Лескин С.Т., Шелегов А.С., Слободчук В.И. Физические особенности и конструкция реактора ВВЭР-1000

5-го блока НВАЭС и штатными безчехловыми ТВС серийного реактора ВВЭР-1000

ТВСА (рис. 3.3) бесчехлового типа, шестигранного профиля. Габаритные и присоединительные размеры ТВСА выбраны из условия размещения ее в реакторе ВВЭР-1000. Основные технические характеристики ТВСА представлены в табл. 3.5.

Рис. 3.3. Кассета ВВЭР-1000А (ТВСА)

101

В конструкции ТВСА реализованы следующие технические решения:

•введен постоянно действующий силовой каркас;

•применены оптимизированные ДР, обеспечивающие уменьшенное взаимодействие в паре «твэл−ячейка ДР»;

•обеспечена «однородность» ТВСА за счет использования на высоте активной части ТВСА конструкционных материалов одного класса (циркониевые сплавы);

•в качестве материала уголков каркаса и НК применен циркониевый сплав, обладающий повышенными механическими свойствами и радиационной стойкостью;

•НК имеют возможность независмого друг от друга терморадиационного роста, а осевая нагрузка распределяется на все 18 НК за счет применения головки специальной конструкции и обеспечения зазора между НК и ячейками ДР.

ТВСА состоит из следующих основных частей: головки, силового каркаса, пучка твэлов, хвостовика.

102

Рис. 3.4. Дистанционирующая решетка ТВСА

Силовой каркас, обеспечивающий жесткость и прочность, образуют 15 дистанционирующих решеток (рис. 3.4) и шесть уголков, к которым ДР приварены контактной точечной сваркой. Уголки каркаса крепятся к хвостовику (из нержавеющей стали) винтами. Центральная труба (ЦТ), служащая для размещения сборок КНИ, и 18 направляющих каналов (НК), крепятся резьбовыми соединениями к нижней несущей решетке, которая при помощи шести стальных пластин приваривается к хвостовику. Для подкрепления несущей решетки в хвостовике имеется опорная конструкция из трех ребер. Силовой каркас воспринимает нагрузки от внутренних сил, вызываемых трением твэлов в ячейках ДР при терморадиационном росте, и изгибающих моментов направляющих каналов, возникающих под действием усилий от прижимных пружин. Силовыми элементами, соединяющими головку и хвостовик и воспринимающими нагрузки при транспортно-технологических операциях, служат 18 направляющих каналов.

Пучок твэлов набран из 312 твэлов цилиндрического типа диаметром 9,1 мм, расположенных в углах правильной треугольной

103

сетки с шагом 12,75 мм. Дистанционирование твэлов осуществляется с помощью пятнадцати ДР сотового типа, конструктивно анааналогичных ДР серийных ТВС ВВЭР-1000, но оптимизированных по величине усилия протаскивания твэлов через ячейки ДР за счет уменьшения поверхности контакта твэла с ДР и уменьшения натягов в системе «твэл − ячейка ДР». В каждой ячейке решетки вместо одной из трех жестких дистанционирующих выштамповок предусмотрена поджимающая твэл пружинка. Для исключения деформации ДР в осевом направлении при радиационном росте твэлов каждая ДР в местах проходок НК подкреплена втулками. Закрепление твэлов для предохранения от осевых перемещений произведено в перфорированной плите хвостовика ТВСА с помощью нижних заглушек твэлов, рассеченных в продольном направлении. В сборке ТВСА применяются гладкостержневые твэлы, разработанные на основе серийного для ТВС ВВЭР-1000.

Собственно твэл (рис. 3.5) состоит из оболочки, заглушек (верхней и нижней), сердечника (набор топливных таблеток), пружинного фиксатора и проставки.

Рис. 3.5. Тепловыделяющий элемент ТВСА

Оболочка твэла имеет наружный диаметр 9,1 мм, внутренний диаметр 7,73 мм. В качестве ядерного топлива используются таблетки диоксида урана плотностью 10,4−10,7 г/см3, наружным диаметром 7,57 мм и уменьшенным диаметром центрального отверстия 1,4 мм. Таблетки имеют фаски, снижающие взаимодействие топлива с оболочкой и уменьшающие сколы таблеток при

104

загрузке. Для снижения внутреннего давления газообразных продуктов деления в верхней части ТВЭЛа предусмотрен газосборник. Высота топливного столба 3530 мм. Фиксация топливного столба в заданном положении осуществляется пружинным фиксатором. Герметизация твэлов осуществляется с обоих концов заглушками при помощи контактно-стыковой сварки. Давление заполнения гелием при изготовлении твэла − 2 МПа.

Отличия твэла ТВСА от твэла штатной ТВС:

•герметизация осуществляется двумя швами контактностыковой электросваркой;

•введен пружинный фиксатор;

•в качестве материала оболочки и концевых деталей наряду используется циркониевый сплав с повышенными механическими свойствами;

•уменьшен диаметр центрального отверстия таблетки. Возможна замена части твэлов на твэги с оксидным выгораю-

щим поглотителем. Геометрические характеристики твэгов совпадают с геометрическими характеристиками твэлов.

Твэг состоит из заглушки верхней, оболочки, заглушки нижней, сердечника из топливных таблеток, фиксатора, проставки.

В качестве ядерного топлива для ТВЭГов используется урангадолиниевое топливо. Массовая концентрация оксида гадолиния составляет 5 %. Топливные таблетки с наружным диаметром 7,57 мм имеют центральное отверстие диаметром 1,5 мм. Используются топливные таблетки с ужесточенными допусками и повышенными требованиями по внешнему виду, доспекаемости, пористости, размеру зерна и т.д. Таблетки имеют фаски, снижающие взаимодействие топлива с оболочкой и уменьшающие сколы краев при загрузке. Для снижения внутреннего давления газообразных продуктов деления в верхней части твэгов предусмотрен газосборник. Герметизация твэгов осуществляется с двух сторон контактно-стыковой электросваркой. Проставка из циркониевого сплава предназначена для поднятия столба топлива до уровня, существующего в штатном твэле ВВЭР-1000. Фиксация топливного столба в заданном положении производится пружинным фиксатором. Давление заполнения гелием составляет 2 МПа.

Хвостовик ТВСА (рис. 3.6) имеет шаровую поверхность, которой он устанавливается на конусную поверхность стакана шахты

105

реактора. Для ориентации ТВСА в плане на хвостовике имеется фиксирующий штырь.

Рис. 3.6. Хвостовик ТВСА

Головка ТВСА (рис. 3.7) содержит блок из 19 пружин. 18 пружин через направляющие каналы прижимают ТВСА к опорным стаканам шахты реактора, удерживая ТВСА от всплытия в процессе работы реактора.

Центральная пружина и 15 прижимных пружин поджимают центральный шток головки, демпфируя ПС СУЗ при аварийном сбросе, а три пружины удерживают головку ТВСА в зацеплении с нижней плитой блока защитных труб (БЗТ). Для транспортировки ТВСА и исключения углового рассогласования между направляющими каналами и каналами БЗТ на головке ТВСА имеются две шпонки. Головка ТВСА крепится к направляющим каналам при

106

помощи гаек. Демонтаж этих гаек позволяет снимать головку с направляющих каналов в случае ремонта ТВСА при разгерметизации твэлов. Для поддержания верхней части НК и организации проходки НК в головке ТВСА, а также закрепления головки на направляющих каналах, циркониевая труба вверху переходит в стальную втулку. Для повышения точности замеров температуры теплоносителя на выходе из ТВСА в головке сделаны шесть отверстий 8 мм, а в ЦТ − перфорация, которая устраняет протечки «холодной» воды по ЦТ и позволяет снимать тепловыделение со сборок КНИ.

Рис. 3.7. Головка ТВСА

107

Одним из методов контроля состояния активной зоны является определение подогревов теплоносителя в ТВС. В системе ВРК реактора ВВЭР-1000 регистрируются температуры теплоносителя на выходе из 95 ТВС с помощью термопар, установленных в верхней части головки ТВС. Конструктивно штатные ТВС и конструкция БЗТ обеспечивают циркуляцию теплоносителя вблизи термопар следующим образом:

После выхода из пучка твэлов основная часть теплоносителя поступает в участок между головками ТВС, а часть теплоносителя − в верхнюю часть головки ТВС через отверстия верхней плиты головки ТВС в область размещения термопар. В верхнюю часть головки ТВС поступают также протечки теплоносителя по НК и центральной трубке. Указанная часть расхода теплоносителя может иметь пониженную температуру по сравнению с температурой теплоносителя, поступающего в верхнюю часть головки ТВС после выхода из пучка твэлов, что приводит к занижению показаний выходных термопар («пэльный эффект»). Наличие «пэльного эффекта» снижает представительность контроля за состоянием активной зоны.

С целью улучшения контроля подогрева теплоносителя в ТВС в ОКБМ была разработана модернизированная головка ТВСА (см. рис. 3.8) со специальными каналами, обеспечивающими поступление теплоносителя после выхода из пучка твэл непосредственно к термопаре. На стенде были проведены испытания предлагаемого способа измерения теплоносителя с помощью модернизированной головки.

На АЭС термопары для контроля температуры теплоносителя на выходе из ТВС размещаются в камере образованной нижней плитой БЗТ и верхней частью головки ТВС. Термопара устанавливается в одно из трех отверстий нижней плиты БЗТ. В зависимости от места установки ТВС отверстия расположены на двух радиусах 32,5 или 43,5 мм. Конструктивно БЗТ выполнен таким образом, что над 61 ТВС с ПС СУЗ размещается чехловая труба диаметром 180 мм, над частью ТВС для защиты термопар используется защитная трубы диаметром 108 и 33 мм. В нижней плите БЗТ над головкой ТВС с ПС СУЗ имеется профилированное отверстие для прохода стержней ПС СУЗ. Нижняя плита БЗТ имеет также различные отверстия над ТВС для прохода основной части теплоносителя. Отверстия, выполненные в нижней плите БЗТ, час-

108

тично могут сообщаться с верхней камерой головок ТВС без ПС СУЗ. Основная часть теплоносителя после выхода из пучка твэлов поступает в пространство между головками ТВС и далее через отверстия в нижней плите БЗТ в участок межтрубного пространства БЗТ. После выхода из пучка твэлов небольшая часть теплоносителя поступает в верхнюю часть головки ТВС по шести отверстиям в нижней и верхней плите головки ТВС.

Рис. 3.8. Модернизированная головка ТВСА

109

В верхнюю часть головки ТВС поступает также более холодный теплоноситель из направляющих каналов и «захолаживает» термопару, размещенную в верхней камере головки ТВС. Из выходной камеры головки ТВС теплоноситель попадает во внутрь защитных труб (размещенных над ТВС с ПС СУЗ и ТВС средней части активной зоны) и в межтрубное пространство БЗТ (из головок периферийных ТВС). С целью исключения «захолаживания» термопары, размещенной в верхней камере головки ТВС, в модернизированной головке ТВСА установлены три специальных канала, выполненные в виде трубы и сопла на выходе из этой трубы. Сопло на выходе имеет конусное расширение и размещается вблизи от термопары (по середине между двумя возможными радиусами ее расположения). Таким образом, за счет использования трех специальных каналов обеспечивается непосредственное поступление теплоносителя из выходного участка ТВСА к выходной термопаре.

3.7. Перспективы технологии ВВЭР

Направления дальнейшего развития и ближайшие перспективы технологии ВВЭР связаны главным образом с повышением экономической эффективности проектов РУ и АЭС-2006 с ориентацией на реализацию как внутри страны, так и за рубежом. Данный проект АЭС обозначается как АЭС-2006М, а соответствующая РУ имеет индекс В-488.

Ниже приведены основные концептуальные направления усовершенствований проектов РУ для АЭС-2006М [0].

Достижение следующих целевых показателей по проектам РУ и АЭС:

• реализация оптимального сочетания целевых показателей экономичности выработки электроэнергии и топливоиспользования (КИУМ = 0,9, КТИ = 0,92, длительность топливной кампании – до 350 эфф. сут, максимальная глубина выгорания топлива – до

70МВт сут/кгU, топливный цикл – 24 мес. и т.д.);

•увеличение тепловой мощности реактора до 3300 МВт с одновременным повышением КПД (нетто) энергоблока до 36 %, что

позволит увеличить электрическую мощность (брутто) до

1300 МВт.

110