Тред №252299

Просто читаем и перeваривaем:  Part 1


Юрий Хомяков: со сталью отношения сложные

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 03.09.2010

В начале 2010 года МАГАТЭ опубликовало итоговый обзор большой работы, проделанной международным коллективом авторов по нейтронно-физическим расчётам бенчмарка, созданного по гибридной зоне реактора БН-600.

Ответить на возникшие у электронного издания AtomInfo.Ru вопросы любезно согласился заместитель директора по науке Института ядерных реакторов и атомной энергетики ГНЦ РФ - ФЭИ Юрий ХОМЯКОВ.

Бенчмарк от России

Юрий Сергеевич, просим Вас рассказать поподробнее о том, что это за документ и какую работу венчает его выход в свет?

Начну издалека. Если сравнивать доклады, представляемые на международных конференциях по быстрым реакторам российскими и зарубежными специалистами, то разница между ними видна невооружённым глазом. Мы говорим о конкретных результатах, проектах, живых установках, а наши коллеги в большинстве своём вынуждены заниматься расчётно-аналитическими исследованиям, но не живым делом.

Наша деятельность, связанная с БН-600 как единственным в мире работающим энергетическим реактором на быстрых нейтронах, уникальна. Это вершина, которую на сегодня пока никто другой не достиг. Следующий этап, на который мы выходим в ближайшее время - освоение гибридной зоны, то есть, первой зоны, в которой будет активно использовано MOX-топливо.

С точки зрения физики, гибридная зона особенно интересна, так как у неё не было аналогов. Везде в мире быстрые реакторы работали или только на смешанном топливе, или только на урановом. Такие загрузки анализировались, для них есть бенчмарки, в том числе, по БН-800.

Но гибридная зона уникальна. В ней соединяются два разных по физическим свойствам топлива - урановое и смешанное. Особенно это важно в части, связанной с кинетикой, из-за разных долей запаздывающих нейтронов. Поэтому неудивительно, что возник интерес к созданию для такой зоны бенчмарка.

Важно, что бенчмарк этот не чисто теоретический. Он поставлен по варианту активной зоны, которая вскоре должна быть реализована на практике. Дополнительную особенность придавало включение в состав бенчмарка экспериментов, сделанных на сборке БФС.

Бенчмарк мог пойти только от России, потому что только у нас есть соответствующие возможности. Формулировался он в ФЭИ А.В.Данилычевым и В.Ю.Стоговым. Работа была поддержана главным конструктором, активное участие в ней принимали такие ведущие специалисты ОКБМ как Б.А.Васильев и М.Р.Фаракшин.

Могу добавить, что на крупнейшей международной конференции по быстрым реакторам, состоявшейся в декабре прошлого года в Киото, проводился конкурс работ. И доклад по гибридному бенчмарку стал победителем, и вся наша деятельность получила, таким образом, высокую оценку в мире.

Кто проводил бенчмарк? Как он был оформлен организационно?

Бенчмарк проводился в рамках МАГАТЭ. Для таких проектов, как правило, собираются рабочие группы, или так называемый координационный проект, в котором принимают участие разные страны. Они присылают своих специалистов, экспертов для работы в рамках группы.

Бенчмарк был разбит на несколько этапов. В конце каждого из них проводилось обсуждение и сравнение полученных результатов. Расчёты проводили коллективы из Франции, США, Германии, подключались команды из Индии, Южной Кореи и Японии. Роль России была координирующей. Все данные стекались к российским специалистам для компиляции и формулирования выводов, которые потом ставились на обсуждение в рабочей группе.

Расчёты коэффициентов реактивности

В чем суть бенчмарка? Что моделировалось и какие процессы?

В первую очередь, бенчмарк посвящён исследованию точности расчётов коэффициентов реактивности. Это параметры, которые напрямую влияют на безопасность реактора, в том числе, и на обратные связи.

Такая задача была поставлена впервые. Ранее для быстрых реакторов бенчмарка по коэффициентам реактивности не проводилось. По критическим параметрам были, а по коэффициентам - нет.

Какие коэффициенты затрагивались в нашей работе? Упомяну коэффициенты по расширению активной зоны с изменением её геометрии. Разумеется, рассматривался Допплер-эффект и некоторые другие, важные для безопасности.

Мы пытались понять, определить, насколько отличаются результаты расчётов по кодам и константам, принятым в разных странах. На второй стадии мы смотрели, к чему могут привести наблюдающиеся различия при анализе тяжёлых аварий. Для этого мы рассматривали два типа аварий - с самоходом стержня СУЗ и с полной потерей электроснабжения при несрабатывании всех элементов воздействия на реактивность.

Последняя авария интересна тем, что реактор работает в ней за счёт собственных коэффициентов реактивности и собственных свойств безопасности. Мы проводили исследования, чтобы понять, как он сможет справиться в такой тяжёлой ситуации.

Всё-таки, что именно моделировалось? Только активная зона, или же включалась модель первого контура?

Безусловно, основная часть бенчмарка - физические расчёты, определение коэффициентов реактивности. Было принципиально важно получить численные оценки и понять, насколько корректно их умеют считать в разных странах и институтах, так как коэффициенты реактивности являются входными параметрами в расчёте безопасности.

Собственно расчёты безопасности носили в нашем бенчмарке оценочный характер. Надо понимать, что это отдельная большая и непростая работа, требующая значимых трудозатрат. Для наших целей подробное моделирование не требовалось, так как нас интересовал масштаб явлений.

Отвечая на ваш вопрос, скажу так. Расчёты в бенчмарке делались с гидравликой. Но гидравлика была только там, где она соединяется с нейтронами. То есть, в активной зоне.

Насколько мы понимаем, бенчмарк состоял из двух частей. Первая - это реальные эксперименты на БФС, вторая - прогнозные, если можно так выразиться, расчёты для БН-600.

На самом деле, всё сложнее. Бенчмарк длился лет 7-8, и у него было шесть этапов. Они шли по нарастающей, так как по ходу дела у вовлечённых в бенчмарк специалистов росли аппетиты.

Сначала была сделана двумерная модель активной зоны, потом трёхмерная, затем трёхмерная гетерогенная, а ближе к концу появились модели БН-800 с полной загрузкой MOX-топливом и с использованием минорных актинидов.

По мере развития бенчмарка всё чаще и чаще стали задаваться вопросы о желательности подкрепить расчётные данные экспериментальными. И тут помогли мы вместе с японцами. В России на протяжении пяти с лишним лет выполнялась программа совместных работ с японской JNC по экспериментальному моделированию гибридной активной зоны. Программа возникла в связи с темой об утилизации оружейного плутония и, надо честно признать, много нам дала.

МАГАТЭ сделало запрос России и Японии о передаче агентству экспериментального бенчмарка. Одно из состояний, изучавшихся в ходе двухсторонней программы, было доведено до уровня бенчмарка и отдано в распоряжение агентства. Так в нашем обсуждаемом бенчмарке появился этап, позволявший сравнить результаты расчётов с реальными экспериментальными данными.

Расхождение 20%

Вопросы по результатам работы. Что показал бенчмарк? Каково состояние быстрых кодов в мире?

При ответе надо исходить из того, что эта область специфическая. Многие выводы, которые специалистам кажутся очевидными, иногда очень трудно интерпретировать.

Первый колоссальный результат - то, что мы впервые реально получили оценку точности расчётов коэффициентов реактивности. Это на самом деле очень важно. Теперь у нас появилось представление, насколько верно мы считаем.

Расчёты коэффициентов реактивности - это проблема. Это действительно большая и сложная проблема. Возьмите хотя бы коэффициенты реактивности, связанные с изменением геометрии активной зоны. Как описать для них математическую модель? Как именно изменяется геометрия зоны - расширяется ли она в виде бочки, в виде корзины, или расширяется в стороны? Теперь мы можем почувствовать, насколько корректны наши представления.

А померить коэффициенты по расширению нельзя?

На критсборках измерить их нельзя, потому что там нет рабочих температур. А на реакторах типа БН-600 эффект этот проявляется, но он "замазан", интегрирован во множество других эффектов. Их приходится разделять друг с другом, и от того, каким путём это будет сделано, зависит интерпретация итоговых результатов.

Кстати, по этой причине чрезвычайно полезной оказалась совместная работа с участием наших и зарубежных специалистов по разложению эффектов на "подэффекты" и по сравнению методологии их расчётов в различных приближениях - гомогенном, гетерогенном, диффузионном, кинетическом и так далее. Понимаете, тут каждый эффект тянет на диссертацию.

Приведу пример - эффект от изменения геометрии стержней СУЗ. Органы управления и защиты находятся на верхней крышке, а активная зона стоит снизу от них. При расширении зоны они начинают друг в друга "вставляться". Фактически, это эквивалентно тому, что стержни погружаются в активную зону из-за удлинения штанг и прочих элементов. Корректный расчёт этого эффекта долгое время не давался специалистам, а окончательное решение этой проблемы было получено М.Р.Фаракшиным в его диссертации с учетом результатов обсуждаемого бенчмарка.

Уточнение моделей расширения - сложный процесс, требовавший постоянного контакта с научных работников и конструкторов. Но и есть и другие эффекты, носящие чисто физический характер. Это, например, Допплер-эффект, определяющийся в основном нейтронными данными.

Можно попросить уточнить, каково было расхождение между расчётами Допплер-эффекта разными группами специалистов, принимавших участие в бенчмарке?

Максимальное расхождение составило около 20%. На первый взгляд, это неплохой результат. Но, по нашим ощущениям, должно было быть меньше.

Проблема стального отражателя

А действительно, за счёт чего получилась разница в 20%? Это много. Какие изотопы сыграли определяющую роль?

Повторю, что это максимальный разброс. В бенчмарках бывает всякое. Какая-либо из оценок может вылететь по сравнению с остальными.

По Допплер-эффекту результаты сильно зависят от сечений изотопов плутония, высших изотопов, начиная с 240Pu. Если в топливе есть минорные актиниды, то они тоже могут влиять на этот эффект. Было видно, что по мере усложнения бенчмарка, перехода к полной загрузке активной зоны, к загрузке топлива с минорными актинидами погрешности растут.

Интересно отметить, что большие расхождения были замечены по коэффициентам реактивности для стали. С точки зрения нейтронной физики, сталь - это смесь множества изотопов, в том числе, примесей, и каждый из них вносит свой вклад в реактивностные эффекты.

В обычных ситуациях погрешностями расчёта коэффициентов для стали можно пренебречь. Но если у нас возникает тяжёлая авария, сталь плавится и может перемещаться в другие пространственные зоны, то точность её учёта в вычислениях может оказаться важной.

Естественно, что огромное внимание уделялось натриевому пустотному эффекту реактивности (НПЭР). Это ключевая позиция при использовании MOX-топлива. Напомню, что есть разница в подходах, принятых у нас и у наших зарубежных коллег.

Российский подход заключается в том, что мы придерживаемся концепции нулевого НПЭР и проектируем активную зону соответствующим образом - с интегральным натриевым коэффициентом реактивности, близким к нулю. За рубежом такого жёсткого требования не ставится, и там развивают активные зоны с положительным НПЭР.

Что важно для нас с точки зрения расчётов? Мы должны понимать, с какой точностью мы получаем нулевой эффект. Если это, ноль плюс-минус бетта, то нулевым такой эффект назвать нельзя.

Мы говорим об эффекте, напрямую связанным с безопасностью реакторов. И мы обязаны закладывать при его расчёте консервативные оценки, иными словами, с учётом погрешностей. Поэтому знание точности наших расчётов НПЭР имеет принципиальное значение.

Возвращаясь к 20%, как установить, кто, собственно, прав? Вдруг верные результаты даёт именно та группа, которую считают выбивающейся из всех остальных.

Общего алгоритма нет. Точнее, есть, но он донельзя простой. Первое, это кропотливые аналитические исследования, более детальные сравнения, расчёты альтернативными методами, коллективное обсуждение и нахождение ошибок и причин расхождения. Второе - эксперимент. Ничего другого предложить пока никто не предложил.

Как правило, если всё чётко сформулировано и разобрано, и поставлен эксперимент, то он даёт правильный ответ.

Хорошо, что делать дальше? И второй вопрос - вы определились с точностью расчётов коэффициентов для стали текущего состава. Но материаловеды постоянно ищут что-то новое. Завтра они предложат другую марку стали, и вам придётся повторять всю работу заново.

Давайте, я последовательно отвечу на ваши вопросы. Первое, нам нужно продолжить работу в том плане, чтобы довести её до реальных последствий аварий, и уже, исходя из этого, сделать выводы о степени важности расхождений в расчётах коэффициентов реактивности.

В бенчмарке мы доходили только до начального анализа протекания аварий. Проще говоря, мы останавливались в тот момент, когда начиналось кипение. Если в процессе присутствует кипение, то нам требуется переходить на совершенно другой класс кодов, и привлекать более широкий круг специалистов.

Мы предполагаем, где влияние расхождений может играть существенную роль. Но теперь к работе должны подключиться другие специалисты, которые занимаются анализом аварийных процессов. Нужно брать комплексные коды с учётом гидравлики и полным описанием контуров, вставлять в них наши результаты в качестве исходных данных и смотреть реальные последствия от предполагаемых аварий вплоть до выбросов в окружающую среду и применения защитных мер для населения.

Мы создали базу для дальнейших исследований, а после их проведения мы получим обратную связь - насколько сильно влияют на определение последствий тяжёлых аварий наши погрешности в расчётах коэффициентов реактивности.

Теперь второй вопрос, о стали. У нас со сталью сложные отношения. На БФС мы делали бенчмарк, в котором мы обнаружили серьёзные расхождения в распределениях нейтронного поля в стальных отражателях. Мы научились предсказывать с хорошей точностью нейтронные поля в средах с ураном и плутонием. Но как только мы переходим в стальной отражатель, то получаем расхождение с экспериментом на уровне 25% и более.

Мы анализировали несколько раз наши эксперименты, брали французские данные, американские… Но проблема остаётся. Мы её так и называем: "Проблема стального отражателя".

Сталь обладает сложными свойствами. Там много изотопов, сложная структура нейтронных сечений, есть резонансные минимумы, по которым сквозят нейтроны. Не исключено, что на интерпретацию результатов очень сильно могут влиять примеси типа марганца.

Мы неоднократно ставили эту проблему как тему международного сотрудничества и перед французами, и перед американцами. Второе, что мы сделали - на БФС провели серию экспериментов с компонентами стали. Отдельно ставили отражатели из железа, никеля, хрома, циркония и других элементов. Мы думаем, что когда работа будет завершена, то сумеем структурировать все эффекты по компонентам.

А известен ли состав сталей с достаточной точностью? Металлурги обращают внимание на примеси, но в пределах ТУ, а ТУ у нас бывают разные.

Если говорить о бенчмарке, то в нём, конечно же, примеси не учитывались. Другое дело, когда анализируются реальные эксперименты на БФС. Там имеют право появляться сомнения, в том числе, и по составу стали.

Но свои блочки мы неоднократно измеряли, отдавали химикам, искали все примеси и можем считать, что для них состав мы знаем хорошо. Чтобы полностью исключить все сомнения, мы сделали набор образцов разных сталей от различных производителей, партий изготовления и так далее.

Кроме погрешностей, вызванных неточным знанием состава, есть ещё влияние технологических погрешностей. Это отдельный разговор. С ними надо что-то делать. Развивать методы их оценки и компенсации. Иначе может сложиться такая ситуация, что погрешности кодов будут существенно снижены, а технологические погрешности останутся и будут определяющими и наши усилия - обесцененными.