogeneous configuration provides a higher fuel burnup depth compared to an equivalent homogeneous model and enables spatial localization of americium accumulation predominantly in the central zone. This offers advantages for simplifying subsequent spent fuel reprocessing and reducing its radiotoxicity. However, specific features of power density distribution were identified: the peak temperature in the center of the fuel pellet approaches in the center of the fuel pellet approaches the melting point of PuO2, which necessitates further analysis of thermomechanical stability under accident conditions results confirm the promise of the heterogeneous fuel design approach within the framework of a closed nuclear fuel cycle and may be applied in the development of advanced fuel solutions for VVER-type reactors.