مقدمه

به دلیل پیچیدگی ساخت سوخت صفحه ای در داخل کشوردر سال ۸۹، بررسی در مورد ساخت نوع ساده تری از

سوخت مد نظر قرار گرفتهشد. مخصوصاً در آن زمان که راکتور تهران با اتمام سوخت از نوع کنترلی (CFE) مواجه گشت و با توجه به استفاده از سوخت میله ای در راکتورهای تحقیقاتی، در مورد راکتور تهران نیز تبدیل سوخت بعنوان

یک راهکار در نظر گرفته شد. در این مقاله فقط جایگزینی CFE مورد توجه است به طوری که قلب، ترکیبی از سوخت های SFE صفحه ای و CFE میله ای می باشد. در مطالعه اولیه با حفظ پارامترهای اساسی قلب راکتور تهران و درنظرگرفتن حداقل تغییرات در ساختار قلب نتایج استفاده از سوخت میله ای در CFE بصورت جایگزینی فقط یک
CFE میله ای یا چهار CFE میله ای در قلب بررسی شده است. در اواخر سال ۹۰ این سوخت برای اولین بار جهت

تست های عملکردی در قلب راکتور قرار گرفت و به عنوان اولین سوخت تولیدی کشور در کنار سوخت های صفحه ای، ابتدا در حاشیه قلب و سپس به جای CFE صفحه ای جایگزین شد. لذا از آنجا که هر قلبی که در راکتور تهران یا هر راکتوری چیدمان می شود باید کلیه معیارهای ایمنی بهره برداری را چه به لحاظ نوترونیک، ترموهیدرولیک و آنالیز

حوادث برآورده سازد. و با توجه به اهمیت پارامترهای دینامیکی و سینتیکی در تحلیل حوادث پایه طراحی و یا حوادث

فرضی اولیه و آنالیز حساسیت پارامترهای ایمنی نظیر ماکزیمم دمای سوخت، غلاف و ۱DNBR نسبت به تغییرات

قلب راکتور نظیر برناپ سوخت، تغییر در چیدمان و نوع سوخت محاسبه این پارامتر لازم و ضروری به نظر می رسد.

برای محاسبه پارامترهای نوترونیک قلب راکتور شامل پارامترهای دینامیکی و سینتیکی دو سناریوی کلی در نظر گرفته شده است:

سناریوی اول مربوط به شرایط واقعی و عملیاتی در مدیریت سوخت قلب راکتور تهران بوده است. در این حالت مجتمع

سوخت میله ای در طول ۴سیکل کاری از حاشیه قلب تا نهایتاً در محل یکی از مجتمع های سوخت CFE صفحه ای و محل ورود میله کنترل تنظیمی جابجا شده است. این شرایط گذار از قلب ترکیبی شماره ۱ شروع شده و با قلب های ترکیبی۲و ۳ادامه می یابد و نهایتاً در قلب ترکیبی۴ به محل موردنظر یعنی به جای یک مجتمع سوخت CFE صفحه ای

۱- Departure from nucleat boiling (DNBR)

۷۲۲

منتقل می شود.در سناریوی دوم، به منظور بررسی دقیق تر و آنالیزهای حساسیت و مقایسه ای، قلبی از راکتور تهران به نام قلب تعادلی مرجع را انتخاب نموده و آنالیزهای دقیق مربوط به تغییرات پارامترهای نوترونیک قلب راکتور شامل پارامترهای سینتیکی و دینامیک صورت گرفته است. نخستین گام مدلسازی راکتور با استناد به اطلاعات جمع آوری شده از [۱] SAR راکتور توسط کدهای WIMSD5[2]، CITVAP v3,2[3]وBORGES v3,0[4] از مجموعه ی MTR-PC[5] صورت می گیرد.

روش کار

در این قسمت همانطور که در شکل (۱) مشاهده می شود، مشخصات مجتمع سوخت کنترل جدید با سوخت میله ای آورده شده است. طراحی به گونه ای است که ابعاد هندسی مجتمع جدید مطابق با مجتمع های کنترلی فعلی راکتور تهران به لحاظ ابعاد بیرونی مجتمع و گام شبکه در قلب راکتور باشد و ابعاد دقیق محل قرارگیری میله های کنترل راکتور رعایت گردد تا نیازی به تغییر در شرایط عملیاتی و سیستم خنک کننده راکتور تهران نباشد. به گونه ای که با حفظ پارامترهای اساسی قلب راکتور تهران امکان تست سوخت های تولیدی در شرایط کارکرد با توان کامل در قلب را فراهم آورد و کلیه پارامترهای ایمنی قلب راکتور تهران را براورده سازد. در ضمن برای طراحی ترکیب و غنای سوخت سعی شده است تا سوخت تولیدی کشور با چگالی موردنظر تا غنای ۳/۱ در صد طراحی شود تا میزان بارگذاری سوخت اورانیوم ۲۳۵ در مجتمع های جدید مطابق با سوخت قبلی باشد. مجتمع سوخت کنترل جدید دارای ۱۲میله سوخت به قطر خارجی ۱/۳۶ cmمی باشد.غلاف میله های سوخت از جنس Zr-Nb1% و با ضخامت ۰/۹۵mm درنظرگرفته است . ارتفاع فعال میله های سوخت ۶۰ cm می باشد که تقریبا شامل ۴۲ قرص سوخت به ارتفاع ۱۴ mm است. تیغه های کنترلی حاوی In-Cd-Ag همانند CFE قبلی در طرفین و سوخت در وسط قرار گرفته است. مجتمع CFE جدید دارای همان گام شبکه فعلی یعنی ۷/۷۱cm × ۸/۱ cm است قلب ترکیبی جدید (Mixed-core) همانند قلب فعلی و مطابق با سیستم خنک کننده موجود با مقدار دبی ۵۰۰ m3/h برای کارکرد در حالت پایدار با توان ۵ MW درنظر گرفته شده است.

در جدول (۱) نیز میزان بارگذاری سوخت جدید با سوخت صفحه ای مقایسه شده است.

شکل .۱ نمای کلی ازمجتمع سوخت کنترلی جدید

۷۲۳

جدول .۱ مقدار سوخت مورد نیاز برای ساخت مجتمع سوخت کنترلی CFE و مقایسه آن با مقدار سوخت صفحه ای

U3O8-Al UO2× CFE×
۲۰ % ۳,۱% Enrichment

۱,۶۶ kg 6,724 kg Meat×
۱,۰۷ kg 5,928 kg U×
۲۱۴,۲ gr 197gr U-235
856 gr 5,720 kg U-238

برای محاسبه پارامترهای نوترونیک قلب راکتور شامل پارامترهای دینامیکی و سینتیکی دو سناریوی کلی در نظر گرفته شده است:

الف ) سناریوی اول: سناریوی اول مربوط به شرایط واقعی و عملیاتی در مدیریت سوخت قلب راکتور تهران بوده است. در این حالت همانطور که در شکل های ۱ الی ۴ نشان داده شده است، مجتمع سوخت میله ای در طول ۴ سیکل کاریز ا حاشیه قلب تا نهایتاً در محل یکی از مجتمع های سوخت CFE صفحه ای و محل ورود میله کنترل تنظیمی جابجا شده است.

قلب ترکیبی شماره ۱ قلب ترکیبی شماره ۲

قلب ترکیبی شماره ۳ قلب ترکیبی شماره ۴ شکل .۲ آرایش قلب های ترکیبی

۷۲۴

محاسبه پارامترهای سینتیکی و دینامیکی برای ۴ قلب ترکیبی

در این قسمت پارامترهای سینتیکی و دینامیکی چهار قلب ترکیبی محاسبه و به همراه متوسط برناپ قلب ها در جدول (۲) آورده شده است. همانطور که مشاهده می شود، از قلبی به قلب دیگر با توجه به تغییر آرایش و ترکیب قلب، متوسط برناپ قلب کاهش یافته و با کاهش برناپ، عمر نوترون های آنی کاهش و کسر نوترون های تأخیری افزایش می یابد، که در جدول زیر نیز این روند مشهود می باشد.

محاسبات پارامترهای دینامیکی نیز برای ۴ قلب ترکیبی با در نظر گرفتن میزان برناپ انجام گرفته است و نتایج در جدول (۲) آورده شده است. ضرایب راکتیویته دمایی سوخت برای چهار قلب ترکیبی با ثابت در نظر گرفتن کلیه پارامترها و تغییر دمای سوخت در محدوده ی دمایی ۲۰ -۳۴۰۰C با گام ۲۰۰C محاسبه شده و برای کندکننده نیز محاسبات با تغییرات همزمان دما (در محدوده ی دمایی ۲۰-۱۴۰۰C با گام ( ۵۰C و چگالی (با محدوده ی (۰,۹۲۷ – ۰,۹۹۸۲ gr/cm3 انجام شده و نتایج در جدول (۲) آورده شده است. همانطور که مشاهده می شود میانگین ضریب راکتیویته دمایی سوخت برابر با (-۱,۵۱to-1,56 pcm/0C) محاسبه شده است، که در محدوده ی ذکر شده در (-۱, ۴ to – 2,0 pcm/0C) SAR [1] قرار دارد و میانگین ضریب راکتیویته دمایی کندکننده برابر با (-۲۱to -23 pcm/0C) محاسبه شده است و محدوده ی ذکر شده در SAR [1 ]، -) ۱۵,۸ to – 28,6pcm/0C) می باشد.

جدول.۲ نتایج حاصل از محاسبات پارامترهای سینتیکی و دینامیکی برای ۴ قلب ترکیبی
پارامتر قلب ترکیبی ۱ قلب ترکیبی ۲ قلب ترکیبی ۳ قلب ترکیبی ۴
عمر نوترونهای آنی((Sec 6,15E-05 6,11E-05 E-0506,1 5,90E-05
کسر نوترونهای تأخیری ۷,۱۸E-03 7,20E-03 7,20E-03 7,24E-03
ضریب راکتیویته دمایی سوخت((pcm/0C -1,54 -1,53 -1,51 -1,57
ضریب راکتیویته دمایی کندکننده((pcm/0C -23,04 -23,12 -22,96 -21,56
متوسط برناپ (درصد) ۳۳,۰۴ ۳۲,۶۰ ۳۲,۱۴ ۲۹,۱۳

ب) سناریوی دوم: در این قسمت به سناریوی دوم پرداخته می شود، در این سناریو به منظور بررسی دقیق تر و آنالیزهای حساسیت و مقایسه ای، قلبی از راکتور تهران را که به نام قلب تعادلی مرجع در محاسباتSAR 1] [ راکتور تحقیقاتی تهران که توسط شرکت آرژانتینی INVAP ارائه شده، انتخاب نموده و آنالیزهای دقیق مربوط به تغییرات پارامترهای نوترونیک قلب راکتور شامل پارامترهای سینتیک و دینامیک صورت گرفته است .قلب تعادلی مرجع دارای ۲۸ مجتمع سوختی بوده ولی از این ۲۸ مجتمع سوختی۴ عدد مجتمع سوخت کنترلی می باشد که آرایش آن در شکل (۳) نشان داده شده است.

محاسبه پارامترهای دینامیکی و سینتیکی برای قلب تعادلی مرجع با ورود مجتمع سوخت میله ای

در این قسمت پارامترهای دینامیکی و سینتیکی قلب تعادلی مرجع ابتدا در شرایطی که تمامی مجتمع های سوخت صفحه ای باشند (NoRod) محاسبه شده سپس این محاسبات با ورود مجتمع سوخت میله ای در

۷۲۵

موقعیتهای مختلف ( E4,C4 , C2 و (D3 و همچنین در شرایطی که مجتمع سوخت میله ای در دو ، سه تا چهار موقعیت وارد شود صورت گرفته و نتایج در جدول (۳) آورده شده است. برای هریک از حالت های ورود مجتمع سوخت میله ای،ضرایب راکتیویته دمایی برای سوخت با ثابت در نظر گرفتن کلیه پارامترها و تغییر دمای سوخت در محدوده ی دمایی ۲۰ -۳۴۰۰C با گام ۲۰۰C محاسبه شده و برای کندکنندهنیز محاسبات با تغییرات همزمان دما (در محدوده ی دمایی ۲۰-۱۴۰۰C باگام ( ۵۰C و چگالی(با محدوده ی ۰,۹۲۷- ۰,۹۹۸۲ (gr/cm3 انجام شده است.