Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °С, а по толщине самой трубки 23 °С. Температура наружной поверхности трубки твэл при этом составляет около 350 °С. Удельный тепловой поток через эту поверхность в среднем около 0,6 103 кВт, а линейный тепловой поток –17 кВт/м трубки.

При номинальной мощности давление гелия под оболочкой твэла составляет 80–100 атм. Топливный сердечник твэла при этом удлиняется от нагрева на 30 мм.

Содержание урана-235 в массе топливных таблеток составляет от 4,4 % в начале работы до 0,8–1,0 % перед выгрузкой из реактора через три года работы. Около 5 % осколков деления урана представляют собой газообразные вещества, которые увеличивают давление газов под оболочкой твэла до 100 атмосфер в конце кампании в горячем рабочем состоянии. После охлаждения топлива парциальное давление этих газообразных осколков деления в оболочке твэла составляет около 20 атм. Конструкция твэла должна удовлетворять следующим наиболее важным требованиям:

-сохранение герметичности оболочек твэлов в различных эксплуатационных режимах в течение требуемого ресурса работы;

-конструкция и технология изготовления твэлов должна быть недорогая и простая (для автоматизации);

-материалы, входящие в состав твэла, должны быть совместимы между собой, обладать хорошей коррозионной, радиационной стойкостью, т.е. в минимальной степени изменять свои свойства;

-конструкция и технология изготовления должна обеспечивать отсутствие локальных перегревов и концентрации напряжений, которые могут быть причиной разрушений; применяемые в твэлах материалы должны иметь низкое сечение паразитного захвата нейтронов, а их объемная доля должна быть минимальной; в интервале рабочих температур топливный материал не должен иметь фазовых превращений с большими объемными изменениями;

-объемное содержание воспроизводящего материала должно быть высоким для воспроизводства вторичного ядерного топлива;

-топливные и конструкторские материалы должны обеспечить условия для последующего хранения, транспортировки и радиохимической переработки твэлов.

161

Конструкция ТВС должна удовлетворять следующим наиболее важным требованиям:

-обеспечение условий для надежного охлаждения всех твэлов в сборке не только при нормальных условиях эксплуатации, но и при различных аварийных ситуациях, включая МПА;

-обеспечение возможности независимого осевого термического

ирадиационного удлинения и возможного изменения формы твэла без их существенных изгибов, нарушения дистанционирования;

-обеспечение возможности размещения ОР СУЗ и их свободного перемещения в процессе эксплуатации.

Втабл. 7.3 приведены основные требования к конструкции твэ-

ла.

Для ВВЭР-1000 плотность топлива принята 10,4–10,75 г/см3. Повышенное содержание влаги и водорода приводит к сильному коррозионному воздействию на циркониевую оболочку при росте температуры вследствие образования гидрида циркония (как правило, в локальных местах с концентрацией напряжений). Места, подвергшиеся гидрированию, охрупчиваются, что может привести под воздействием напряжений к разрушению оболочки твэла.

По этой причине допустимое содержание влаги в таблетках ограничивается значением 5–7 10-4 %, а плотность более 10,3 г/см3. Таблетки дополнительно сушатся. Взаимодействие топлива с оболочкой – основная причина разгерметизации твэл.

Важная характеристика таблетки – термическая стабильность (сохранение их размера, особенно диаметра при повторном нагреве). Таблетки в первые десятки часов эксплуатации доспекаются, диаметр таблетки и высота уменьшаются, зазор между оболочкой и таблеткой увеличивается и может превысить допустимую величину с точки зрения безопасности при МПА.

Важной характеристикой является требование о допустимой величине разрывов между таблетками в топливном столбе в твэле.

Эксперименты и расчеты в НИИАР показали, что:

- при разрыве топливного столба на 15 мм тепловой поток увеличивается на 3–4 %, а температура в центре таблетки, граничащей с разрывом, увеличивается на 70 градусов;

163

-при разрыве 15–20 мм всплеск температуры наблюдается не только в данном твэле, но и в соседних твэлах.

Условия работы оболочек твэлов:

-мощное радиационное воздействие всех видов облучения; высокая температура топлива, достигающая в центре 2100–2500 °С (при авариях); высокое давление теплоносителя;

-коррозионное воздействие теплоносителя с внешней стороны,

атоплива и газовых продуктов деления с внутренней;

-плотный контакт оболочки с топливом вследствие его распухания;

-длительность кампании твэла 3–5 лет.

Из перечисленных условий работы вытекают основные требования к материалу оболочки. Надо помнить, что материал оболочки должен иметь минимальное сечение захвата тепловых нейтронов, а сама оболочка – идеально круглой.

Лучше других этим требованиям удовлетворяет цирконий. Но цирконий необходимо очистить от постоянного его спутника – гафния, обладающего большим сечением захвата нейтронов. Допустимое содержание гафния должно быть не более 0,01–0,05 % (в руде составляет 2–2,5 % от содержания циркония).

Чистый цирконий не удовлетворяет требованиям по механическим и коррозионным свойствам, поэтому его используют в виде сплавов.

В табл. 7.4 приведены основные свойства циркония.

-недостаточна прочность

ВВВЭР-1000 используется сплав Zr + 1 % Nb. Ниобий Легированимеет небольшое сечение захвата, снижает поглощение

Взаимодействие циркониевых сплавов с водой при высоких температурах приводит к окислению с образованием оксидной пленки и наводораживанию с появлением гидридной фазы в структуре сплавов.

В табл. 7.5 приведены факторы, приводящие к разрушению твэлов.

Таблица 7.5

Факторы, приводящие к разрушению твэл

Исследования показали, что устойчивость оболочек обеспечивается при диаметре твэла 9,1 мм и толщине стенки более 0,85 мм. Однако толщина 0,85 мм ухудшает физику реактора, поэтому было решено твэлы заполнять гелием под давлением, при этом выбор давления определился скоростью выхода ГПД из топливного сердечника, так как она определяет перепад давления теплоносителя по стенке оболочки в процессе эксплуатации.

На основе исследований было выбрано давление 2,0 МПа. Такое давление обеспечивает:

165

-устойчивость оболочки в течение всей кампании;

-поддержание более низкой температуры в твэле (на ~200 °С), чем при давлении 0,1 МПа, что обеспечивает при авариях более благоприятные термомеханические характеристики твэла (МПА);

-объем выделяющихся ГПД уменьшается на 30–40 % за счет уменьшения температуры.

Если бы давление было 0,1 МПа, то при выгорании топлива до 35 МВтсут/кг диаметр твэл уменьшался бы на 1,5 %, что приводило бы к фреттинг-коррозии и обжатию таблетки, а также к потере устойчивости в местах разрыва топливного сердечника и разгерметизации.

Втабл. 7.6 приведены значения давления под оболочкой твэла в процессе эксплуатации.

Таблица 7.6

Давление газов под оболочкой твэла в процессе эксплуатации на номинальной мощности

При номинальной мощности РУ:

-максимальная температура в центре топливных таблеток составляет около 1580 °С; среднеобъемная температура топлива около 940 °С; на поверхности топливных таблеток – около 470 °С;

-перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и оболочкой в среднем составляет 100 градусов, а по толщине самой оболочки 23 градуса;

-максимальная температура наружной поверхности оболочки твэла не превышает 352 °С;

-максимальная температура на внутренней поверхности оболочки твэла не превышает 414 °С (при ксеноновых колебаниях происходит незначительный рост температуры на 2–3 градуса).

166

При номинальной мощности РУ давление гелия под оболочкой твэла составляет 70–115 атм. Топливный сердечник удлиняется от нагрева на 30 мм.

Встационарном режиме эксплуатации оболочка находится под воздействием следующих нагрузок:

-перепада между внешним давлением теплоносителя и внутренним давлением смеси газов под оболочкой (He, Kr, Xe);

-термических напряжений от теплового потока и напряжений от взаимодействия распухающего сердечника с оболочкой.

Вначале кампании термические напряжения и перепад между давлением теплоносителя и давлением гелия в твэле обусловливают сжимающие напряжения на внутренней поверхности оболочки.

Затем из-за релаксации термических напряжений и уменьшения перепада давления из-за накопления газообразных продуктов деления сжимающие напряжения уменьшаются.

Примерно через 8000 эфф. часов топливный сердечник вступает

вконтакт с оболочкой и в ней начинают возникать постепенно возрастающие нагрузки со стороны распухающего сердечника.

7.4.Конструкция и характеристики тепловыделяющей сборки

Вреакторах ВВЭР-1000 (В-320) применена безчехловая тепловыделяющая сборка (ТВС) (рис. 7.2), которая состоит из пучка твэлов, головки и хвостовика. Пучок твэл содержит 312 твэлов, 18 трубчатых каналов для поглощающих элементов (ПЭЛ), центральную трубку, 15 дистанционирующих решеток с ободами и нижнюю опорную решетку. Дистанционирование твэлов осуществляется решетками «сотового» (ячеистого) типа.

На месте центральной ячейки ДР установлена втулка для крепления дистанционирующих решеток к центральной трубке. Нижняя решетка представляет собой плиту с фрезерованными пазами для прохода теплоносителя и крепления концов твэлов. Нижняя решетка является упорной для твэлов.

Крепление твэлов к нижней решетке осуществляется соединением типа «ласточкин хвост». Нижняя решетка крепится к хвостовику посредством приварки шести уголков и подкрепляется ребрами, приваренными к хвостовику ТВС.

167

168

Рис. 7.2. Тепловыделяющая сборка

В гнездо днища шахты ТВС устанавливается хвостовиком с опорой шаровой поверхностью на конусную часть гнезда. Для ориентации в плане на хвостовике ТВС имеется фиксирующий штырь.

Для обеспечения быстрого прекращения ядерной реакции, автоматического поддержания мощности на заданном уровне и перевода реактора с одного уровня мощности на другой, предупреждения и подавления ксеноновых колебаний реактивности применены регулирующие стержни – ОР СУЗ.

Суть конструкции пучка твэл и всей ТВС хорошо описывает технология ее сборки в горизонтальном положении:

-на монтажном сборочном столе в струбцинах зажимают одну опорную решетку и 15 дистанционирующих решеток (с шестигранными ободами по краю решеток) соосно друг другу (с шагом) через 220 мм;

-микролебедкой поочередно втаскивают в отверстия решеток центральную трубку, 18 направляющих трубок для ПЭЛ и 312 твэлов, эти трубчатые элементы удерживаются в отверстиях 15-ти дистанционирующих решеток за счет упругой деформации пружинистых краев отверстий и трения;

-проводится приварка аргоно-дуговой электросваркой нижних концов направляющих трубок ПЭЛ к плите нижней опорной решетки (выполняется до установки твэлов в пучок);

-закрепляются нижние концы твэлов в нижней опорной решетке путем соединения типа «ласточкин хвост»;

-соединение головки ТВС с ЦНК пучка твэлов осуществляется

спомощью цангового захвата;

-пружинный блок состоит из 19 пружин, в демпфировании ОР СУЗ участвуют 16 пружин, для поджатия головки используется 3 пружины; ход головки до смыкания витков пружин 41 мм;

-устанавливают и приваривают хвостовик ТВС уголками к нижней опорной решетке пучка ТВС.

Втабл. 7.7 приведены основные характериститки ТВС.

Вконструкции ТВС, ПС СУЗ и пучков СВП используются материалы: сталь типа 08Х18Н10Т и циркониевый сплав Э110. В качестве материала пружин была выбрана сталь 12Х18Н10Т, материал оболочки ПЭЛ – сталь 06Н18Н10Т, остальные детали (головка ТВС, хвостовик, головка ПС СУЗ и пучка СВП) выполнены из стали типа 08Х18Н10Т, дистанционирующие решетки и направляющие каналы выполнены из циркониевого сплава Э110.

169

Масса топлива в отработавшей ТВС 4,4% (профилированной) после 3 лет эксплуатации в активной зоне:

Мощность поглощенной дозы от свежей ТВС на расстоянии 30 см от поверхности ТВС: