5 Регламентные пределы повреждений и нагрузок твэлов

Предельные аварийные условия для твэлов с циркониевыми оболочками:

• максимальная температура - не выше 1200°С;

• максимальная локальная глубина окисления оболочки - не более 18% от первона­чальной толщины стенки;

• доля прореагировавшего циркония - не более 1% от его массы в оболочках твэлов.

Первое из ограничений (Т_об< 1200°С) предназначено для исключения возможности возник­новения самоподдерживающейся пароциркониевой реакции в активной зоне. Однако мно­гочисленными измерениями во ВНИИНМ, ВТИ, РНЦ «Курчатовский институт» показано, что на сплаве Э-110, используемом для оболочек твэл реакторов ВВЭР-1000, не возникает са­моподдерживающейся пароциркониевой реакции вплоть до 1350°С. С повышением темпе­ратуры скорость коррозии растет, растет и количество выделяющегося тепла, однако сплав Э-110 при этих температурах (< 1350°С) не самовозгорается.

За рубежом для сплава циркалой-4 также не наблюдалось самоподдерживающейся паро­циркониевой реакции до этих же температур. Таким образом, сейчас нет достаточных дан­ных, чтобы ставить вопрос о снижении предельной температуры 1200°С, как средства ис­ключения возможности самоподдерживающейся пароциркониевой реакции в активной зоне. Можно отметить некоторый консерватизм в назначении предельной температуры на уров­не 1200°С.

Предельная глубина окисления оболочки твэла - не более 18%, установлена с целью не допустить разрушения оболочек при повторном заливе активной зоны, чтобы иметь воз­можность выгрузить кассеты из активной зоны после происшедшей аварии. При окислении оболочки она приобретает хрупкость, пластичность сохраняется лишь в неокисленных сло­ях, поэтому при термическом ударе возникает опасность разрушения.

За рубежом величины допускаемых локальных глубин окисления для сплава циркалой-4 близки к назначенным ПБЯ РУ АС (менее 15-17%), что подтверждено соответствующими экспериментами. В то же время проведенные в 1988 году эксперименты по сжатию окисленных оболочек (отчет ВНИИНМ, ВТИ, АЭП) показали, что оболочка теряет пластические свойства уже при 3-5% локальной глубины окисления. По мнению некоторых авторов допу­стимую локальную глубину окисления сплава Э-110 надо уменьшить до 5%.

Доля прореагировавшего циркония - не более 1% от его количества в активной зоне опре­делена с целью исключения возможности большого взрыва в корпусе реактора или гермо-оболочке. В Японии этот критерий сформулирован следующим образом: ни в каком объеме АЭС не должно образовываться взрывоопасное количество водородно-воздушной смеси. Для ВВЭР-1000 количество образовавшегося Н₂ при назначенной предельной величине прореагировавшего циркония - достаточно большая величина (около 100 м³). При проект­ных авариях проектировщиками также используется критерий «нижнего предела распрост­ранения пламени - 4 объемных процента водорода». Считается что при концентрации водо­рода менее 4% объемных горение невозможно.

Для удержания расчетных характеристик реактора при развитии большой аварии на уровне неразрушения активной зоны, что определено непревышением температуры циркониевой оболочки 1200°С, потерей циркония на окисление не более 1% и толщины оболочки не бо­лее 18%, пришлось ограничить в 1977 году линейное энерговыделение твэла реакторной установки В-302 максимальным значением 490 Вт/см (ранее было 525 Вт/см), а в дальней­шем в техническом задании на реакторную установку В-392 значением 448 Вт/см, для уран-гадолиниевых твэлов (твэгов) 360 Вт/см.

Причина этого заключается во все большем понимании опасности реакции:

Zr+2H₂O=ZrO₂ + H₂

начинающейся в водяном паре в области 950°С, а также учете возникновения ползучести циркониевых сплавов в области температур 800°С, приводящей к раздутию и частичной разгерметизации оболочек в процессе быстрого нарастания температур в аварийных ситу­ациях и перекрытия проходных сечений расхолаживающему теплоносителю. Генеральным конструктором принято ограничение перекрытия живого сечения теплоносителя в процес­се развития аварии величиной 50-70%.

Первоначально в проекте головного блока с реакторной установкой ВВЭР-1000 при макси­мальном значении линейного энерговыделения 525 Вт/см предельная температура оболоч­ки при развитии большой аварии оценивалась почти в 1350°С.

Главный конструктор ОКБ «Гидропресс» (г. Подольск) привел в соответствие характери­стики активных зон реакторов ВВЭР-1000 реакторных установок В-392 и В-320. Исходя из имеющихся экспериментальных данных внутриреакторного определения коэффициента контактной теплопередачи сердечник-оболочка, измеренного с точностью ±20%, и факти­ческих заводских допусков на зазор оболочка-сердечник, а также с учетом возможного максимального увеличения этого зазора в начале облучения за счет внутриреакторного радиационного уплотнения топлива на 4%, локальная величина энергонапряженности твэ-лов ограничена максимальным значением 448 Вт/см, для твэгов 360 Вт/см.

Расчет показывает, что при исходном давлении гелия внутри оболочки твэла около 2 МПа при выходе реактора на 100% мощности оно достигает в начальный период эксплуатации величины 7.1 МПа вследствие общего разогрева внутритвэльной газовой среды в среднем до 700°С. По данным на начало кампании, описывающим наиболее опасную ситуацию раз­вития аварии, был построен график изменения параметров во времени для максимально напряженной группы твэлов.

Из графика следует, что в течение первых 5-6 секунд развития аварии внутритвэльное давление не превысит внутрикорпусного, затем окружные напряжения в оболочке начина­ют возрастать и оболочки около 5000 твэлов (15-16 ТВС) на 15-18 секунде попадают в высокотемпературную область 600-900°С, в которой реализуется их высокотемпературная деформация.

Расчетный код РАПТА с учетом окисления оболочек позволил оценить, что максимальная окружная деформация оболочек группы твэлов приводит к касанию оболочек соседних в пучке твэлов.

По расчетам ОКБ «Гидропресс» с использованием кода «ТЕЧЬ-М», верифицированного по экспериментам при средних течах (до Ду200), при МПА максимальные температуры не пре­вышают 1100°С (продолжительностью 4 с), максимальная глубина окисления оболочки составляет около 15% от ее толщины, количество образовавшегося при этом водорода со­ставляет 70 м³.