Расчетный топливный код РТОП-СА

Специалистами АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» по заказу топливной кампании «ТВЭЛ» разработан расчетный код РТОП-СА, моделирующий поведение твэла и выход продуктов деления в первый контур реактора ВВЭР в случае образования одного или нескольких сквозных дефектов в оболочке твэла. Код РТОП-СА аттестована в Ростехнадзоре (аттестационный паспорт программного средства №527 от 13.10.2021 г.) для реакторных установок ВВЭР-440/1000/1200/1300.

Код РТОП-СА может использоваться для:

• расчетного прогнозирования активности теплоносителя первого контура и эволюции состояния твэлов до и после разгерметизации при вариации условий облучения, параметров конструкции твэлов и степени повреждения оболочки;

• решения обратной задачи, когда по результатам измерений активности продуктов деления в теплоносителе необходимо оценить параметры негерметичных твэлов (количество, мощность и выгорание топлива, характер повреждения оболочки).

Код РТОП-СА применяется для совершенствования методик контроля герметичности оболочек твэлов во время работы реактора (в том числе, для методик, используемых в программном продукте АРГУС). Код РТОП-СА используется для сопровождения топливных циклов на зарубежных и российских энергоблоках ВВЭР.

Разгерметизация оболочки приводит к значительным изменениям в поведении твэла. Меняется термомеханическое поведение, содержание кислорода в топливных таблетках, теплопроводность, подвижность атомов продуктов деления в топливе, распухание таблеток и др. Код РТОП-СА позволяет самосогласованно моделировать поведение продуктов деления на стадиях от их наработки и миграции в различных средах под оболочкой до регистрации в первом контуре. Код РТОП-СА описывает состояние твэла во время работы и до разгерметизации, и после образования сквозного дефекта (дефектов) в оболочке.

Реализованный в коде РТОП-СА механистический подход включает самосогласованное моделирование следующих процессов:

• динамика изменения содержания плутония и гадолиния (для твэгов) в топливе, эволюция поля тепловыделения в таблетках;

• термомеханическое поведение твэла на стадии до образования сквозного дефекта оболочки и после разгерметизации;

• наработка и миграция стабильных газов деления в матрице UO_2+x, формирование газовой пористости, выход газовых продуктов деления под оболочку;

• механическое взаимодействие топливных таблеток и оболочки до и после разгерметизации;

• наработка и выход под оболочку радиоактивных продуктов деления;

• окисление таблеток и оболочки твэла, наработка водорода;

• перенос кислорода в топливе и формирование новых фаз оксида урана;

• изменение теплофизических свойств топлива и оболочки после разгерметизации;

• изменение геометрических характеристик топливных таблеток и оболочки в ходе облучения;

• перенос под оболочкой водяного пара, водорода и продуктов деления;

• поведение жидкой фазы теплоносителя под оболочкой;

• распределение радионуклидов между поровой, жидкой фазой теплоносителя и свободной поверхностью под оболочкой;

• массообмен между негерметичным твэлом и первым контуром;

• выход радионуклидов из негерметичного твэла, их поведение в первом контуре.

В коде РТОП-СА на микроуровне описывается эволюция микроструктуры топлива на масштабах отдельного зерна, включая процессы наработки и миграции продуктов деления, а также зарождение и рост газовых пор под облучением. Отдельно моделируется поведение радиоактивных продуктов деления в зерне и межзеренной пористости, что позволяет определить выход радионуклидов в свободный объем под оболочкой. Для расчета скорости поступления продуктов деления в первый контур решаются задачи массопереноса под оболочкой и массообмена с первым контуром, при этом учитываются как диффузионные, так и конвективные механизмы. Массоперенос водорода и водяного пара рассматривается совместно с моделированием окисления таблеток и оболочки. При расчете активности в теплоносителе первого контура также учитывается наработка радионуклидов вследствие делений в топливе, которое находится в виде отложений на поверхности конструкций в активной зоне. Также учитывается работа систем очистки и дегазации теплоносителя.

Код РТОП-СА валидирован на обширной экспериментальной базе, которая включает:

• эксплуатационные данные с результатами измерений активности теплоносителя на энергоблоках ВВЭР;

• результаты послереакторных исследований ТВС с негерметичными твэлами;

• результаты экспериментов на реакторе МИР с искусственным дефектом в оболочке твэла;

• данные экспериментов, выполненных на исследовательских реакторах для валидации отдельных расчетных моделей.

В настоящее время планируются разработка документации для аттестации расширенной версии кода РТОП-СА, включающей дополнительные расчетные возможности. Область применения расширенной версии программы будет включать все виды современного топлива ВВЭР, включая твэги, твэлы с таблетками без центрального отверстия, твэлы с торцевыми бланкетами из необогащенного урана. В число дополнительных аттестованных опций также войдет моделирование термомеханического поведения негерметичных твэлов. Область применения расширенной версии кода включает моделирование ситуаций, когда после образования первичного дефекта в оболочке появляются дополнительные (вторичные) сквозные повреждения, обусловленные формированием локальных массивных гидридов в оболочке твэла. При этом значительно изменяются характеристики работы твэла и может сильно расти скорость выхода продуктов деления в первый контур. Современная версия кода РТОП-СА по своим расчетным возможностям и уровню детализации при моделировании поведения негерметичных твэлов легководных реакторов не имеет прямых аналогов в России и за рубежом.

Расчетный код РТОП-СА разработан в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» по заказу АО «ТВЭЛ». Права собственности на код РТОП-СА принадлежат АО «ТВЭЛ».