ТОПЛИВНЫЙ КОД НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ SFPR

Для моделирования термомеханических и физико-химических процессов на уровне твэла — основного элемента энергетического реактора, — используются топливные коды. В отличие от интегральных кодов, их применение не требует сложных расчетов поведения активной зоны реактора, что позволяет сфокусировать внимание на детальном описании функционирования отдельных твэлов в различных режимах работы РУ. Однако физические модели, используемые в существующих топливных кодах, упрощены и содержат целый ряд подгоночных параметров и эмпирических корреляций, что значительно снижает предсказательные возможности этих кодов и их применимость для описания новых видов топлива. Поэтому решение многих практических задач в сфере обеспечения безопасности ЯЭУ требует создания топливных кодов нового поколения, свободных от указанных недостатков.

В настоящее время в ИБРАЭ РАН завершается разработка топливного кода нового поколения SFPR, который предназначен для детального описания и прогнозирования термомеханического и физико-химического поведения топливных элементов при нормальных условиях эксплуатации, нарушении нормальных условий эксплуатации и при проектных и запроектных авариях водо-водяных реакторов.

Повышенная предсказательная способность применяемых в топливном коде SFPR вычислительных алгоритмов обусловлена тем, что в его основе лежат физические модели, изначально разработанные для описания тяжелых аварий на АЭС и характеризующиеся высокой степенью детализации сложных процессов, протекающих в топливе (многие из этих моделей используются также в интегральном расчетном комплексе СОКРАТ). Впоследствии эти модели были расширены в область проектных аварий и нормальной эксплуатации топлива, сохранив, однако, возможность детального описания взаимосвязанных физических процессов в твэлах.

Механистический подход, основанный на применении в коде SFPR усовершенствованных физических моделей, позволяет адекватно моделировать маломасштабные тесты и эксперименты, проводимые в рамках реакторных испытаний различных видов топлива (МОКС, нитридного, карбидного, металлического), а также использовать результаты моделирования при анализе поведения твэлов в течение топливной кампании или же в условиях проектных и запроектных аварий, в том числе и для реакторов на быстрых нейтронах.

Возможности современных компьютерных систем позволяют отказаться от применения полуэмпирических моделей микроструктурного анализа топлива с большим количеством неявных параметров, а перейти к гораздо более эффективному способу непосредственных расчетно-теоретических (ab initio) вычислений этих параметров, исходя из основных принципов квантовой механики и молекулярной динамики. Поэтому в ИБРАЭ РАН особое внимание уделяется созданию физических моделей ab initio и использованию их в топливных кодах нового поколения (в том числе, SFPR) с целью выполнения поддерживающих расчетов, особенно в применении к новым видам топлива, для которых еще не наработана достаточно подробная экспериментальная база данных. Аналогичным образом, для выполнения поддерживающих расчетов при определении ключевых параметров моделей, составляющих основу термомеханического и нейтронно-физического модулей топливного кода, могут быть применены наиболее эффективные расчетные методики (в частности, метод конечных элементов).

Результаты исследований

Конечным результатом разработки и модификации (в применении к новым видам топлива для реакторов на быстрых нейтронах) указанных физических моделей является обеспечение, в рамках топливного кода SFPR, адекватного описания основных физических явлений, характеризующих поведение тепловыделяющих элементов в различных (в том числе аварийных) режимах работы ядерного реактора. Моделирование термомеханических, физико-химических (включая взаимодействие материалов твэлов и их теплообмен с теплоносителем), нейтронно-физических процессов в топливе и расчет выхода продуктов деления осуществляется с использованием вычислительных возможностей современных суперкомпьютеров.

Топливный код SFPR совместим с другими разработанными в ИБРАЭ РАН программными средствами и может быть интегрирован в сквозную систему расчетных кодов, обеспечивающую анализ и обоснование безопасности АЭС с реакторными установками различных типов.

Достоверность и высокая надежность предсказаний кода SFPR для оксидного топлива была подтверждена путем его верификации в рамках участия ИБРАЭ РАН в ряде международных проектов по развитию и применению топливных кодов в научных исследованиях (4^th÷6^th Framework Programme of Euroatom, SAMANTHA, МНТЦ), а также в ходе практического применения российскими профильными организациями (ИБРАЭ РАН, ОАО «ГНЦ НИИАР», ОАО «Машиностроительный завод» и ряд других).