Effect of Fuel Burnup History on Neutronic Characteristics of WWER-1000 Core

Abstract

In preparation of few-group cross-section libraries to be used in WWER macro-calculations, change in the nuclide composition during fuel burnup is commonly defined under invariable characteristics, averaged over the entire core (power, fuel and moderator temperature, moderator density etc.). In reality, conditions of fuel burnup are changing and this factor affects the fuel nuclide composition (the so-called spectral history effect). To account for real burnup history, it is necessary to take into consideration the dependence of cross-sections not only on burnup but also on history of neutron spectrum in the fuel burnup process. This paper analyzes fuel burnup history effect on neutronic characteristics of WWER-1000 core with use of the DYN3D code. The DYN3D code employs the local Pu-239 concentration as an indicator of burnup spectral history. The calculations have been performed for the first four fuel loadings of Khmelnitsky NPP unit 2 and stationary fuel loading with TVSA. The effect of fuel burnup history is shown both on macro-characteristics of the reactor core (boric acid concentration, fuel cycle duration, reactivity coefficients) and on local values of burnup and power.

Зазвичай при підготовці малогрупової бібліотеки констант для використання в великосіткових програмах розрахунку реакторів ВВЕР зміна ізотопного складу палива в ході вигоряння визначається при незмінних, усереднених по всій активній зоні, характеристиках (потужність, температури палива і сповільнювача, щільність сповільнювач і т.д). У реальності умови вигоряння палива змінюються і це, в свою чергу, впливає на ізотопний склад (так званий історичний або спектральний ефект). Для урахування реальної історії вигоряння (спектрального ефекту) необхідно врахувати залежність перерізів взаємодії не тільки від вигорання, а й самої історії зміни спектра нейтронів протягом вигоряння палива. У даній роботі представлені результати оцінки впливу спектрального ефекту на розрахункові нейтронно-фізичні характеристики активної зони ВВЕР-1000, виконані з використанням розрахункового коду DYN3D. У коді реалізований метод урахування спектрального ефекту, заснований на використанні концентрації Pu-239 як індикатора історії вигоряння. Розрахункові дослідження виконані для 4х паливних завантажень 2го блоку ХАЕС, починаючи з першої. Показано вплив врахування історичного ефекту як на макро-характеристики активної зони (концентрація борної кислоти, тривалість кампанії, коефіцієнти реактивності), так і на розподіл локальних значень вигорання і енерговиділення.

Обычно при подготовке малогрупповой библиотеки констант для использования в крупносеточных программах расчета реакторов ВВЭР изменение изотопного состава топлива в ходе выгорания определяется при неизменных, усредненных по всей активной зоне, характеристиках (мощность, температуры топлива и замедлителя, плотность замедлителя и т.д). В реальности условия выгорания топлива изменяются и это, в свою очередь, оказывает влияние на изотопный состав (т.н. исторический или спектральный эффект). Для учета реальной истории выгорания (спектрального эффекта) необходимо учесть зависимость сечений взаимодействия не только от выгорания, а и самой истории изменения спектра нейтронов в течение выгорания топлива. В данной работе представлены результаты оценки влияния спектрального эффекта на расчетные нейтронно-физические характеристики активной зоны ВВЭР-1000, выполненные с использованием расчетного кода DYN3D. В коде реализован метод учета спектрального эффекта, основанный на использовании концентрации Pu-239 как индикатора истории выгорания. Расчетные исследования выполнены для 4х топливных загрузок 2го блока ХАЭС, начиная с первой. Показано влияние учета исторического эффекта как на макро-характеристики активной зоны (концентрация борной кислоты, длительность кампании, коэффициенты реактивности), так и на распределение локальных значений выгорания и энерговыделения.