Автор: Драгунов Ю.Г. Шмелев В.Д. Денисов B.П. Васильченко И.Н.
Теги: общее машиностроение технология машиностроения ядерная энергетика (атомная энергетика) энергетика электростанции атомная энергетика
ISBN: 5-94628-188-7
Год: 2004
Текст
R __
Ою СОЗДАНИЕ РЕАКТОРНЫХ
gxjj УСТАНОВОК ВВЭР ДЛЯ АЭС
ШК В.Д. Шмелев, Ю.Г. Драгунов,
И,' В.П. Денисов И.Н. Васильченко
АКТИВНЫЕ ЗОНЫ
ВВЭР
ДЛЯ АТОМНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
УДК 621.019
ББК 3| 47
Ш 72
Шмелев В.Д., Драгунов Ю.Г., Денисов B.IL, Васильченко И.Н.
Активные зоны ВВЭР для атомных электростанций — М.: ИКЦ
«Академкнига», 2004. — 220 с.: ил.
Представлена информация по эволюционному развитию проектов актив-
ных зон ВВЭР для энергоблоков атомных электростанций мощностью от 70 до
1500 МВт, разработанных ОКБ «Гидропресс» за период 1955—2000 гг.
Рассмотрены проектные основы конструирования активных зон ВВЭР и
их составных частей — кассет (тепловыделяющих сборок, органов регулирова-
ния), расчетного и экспериментального обоснования, подтверждения проект-
ных технических решений пусконаладочных работ и эксплуатации на АЭС.
Книга будет полезна специалистам, работающим в атомной энергетике, и
студентам вузов.
© ОКБ «Гидропресс», 2004
© И КЦ «Академкнига», 2004
ISBN 5-94628-188-7
Активная зона является важнейшим компонентом атомного реакто-
ра, определяющим основные технические характеристики и параме-
тры реактора, реакторной установки и энергоблока АЭС в целом. По-
этому создание данной книги актуально в развитие информации,
представленной в книге «Реакторные установки ВВЭР для атомных
электростанций» [8].
В книге представлена детальная информация по эволюционному
развитию проектов активных зон ВВЭР для энергоблоков электриче-
ской мощности от 70 до 1500 МВт, по подходам к решению задач кон-
струирования, расчетного и экспериментального обоснования, под-
тверждения проектных технических решений в ходе пусконаладоч-
ных работ и эксплуатации АЭС. Дается оценка технических решений
активных зон ВВЭР по результатам разработки проектов и эксплуа-
тации на АЭС, определение путей совершенствования активных зон
ВВЭР с целью обеспечения конкурентоспособности.
Представленная информация в большей мере касается деятельно-
сти ОКБ «Гидропресс» как организации Главного конструктора реак-
торных установок ВВЭР, с учетом вклада традиционных партнеров по
разработке активных зон ВВЭР: научного руководителя РНЦ «Курча-
товский институт» (ранее ЛИПАН, ИАЭ им. И.В. Курчатова), глав-
ных конструкторов-технологов твэл ВНИИНМ им. А.А. Бовчара и
ВИАМ, главного конструктора и изготовителя поглощающих эле-
ментов Московский завод «Полиметаллов», заводов-изготовителей
кассет ВВЭР Электростальский машиностроительный завод, Ново-
сибирский завод химконцентратов.
Представленная в книге информация является обобщением ре-
зультатов работ многих подразделений и специалистов ОКБ «Гидро-
пресс». Определение задач по разработке книги, включая структуру и
содержание, техническое редактирование книги осуществлено
Ю.Г. Драгуновым, В.П. Денисовым и И.Н.Васильченко. Координа-
3
Предисловие
ция работ соисполнителей выполнена В.Д. Шмелевым. Главы 1; 14;
15; 16 написаны В.Д. Шмелевым, главы и разделы 2; 5; 11.1 —
Ю.В. Воробьевым; гл. 6; 11.2 — Е.Д. Деминым; гл. 3 — Ю.А. Ананье-
вым; гл. 4 — Е.М. Дамриным;. гл. 7 — В.П. Юременко; гл. 8 — А.К. Го-
роховым; гл. 9 и 10 - В.И. Абрамовым; гл. 12 и 13 — В.Н. Черныше-
вым. Оформление рисунков выполнено В.В. Вьялицыным,
А.С. Климкиным. Компьютерная обработка выполнена И.И. Сайда-
товой и Е.В. Проселковой.
Авторы книги благодарят специалистов, внесших творческий
вклад в создание книги, и выражают признательность другим специ-
алистам ОКБ «Гидропресс» за оказанную помощь в процессе работы
над книгой.
4
Перечень принятых сокращений
АЗ
АРК
АС
АЭС
БВ
ВВЭР
ВИАМ
ВКУ
ВНИИНМ
ГЦН
ДР
кго
кгс
КИУМ
КОБВ
ЛИПАН
мзп
МП
МПА
НК
ННУЭ
НУЭ
ОАО МСЗ
ОРСУЗ
ОЯТ
ПС СУЗ
ПЭЛ
РНЦ ки
РУ
свп
содс
СУЗ
твс
твэг
твэл
ТУ
ТУК
УГВ
УСТ
шэм
— аварийная защита
— аварийная регулирующая компенсирующая
— аварийная ситуация
— атомная электростанция
— бассейн выдержки
— водо-водяной энергетический реактор
— Всесоюзный институт авиационных материалов
— внутрикорпусные устройства
— Всероссийский научно-исследовательский институт
неорганических материалов
— главный циркуляционный насос
— дистанционирующая решетка
— контроль герметичности оболочек
— коэффициент гидравлического сопротивления
— коэффициент использования установленной мощности
— контейнерный отсек бассейна выдержки
— Лаборатория измерительных приборов академии наук
— Московский завод «Полиметаллов»
— машина перегрузочная
— максимальная проектная авария
— направляющий канал
— нарушение нормальных условий эксплуатации
— нормальные условия эксплуатации
— Открытое акционерное общество «Машиностроительный
завод»
— орган регулирования системы управления и защиты
~ отработавшее ядерное топливо
— поглощающий стержень системы управления и защиты
— поглощающий элемент
— Российский научный центр «Курчатовский институт»
— реакторная установка
— стержень выгорающего поглотителя
— система обнаружения дефектных сборок
— система управления и защиты
— тепловыделяющая сборка
— тепловыделяющий элемент с гадолинием
— тепловыделяющий элемент
— технические условия
— транспортный упаковочный комплект
— уран-гадолиниевое топливо
— узел свежего топлива
— шаговый электромагнитный
5
Введение
Постановлением Правительства СССР № 1458-10 от 8.08.1955 г. ОКБ
«Гидропресс» было поручено разработать эскизный проект водо-во-
дяного реактора типа ВВЭР мощностью 150 МВт.
По техническому заданию Института атомной энергии (ныне
РНЦ КИ), уточненному по результатам начальных проработок, эс-
кизный проект разработан в ноябре 1955 г. на электрическую мощ-
ность энергоблока 200 МВт. В 1956 г. был разработан технический
проект реактора ВВЭР-1 тепловой мощностью 760 МВт для первого
блока Нововоронежской АЭС электрической мощностью 210 МВт.
Опыта в разработке энергетических реакторов типа ВВЭР в то время
в ОКБ «Гидропресс» не было. Практически полностью отсутствовала
промышленная и экспериментальная база. Особо сложные пробле-
мы возникли при разработке активной зоны реактора, где, ко всему
прочему, полностью отсутствовала нормативная база. Практически
отсутствовала техническая литература, позволявшая разработчикам
четко и однозначно принимать технические решения. Все работы по
активным зонам как у нас в стране, так и за рубежом велись под гри-
фом «секретно», а, следовательно, отсутствовали публикации на эту
тему. И только благодаря тесному взаимодействию сотрудников ОКБ
«Гидропресс», Института атомной энергии (в те годы ЛИПАН), ВИ-
АМ и Электростальского машиностроительного завода удалось в
кратчайший срок принять принципиальные решения по конструк-
ции реактора в целом и активной зоне в частности.
В таких сложнейших условиях, начав работы в 1955 г. по разработке
первого реактора ВВЭР для Нововоронежской АЭС, в короткие сроки
были завершены все работы и блок сдан в эксплуатацию в 1964 г.
Одновременно с разработкой проекта первого реактора ВВЭР со-
здавалась и расширялась теоретическая, экспериментальная, произ-
водственная и нормативная база по разработке активных зон энерге-
тических реакторов ВВЭР.
6
Введение
В настоящей книге обобщен опыт разработки и эксплуатации ак-
тивных зон ВВЭР и их составных частей.
Рассмотрены и проанализированы как положительные, так и от-
рицательные результаты конструкторских решений, пути совершен-
ствования конструкции составных частей активных зон, повышение
их надежности и экономической эффективности использования топ-
лива.
7
История создания активных зон реакторов
типа ВВЭР-440
2.1
и
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К РАЗРАБОТКЕ АКТИВНОЙ ЗОНЫ
Разработка первого энергетического реактора (ВВЭР-1) в ОКБ «Гид-
ропресс» началась в 1955 году. Реактор тепловой мощностью 760 МВт
предназначался для 1-го блока Нововоронежской АЭС (электричес-
кая мощность 210 МВт).
В том же 1955 году начались работы по разработке активной зоны
реактора и его составных частей, включая кассеты. Для разработки
проекта кассет были заданы условия их работы.
Характеристика или параметр__________
Среда
Давление
Температура на входе в активную зону
Температура на выходе из активной зоны
Расход воды через реактор
Величина__________________
Дистиллят с нормированным
качеством
100 кг/см2
250 °C
270 °C
40000 м3/ч
Также были заданы: габаритные размеры и разновидности кассет,
конструкционные материалы, материальный состав ядерного топли-
ва и поглотителя нейтронов, количество и конструкционное испол-
нение твэлов.
При этом были выставлены требования для кассет:
• простота конструкции;
• механическая устойчивость и прочность в потоке теплоносителя,
обеспечивающая сохранение размеров и герметичности твэлов на
весь срок службы;
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
• малое поглощение нейтронов конструкционными материалами и
его минимальное количество в активной зоне;
• отсутствие взаимодействия делящегося вещества и продуктов де-
ления с оболочкой твэл и теплоносителем;
• минимальное гидравлическое сопротивление и максимальная ин-
тенсивность отвода тепла теплоносителем;
• обеспечение большой глубины выгорания топлива;
• обеспечение высокой степени удержания продуктов деления под
оболочкой твэла;
• радиационная стойкость конструкционных материалов;
• приемлемые размеры и-конструкция кассет, обеспечивающие воз-
можность свободного манипулирования и быстрого проведения
транспортных операций;
• обеспечение высокой точности и стабильности изготовления;
• низкая стоимость;
• обеспечение надежности и безопасности при транспортировке
кассет от завода-изготовителя до АЭС железнодорожным, авиа-
ционным, водным и автомобильным транспортом;
• обеспечение возможности контроля герметичности твэл в услови-
ях реактора и в стендовых условиях;
• обеспечение вывоза отработавшего топлива в специальных кон-
тейнерах в хранилище или на завод по регенерации.
При всех указанных требованиях с учетом серийного производст-
ва кассет предполагалось создание конструкции кассет с учетом
автоматизированного производства и постоянно возрастающих тре-
бований к качеству, надежности, экономичности и безопасности экс-
плуатации.
2.2
ПОИСК СХЕМНЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ
ПО КАССЕТАМ
В реакторе ВВЭР-1 активная зона размещается в цилиндрическом
корпусе, размеры которого в большей мере ограничивались условия-
9
Глава вторая
ми транспортировки от завода-изготовителя до площадки размеще-
ния АЭС железнодорожным транспортом. Поэтому с целью ком-
пактного размещения топлива в реакторе изначально была принята
шестигранная форма кассет и, соответственно, размещение твэлов в
кассете по треугольной сетке. Эта геометрическая форма кассет со-
хранена во всех дальнейших проектах кассет последующих поколе-
ний реакторов типа ВВЭР.
По другим факторам схемные решения разрабатывались в не-
скольких вариантах с проверкой расчетным и экспериментальным
путем и тщательным анализом полученных результатов для оконча-
тельного выбора конструкции. Конструкции кассет претерпевали из-
менения по мере накопления результатов исследований и опыта экс-
плуатации кассет. В частности, можно привести некоторые схемные
решения:
1) по способу обеспечения компенсации температурных расшире-
ний кассеты и внутрикорпусных устройств, а также допусков на их
изготовление:
на рабочих кассетах ВВЭР-1 и ВВЭР-2 их фиксация в активной
зоне осуществлялась подпружиненными ловителями, размещае-
мыми в плите блока защитных труб, в кассетах реакторов ВВЭР-3 М
и серийного реактора ВВЭР-440 подпружиненные упоры разме-
щены в головках кассет;
2) по способу зацепления с захватами для транспортировки кассет:
на кассетах ВВЭР-1 в головке выполнялся байонетный паз под
пальцы захвата, в кассетах ВВЭР-ЗМ и серийном реакторе ВВЭР-
440 в головке кассеты введены пальцы;
3) по устройству узла демпфирования при вертикальном падении
кассет «К»:
на подвижных кассетах ВВЭР-1 и ВВЭР-2 хвостовик оснащался
штырем, в кассетах ВВЭР-ЗМ и серийном реакторе ВВЭР-440
хвостовик оснащался перевернутым стаканом;
4) по способу дистанционирования твэлов в пучке:
в кассетах ВВЭР-1 и ВВЭР-2 дистанционирование твэлов в пучке
на начальном этапе осуществлялось четырехярусными пластинча-
10
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
тыми дистанционирующими решетками из циркониевого сплава,
на последующих этапах были применены ячеистые дистанциони-
рующие решетки из нержавеющей стали, впоследствии заменен-
ные на ячеистые дистанционирующие решетки из циркониевого
сплава;
5) по способу радиального закрепления пучка твэлов относительно
головки или чехла:
в кассетах ВВЭР-1 и ВВЭР-2 пучок твэлов в радиальном направ-
лении фиксировался в пластинчатой решетке, жестко закреплен-
ной к головке, в кассетах реактора ВВЭР-ЗМ и серийного реакто-
ра ВВЭР-440 была применена фрезерованная решетка также же-
стко закрепленная к чехлу или головке, такие же фрезерованные
решетки стали применяться и в кассетах ВВЭР-1 и ВВЭР-2, а за-
тем фрезерованная решетка заменена на ячеистую, обод которой
крепился жестко к головке. В дальнейшем крепление верхней ре-
шетки к головке было заменено на радиальную фиксацию пучка
при помощи пуклевок на чехле;
6) по способу размещения поглотителя:
в начальной стадии проекта ВВЭР-1, предусматривалось приме-
нение кассет «Р», в которых регулирующий стержень, выполнен-
ный в виде крестовины, размещался непосредственно в пучке твэ-
лов за счет удаленной части твэлов.
Органы автоматического регулирования (3 штуки) отличались от
органов компенсации запаса реактивности малой поглощающей спо-
собностью (трехлопастные поглотители нейтронов внутри кассеты
вместо подвижных кассет с поглощающими надставками), что требо-
вали условия безопасности при автоматическом управлении реактив-
ностью.
В результате первоначальное конструктивное исполнение прояви-
лось в резкой недостаточности общей компенсирующей способности
системы управления запасом реактивности. В связи с этим было при-
нято решение о ликвидации специальных органов автоматического
регулирования и использования безопасного режима компенсирую-
щих кассет в режиме автоматического регулирования мощности.
Глава вторая
2.3
РАЗМЕР И ФОРМА КАССЕТ
Геометрические размеры активной зоны и масса загружаемого топли-
ва определяются в основном тепловой мощностью реактора, задан-
ной длительностью топливной кампании между перегрузками топли-
ва и оптимальными нейтронно-физическими характеристиками.
Поэтому габаритные размеры и форма кассет назначаются из ус-
ловия размещения в активной зоне соответствующей массы топлива,
обеспечения оптимальных нейтронно-физических характеристик, из
условий сопряжения с внутрикорпусными устройствами реактора, а
также из удобства быстрой безопасной перегрузки топлива и надеж-
ного охлаждения твэлов.
В качестве силового каркаса в первых проектах рабочих кассет и
ТВС кассет компенсирующих, регулирующих был принят шести-
гранный чехол из циркониевого сплава с наружным размером «под
ключ» 144 мм, который сохранялся с небольшими уточнениями в по-
следующих проектах кассет реакторных установок малой и средней
мощности. Концевые детали кассет были приняты относительно
массивными для гашения силовых воздействий на кассету при транс-
портных операциях и от гидродинамики теплоносителя.
2.4
СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ КОНЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ
К КАРКАСУ КАССЕТЫ
В качестве материала концевых деталей была применена высоколеги-
рованная аустенитная сталь, а в качестве материала каркаса (чехла) -
циркониевый сплав. Эти материалы имеют весьма значительно отли-
чающиеся друг от друга физические свойства, в первую очередь — ко-
эффициент линейного расширения. Единственно приемлемым спо-
собом крепления концевых деталей к чехлу выбран механический
способ крепления винтами. При этом нужно было выбрать размеры
12
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
посадок чехла на концевые детали. Оптимальная величина размера
посадок была принята, исходя из отсутствия зазора между сопрягае-
мыми деталями при рабочих температурах.
2.5
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ КАССЕТ
В конструкции рабочей кассеты, тепловыделяющей сборки кассеты
АРК и надставки используётся сталь типа 12Х18Н10Т (08Х18Н10Т,
06Х18Н10Т) и циркониевые сплавы. Эти материалы широко приме-
няются в конструкциях тепловыделяющих сборок. Изучением физи-
ческих, механических, коррозионных и других свойств, приведенных
ниже, занимались в течение длительного времени ряд специализиро-
ванных институтов. Стали 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т и 06Х18Н10Т от-
личаются высокой коррозионной и радиационной стойкостью, обла-
дают высокими технологическими свойствами. Химический состав
сталей приведен в табл. 2.1.
Прочерки в графах таблицы обозначают, что доля алюминия, ни-
обия и прочих элементов в сталях не нормируется.
Для оболочек твэлов и дистанционирующих решеток применен
циркониевый сплав Zr+l%Nb (Э110), для чехлов рабочих кассет и
ТВС применен циркониевый сплав Zr+(2,5)%Nb (Э-125).
Эти материалы сочетают в себе низкое сечение поглощения нейтро-
нов «теплового спектра», высокую устойчивость к деформации, вы-
званной перепадами давления и механическими взаимодействиями,
высокую коррозионную устойчивость к воздействию теплоносителя,
топлива, продуктов деления. Циркониевые сплавы Э-110 и Э-125 хоро-
шо зарекомендовали себя в качестве оболочек твэлов и чехловых труб.
В качестве оболочек твэлов используются трубы из сплава цирко-
ния с 1% ниобия — сплав Э-110. Массовая доля ниобия составляет
0,9-1,1%.
Механические свойства материала трубы, используемой для про-
изводства оболочки твэла, при растяжении в поперечном направле-
нии (на кольцевых образцах) и продольном направлении (на сег-
ментных образцах) приведены соответственно в табл. 2.2—2.3.
13
Глава вторая
Таблица 2.1. Химический состав (в процентах)
коррозионностойких сталей
Химический элемент 06Х18Н10Т 08Х18Н10Т 12Х18Н10Т
Углерод Не более 0,06 Не более 0,08 Не более 0,12
Кремний Не более 0,6 Не более 0,6 Не более 0,6
Марганец Не более 2,0 Не более 2,0 Не более 2,0
Хром 17,0-19,0 17,0-19,0 17,0-19,0
Никель 9,0-11,0 9,0-11,0 9,0-11,0
Титан* 5С—0,7 5С—0,7 5С—0,8
Алюминий — — —
Вольфрам Не более 0,2 Не более 0,2 Не более 0,2
Молибден Не более 0,5 Не более 0,5 Не более 0,5
Ниобий — — —
Ванадий Не более 0,2 Не более 0,2 Не более 0,2
Железо Осн. Осн. Осн.
Сера 0,020 0,020 0,020
Фосфор Не более 0,40 Не более 0,40 Не более 0,40
Прочие элементы —
* С — обозначает количество углерода в стали.
Таблица 2.2. Механические свойства материала трубы,
используемой для производства оболочки твэла,
при растяжении в поперечном направлении
(на кольцевых образцах)
Температура испытаний, °C Временное сопротивление разрыву он, МПа Условный предел текучести о0 2, МПа Относительное удлинение 5, %
20(ТУ) Не менее 272 Не менее 204 Не менее 28
20 360-380 320-340 33-38
380(ТУ) Не менее 145 Не менее 127 Не менее 33
380 190-210 170-190 38-43
14
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Таблица 2.3. Механические свойства материала трубы,
используемой для производства оболочки твэла,
при растяжении в продольном направлении
(на сегментных образцах)
Температура испытаний, °C Временное сопротивление разрыву ов, МПа Условный предел текучести о02, МПа Относительное удлинение, 5, %
20 400-420 240-26 46-49
350-380 190-220 100-115 52-56
В табл.2.4 и 2.5 приведены, соответственно, параметры пластиче-
ской анизатропии и физические свойства материала труб, использу-
емых для производства оболочек твэлов.
Образцы от труб подвергаются коррозионным испытаниям в тече-
ние 72 и 200 ч при температуре 400 °C и давлении 19,6 МПа. Привес
Таблица 2.4. Параметры пластической анизотропии сплава Э-110
Температура испытаний, °C Параметр анизотропии
G н F
20 0,90 0,38 0,22
350 0,89 0,38 0,23
Таблица 2.5. Физические свойства материала труб,
используемых для производства оболочек твэлов
Температура испытаний, °C Модуль продольной упругости Е, МПа Коэффициент температурного расширения, а! О"6, 1/град Удельная тепло- проводность Л, Вт/м-град Удельная теплоемкость ср, Дж/гград
20 96000 5,3 17,2 0,282
380 72000 5,5 20,3 0,361
15
Глава вторая
не превышает соответственно 22 и 38 мг/дм2. Допускается привес од-
ного из образцов на 10% выше нормы. После испытаний образцы
имеют темную однородную блестящую поверхность. Трубы постав-
ляются в состоянии, близком к рекристаллизованному, с травлеными
наружной и внутренней поверхностями. Трубы подвергаются сплош-
ному контролю на предприятии-изготовителе с отбраковкой дефект-
ных труб.
2.6
СОЗДАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ТВЭЛ
Наиболее важной проблемой явилось создание конструкции твэла,
обеспечивающей технологичность массового производства и надеж-
ную работоспособность при длительной эксплуатации в условиях од-
новременного воздействия теплоносителя, радиации, высоких теп-
ловых нагрузок, термических циклических напряжений. При этом
необходимо также обеспечить эффективное использование топлива.
Для водо-водяного реактора предпочтение было отдано стержневой
конструкции твэла при использовании конструкционных материа-
лов из циркониевого сплава и ядерного горючего из спеченной дву-
окиси урана со слабым обогащением ураном-235 (ниже 5%). При ис-
пользовании двуокиси урана допустимая температура топлива огра-
ничивается температурой плавления, равной 2800 °C.
При отработке конструкции твэла решались следующие задачи:
• выбор диаметра оболочки;
• способ герметизации наконечниками;
• выбор диаметрального зазора между оболочкой и топливным сер-
дечником;
• определение величины компенсационного объема внутри твэла;
• выбор типа и величины давления газа для заполнения внутренне-
го объема твэла;
• способы крепления в опорных решетках;
• вид и геометрия топливного сердечника;
• выбор диаметра осевого отверстия в топливном сердечнике (вели-
16
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
чина распухания топлива при Ю20дел/см3 приблизительно равна
0,32 AV/V (1% на 104 МВт сут/кг U — принята в мировой практи-
ке, стало известно в 1973 году);
• фиксация топливного сердечника и осевые зазоры между состав-
ными частями топливного сердечника;
• определение критических тепловых потоков с поверхности;
• способы контроля качества изготовления;
• прогноз поведения конструкционных материалов и топлива в
процессе выгорания;
• взаимодействие с теплоносителем и дистанционирующими ре-
шетками;
• изучение поведения твэлов в проектных авариях;
• определение предельных состояний;
• другие задачи.
Принципиальная конструкция твэла с четырехшовной и двухшов-
ной герметизацией, соответственно, показана на рис. 2.1 и 2.2.
Рис. 2.1. Принципиальная конструкция твэла с четырехшовной герметиза-
цией:
1 — заглушка верхняя; 2 — втулка промежуточная; 3 — фиксатор; 4 - столб топливный;
5 — заглушка нижняя
Рис. 2.2. Принципиальная конструкция твэла с двухшовной герметиза-
цией:
1 — заглушка верхняя; 2 — фиксатор; 3 — столб топливный; 4 — заглушка нижняя
17
Глава вторая
На начальном этапе производства была освоена технология гер-
метизации твэл с помощью аргонно-дуговой и электронно-лучевой
сварки. После освоения способа герметизации с помощью контакт-
но-стыковой сварки была внедрена конструкция твэл с двухшовной
герметизацией как более прогрессивной и экономически целесооб-
разной, особенно при создании автоматизированного производства.
2.7
ВЫБОР ТИПА И КОНСТРУКЦИИ
ДИСТАНЦИОНИРУЮЩИХ РЕШЕТОК
Дистанционирующие решетки предназначены для обеспечения за-
данного взаимного расположения твэлов друг относительно друга.
Работоспособность твэлов напрямую зависит от надежного их
дистанционирования в пучке твэлов. При выборе способа дистанци-
онирования твэлов в пучке и отработке конструкции дистанциони-
рующих решеток решались следующие задачи:
• определение количества дистанционирующих решеток в пучке
твэлов (шаг по длине пучка);
• разработка способа крепления дистанционирующих решеток в
пучке твэлов;
• минимизация паразитного захвата нейтронов;
• минимизация гидравлического сопротивления;
• определение площади касания;
• обеспечение равномерности размещения твэлов в поперечном се-
чении пучка;
• обеспечение длительной работоспособности (отработка исходной
величины натяга);
• обеспечение технологичности конструкции.
При создании дистанционирующей решетки в проекте кассет
ВВЭР-1 предпочтение было отдано дистанционирующей решетке
планочной конструкции по аналогии дистанционирования пучков
труб в теплообменном оборудовании. Однако было рассмотрено
18
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
множество вариантов по профилю планки, по числу ярусов. Некото-
рые из проверяемых профилей планок приведены на рис. 2.3.
По результатам гидравлических испытаний принята планка в ви-
де пластины толщиной 1,5 мм с закругленными кромками. Высота
всех типов планок принята 8 мм — примерно соответствует диаметру
твэла. Также по результатам гидравлических испытаний для кассет
реактора ВВЭР-1 предпочтение было отдано четырехъярусной ре-
шетке, вместо шестиярусной, в которой планки по высоте не пере-
крывают друг друга. Четырехъярусная решетка представлена на
рис. 2.4. С целью снижения паразитного захвата нейтронов в качест-
ве конструкционного материала для дистанционирующих решеток
применен циркониевый сплав.
Количество дистанционирующих решеток в пучке твэлов было
определено экспериментальным путем. При натурных расходах воды
пучок твэлов не повреждался длительное время при шаге размеще-
ния дистанционирующих решеток равном 250 мм. При этом каждый
твэл механически закреплялся шплинтующей проволокой в нижней
опорной решетке, а вверху — в верхней решетке наконечником твэла
с компенсационным зазором для температурных удлинений и радиа-
ционного роста твэлов. Промежуточные варианты: шаг более 250 мм,
закрепление пучка твэлов верхней частью, закрепление пучка только
нижней частью и другие варианты приводили к разрушению пучка
твэлов в первые 100 часов ресурсных испытаний.
19
Глава вторая
Рис. 2.4. Дистанционирующая четырехъярусная решетка
В дистанционирующей решетке планочной конструкции контакт
с твэлом осуществляется по линии, что не приводит к значительным
тепловым искажениям. Это подтвердил опыт эксплуатации кассет
реактора ВВЭР-1.
Значительным прогрессом в повышении надежности дистанцио-
нирования твэлов в пучке, уменьшении гидравлического сопротив-
ления, снижения паразитного захвата нейтронов явилось использо-
вание в кассетах ВВЭР дистанционирующей решетки ячеистого
типа. Дистанционирующая решетка представлена на рис. 2.5.
В первоначальных проектах кассет использовалась дистанциони-
рующая решетка, ячейки которой выполнялись из тонкостенных
труб из нержавеющей стали. Причем эти решетки обода не имели. В
результате проведенных расчетных и экспериментальных обоснова-
ний нержавеющая сталь в последствии была заменена на цирконие-
вый сплав. Дистанционирующие решетки ячеистого типа с ободом
стали использоваться в кассетах всех ВВЭР. Крепление дистанциони-
рующих решеток в пучках кассет для реакторов средней мощности
осуществляется механически на центральной трубе.
20
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Рис. 2.5. Дистанционирующая решетка ячеистого типа
2.8
СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ПУЧКА ТВЭЛ
В проектах кассет реактора ВВЭР-1 и последующих проектах кассет
ВВЭР реакторов средней мощности применено крепление пучка твэ-
лов внизу с обеспечением компенсационного зазора для температур-
ного удлинения и радиационного роста твэла вверх.
При выборе способа крепления пучка твэлов решались следую-
щие задачи:
• обеспечить в несущих и дистанционирующих решетках проход-
ное сечение для потока теплоносителя, примерно одинаковое с
проходным сечением пучка твэлов;
• обеспечить надежное закрепление пучка твэлов в опорной и верх-
ней плавающей решетках;
• выбор оптимального зазора между гранями дистанционирующих
решеток и чехлом.
В проектах кассет реактора ВВЭР-1 опорная решетка выполня-
лась из пластин, объединенных ободом с шестью уголками, прива-
ренными к хвостовику. В последствии такое конструктивное реше-
21
Глава вторая
ние было также опробовано на опытных рабочих кассетах реакторов
ВВЭР-440, однако в условиях гидродинамики реактора ВВЭР-440
оно оказалось неприемлемым. Была принята фрезерованная конст-
рукция решетки, существующей в ныне действующих реакторах
ВВЭР-440. Большие проблемы были с закреплением пучка твэлов
вверху. Для низких выгораний топлива (до 30 МВт сут./кг урана), за-
ложенных в проектах кассет малой и средней мощности, приемле-
мым было решение по креплению верхней решетки к головке. Верх-
ними наконечниками твэлы по скользящей посадке закреплялись в
верхней решетке. При этом компенсационный зазор для температур-
ного удлинения и радиационного роста не превышал 8 мм.
Весьма неудачным для кассет реакторов ВВЭР-440 стало решение
по закреплению верхней решетки на чехле с помощью конической
формы заклепок (рис. 2.6). Когда был зафиксирован отрицательный
результат в опыте эксплуатации кассет ВВЭР-440 с таким узлом
крепления, сразу же узел крепления верхней решетки был изменен на
крепление к головке, а в дальнейшем было принято решение вообще
отказаться от жесткого закрепления пучка в его верхней части. В со-
временной конструкции пучок твэлов имеет свободу удлиняться в
осевом направлении и ограничен в радиальном направлении.
Рис. 2.6. Узел крепления верхней решетки:
1 - головка; 2 - фиксатор; 3 - пластина; 4 - че-
хол; 5 — решетка верхняя; 6 — твэл
22
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
2.9
КОНСТРУКЦИЯ КАССЕТ РЕАКТОРА ВВЭР-1
Для реактора ВВЭР-1 (энергоблок №1 Нововоронежской АЭС) с
1957 по 1962 год было разработано 16 типов кассет, не считая проек-
тов опытных кассет для испытаний (табл. 2.6).
Таблица 2.6. Типы кассет реактора ВВЭР-1
Тип кассеты Условное обозначение
Кассета рабочая с обогащением 1,5% Кассета «ОМ»
Кассета рабочая с обогащением 1,5%» и отверстием в центральной трубке для индикатора Кассета «ОИ»
Кассета рабочая с обогащением 1,5% с шестигранной трубой из циркониевого сплава с бором Кассета «ОЧ»
Кассета рабочая с обогащением 1,5% с шестигранной трубой из циркониевого сплава с бором и отверстием в центральной трубке для индикатора Кассета «ОИЧ»
Кассета рабочая с 2% обогащения Кассета «0-2»
Кассета рабочая с 2% обогащения с отверстием в центральной трубке для индикатора Кассета «ОИ-2»
Кассета рабочая с 2% обогащения с бериллиевым источником Кассета «ОБ-2»
Кассета рабочая с 2% обогащения с бериллиевым источником и отверстием в центральной трубке для индикатора Кассета «ОБИ-2»
Кассета рабочая с 2% обогащения с шестигранной трубой из циркониевого сплава с бором Кассета «04-2»
Кассета рабочая с 2% обогащения с отверстием в центральной трубке для индикатора и шести- гранной трубой из циркониевого сплава с бором Кассета «ОИЧ-2»
Кассета рабочая с 2% обогащения с бериллиевым источником, отверстием в центральной трубке для индикатора и шестигранной трубой из циркониевого сплава с бором Кассета «ОБИЧ-2»
Кассета с полониевым источником Кассета «ОП-2»
Кассета аварийной защиты Кассета А
Кассета автоматического регулирования Кассета АР
Кассета компенсирующая Кассета К
Кассета рабочая с 2% обогащения с бериллиевым источником и шестигранной трубой из циркониевого сплава с бором Кассета «ОБЧ-2»
23
Глава вторая
Типовые рабочие кассеты показаны на рис. 2.7 и 2.8.
Остальные рабочие кассеты подобны приведенным на рисун-
ках. Рабочая кассета представляет собой пучок твэлов в количестве
90 штук, заключенный в шестигранную трубу из циркониевого
сплава (Zr+2,5%Nb) с толщиной 2 мм и размером «под ключ»
144 мм. Твэлы выполнены в виде трубок диаметром 10,2x0,6 мм из
циркониевого сплава (Zr+l%Nb), заполненных таблетками из дву-
окиси урана. Твэлы в поперечном сечении пучка размещены по
треугольной решетке с шагом 14,3 мм. Герметизация твэлов осуще-
ствлена верхней и нижней заглушками с помощью электронно-лу-
чевой сварки.
Дистанционирование твэлов выполнено при помощи нижней
опорной решетки и девяти промежуточных четырехъярусных дистан-
ционирующих решеток планочного типа, а также верхней решетки.
Материал дистанционирующих решеток — циркониевый сплав
(Zr+l%Nb). Крепление твэлов выполнено в нижней опорной решет-
ке пластинчатого типа шплинтующей проволокой.
Шестигранная труба скреплена с хвостовиком и головкой кассеты
винтами.
Все рабочие кассеты удерживаются в активной зоне реактора бло-
ком защитных труб с ловителями.
Кассеты с полониевым и бериллиевым источниками предназна-
чались для повышения уровня нейтронного поля в подкритичном ре-
акторе в целях надежного его контроля при пуске.
Компенсирующая кассета (кассета К) (рис. 2.9) состоит из двух ча-
стей: верхняя часть — поглощающая надставка, нижняя часть — теп-
ловыделяющая сборка. Части кассеты в реакторе соединяются по-
средством штанги привода. Длина собственно кассеты К — 3175 мм,
длина кассеты в сборе — 5715 мм, масса в сборе — 323 кг.
Надставка представляет собой сварную конструкцию из концевых
деталей — головки и хвостовика, скрепленных сваркой с шестигран-
ным чехлом размером «под ключ» 144 мм. Внутри чехла размещены
вкладыши из сплава СБЯ (нержавеющая сталь с содержанием бора
2%), собранные на трубе 114x5,5 мм. В головке и хвостовике надстав-
ки встроен диффузор с отверстиями для прохода штанги привода и
продольными пазами для потока теплоносителя.
Тепловыделяющая сборка (рис. 2.10) представляет собой сборку
24
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Рис. 2.7. Кассета «ОМ»:
1 — пучок твэл; 2 — чехол; 3 — хвостовик;
4 — головка
Рис. 2.8. Кассета «ОИ-2»:
Z— пучок твэл «ОИ»; 2 — труба шести-
гранная; 3 — хвостовик; 4 — головка в
сборе; 5 — винт
25
Глава вторая
Рис. 2.9. Кассета К:
7 - надставка К; 2 - тепло-
выделяющая сборка К
Рис. 2.10. Тепловыделяющая сборка кассе-
ты К:
7 - головка в сборе; 2— пучок твэл К; 3- труба ше-
стигранная; 4 — наконечник кассеты; 5 - винт
26
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
твэлов в количестве 90 штук, заключенную в шестигранную трубу из
циркониевого сплава Zr+2,5%Nb (Э-125) с толщиной 2 мм и разме-
ром «под ключ» 144 мм.
Твэлы выполнены в виде трубок диаметром 10,2 мм из цирконие-
вого сплава Zr+l%Nb (Э-110), заполненных таблетками из двуокиси
урана, которые установлены в кассете по треугольной решетке с ша-
гом 14,3 мм. Герметизация твэлов осуществлена при помощи нижней
и верхней заглушек из сплава Э-110, приваренных к оболочке элек-
тронно-лучевой сваркой.
Дистанционирование твэлов осуществляется при помощи проме-
жуточных девяти четырехъярусных дистанционирующих решеток
планочного типа. Крепление твэлов производится в нижней опорной
дистанционирующей решетке шплинтующей проволокой.
Верхняя и нижняя опорная дистанционирующие решетки выпол-
нены из нержавеющей стали и крепятся соответственно к головке и
хвостовику. Шестигранная труба скреплена с хвостовиком и голо-
вкой кассеты. В хвостовике тепловыделяющей сборки размещен дем-
пфирующий стержень. В днище реактора располагается ответный
демпфирующий стакан для каждой ТВС. Демпфирование кассеты
при аварийном падении осуществляется за счет гидравлического со-
противления потока воды через зазоры между стаканом и стержнем.
Кассета проверена на 30-кратный коэффициент перегрузки.
Кассета автоматического регулирования (кассета АР) (рис. 2.11)
предназначена для тонкого регулирования мощности, с целью чего
внутри устанавливается подвижный стержень из поглощающего ней-
троны бористого материала.
Стержень регулирующий (рис. 2.12) оформлен в виде трех плас-
тин, соединенных под углом 120°, между которыми размещены плас-
тины из нержавеющей стали с бором, вверху заканчивается головкой
под захват привода.
Кассета комплектуется твэлами в количестве 60 штук, располо-
женными в трех ромбических секциях (по 20 штук в каждой) с треу-
гольным шагом 14,3 мм. Длина собственно кассеты АР — 3210 мм,
масса — 197 кг.
Конструктивное исполнение органов автоматического регулиро-
вания проявилось в резкой недостаточности общей компенсирую-
щей способности системы управления запасом реактивности. В свя-
27
Глава вторая
Рис. 2.11. Кассета АР
Рис. 2.12. Стержень регулирующий:
1 — головка стержня в сборе; 2 — ребро; 3 — пласти-
на «Р»; 4 - крестовина; 5 — крестовина опорная
28
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Рис. 2.13. Кассета АЗ:
1 - надставок АЗ; 2 ~ блок А в
сборе; 3 — винт МбхЮ; 4 — на-
конечник
Рис. 2.14. Блок А в сборе:
1 - стержень; 2 — блок тип I; 3 — блок тип II; 4 —
хвостовик; 5— штифт; 6- шпилька; 7- гайка
29
Глава вторая
Рис. 2.15. Стержень перегрузочный
зи с этим было принято решение
о ликвидации специальных ор-
ганов автоматического регули-
рования и использования безо-
пасного режима компенсирую-
щих кассет в режиме автомати-
ческого регулирования мощнос-
ти.
Кассета аварийной защиты
(кассета АЗ) ( рис. 2.13 ) состоит
из поглощающей надставки и
блока А. Надставка представляет
собой трубу диаметром 125 мм с
размещенными внутри вклады-
шами цилиндрической формы
из нержавеющей стали с бором.
Блок А (рис. 2.14) собран из цир-
кониевых цилиндров (сплав
Э-125), насаженных на трубу.
Хвостовая часть блока А закан-
чивается демпфером в виде
стержня.
Общая длина кассеты в сборе
составляет 5700 мм, общая масса
- 284 кг.
Движение кассеты А в актив-
ной зоне происходит в шести-
гранной трубе из циркониевого
сплава с внешним размером
«под ключ» 144 мм и внутренним
отверстием 131 мм.
Для проведения пусконала-
дочных работ при перегрузке ак-
тивной зоны был разработан и
внедрен стержень перегрузоч-
ный (рис. 2.15). В последующем
не использовался.
30
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
2.10
КОНСТРУКЦИЯ КАССЕТ РЕАКТОРА ВВЭР-2
(АЭС «РАЙНСБЕРГ», ГДР)
Активная зона реактора комплектуется кассетами четырех типов: ра-
бочими кассетами; компенсирующими; автоматического регулиро-
вания; аварийной защиты.
Рабочая кассета (рис. 2.16) представляет собой пучок твэлов в ко-
личестве 90 штук, заключенный в шестигранную трубу из цирконие-
вого сплава Zr+2,5%Nb (Э-125) с толщиной 2 мм и размером чехла
«под ключ» 144 мм.
Твэлы выполнены в виде трубок диаметром 10,2x0,6 мм из цирко-
ниевого сплава Zr+l%Nb (Э-110) заполненных таблетками из дву-
окиси урана, которые установлены в кассете по треугольной решетке
с шагом 14,3 мм. Герметизация твэлов осуществлена при помощи
нижней и верхней заглушек, выполненных из сплава Э-110 и прива-
ренных к оболочке электронно-лучевой сваркой.
Дистанционирование твэлов осуществляется двумя концевыми
(верхней и нижней) и шестью промежуточными четырехъярусными
дистанционирующими решетками, образованными четырьмя набо-
рами разнонаправленных пластин из сплава Э-110. Крепление твэ-
лов производится в нижней опорной дистанционирующей решетке,
выполненной из нержавеющей стали.
Шестигранная труба скреплена с хвостовиком и головкой кассе-
ты. Вместо центрального твэла в пучке устанавливается труба из
сплава Э-110 (центральная труба), предназначенная для забора проб
воды на выходе из активной зоны. Центральная труба крепится в хво-
стовике рабочей кассеты.
Все кассеты удерживаются от всплытия обсадными трубами кас-
сет системы управления и защиты, а 18 периферийных кассет — на-
жимным каркасом.
Длина рабочей кассеты — 3225 мм, масса — 205 кг.
Компенсирующая кассета (кассета К) (рис. 2.17) по конструкции
аналогична кассете К (см. рис. 2.9) ВВЭР-1 и также состоит из двух
частей, верхняя поглощающая надставка, нижняя тепловыделяющая
31
—
Глава вторая
Рис. 2.16. Кассета рабочая
Рис. 2.17. Кассета К:
1 — надставка; 2 — тепловыделяющая
сборка
32
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Рис. 2.18. Кассета АР
Рис. 2.19. Кассета А
33
Глава вторая
сборка. Обе части соединяются посредством штанги привода. Длина
собственно кассеты К — 3175 мм, длина кассеты в сборе — 5715 мм,
масса в сборе — 323 кг.
Кассета автоматического регулирования (кассета АР) (рис. 2.18)
предназначена для тонкого регулирования мощности, для чего внут-
ри устанавливается подвижный стержень из поглощающего нейтро-
ны бористого материала. Стержень оформлен в виде трех пластин,
соединенных под углом 120°, между которыми размещены пластины
из нержавеющей стали с бором, и вверху заканчивается головкой под
захват привода.
Кассета комплектуется твэлами в количестве 60 штук, располо-
женными в трех ромбических секциях (по 20 штук в каждой) с треу-
гольным шагом 14,3 мм.
Длина собственно кассеты АР — 3210 мм, масса — 197 кг.
Конструктивное исполнение органов автоматического регулиро-
вания проявилось в резкой недостаточности общей компенсирую-
щей способности системы управления запасом реактивности. В свя-
зи с этим было принято решение о ликвидации специальных органов
автоматического регулирования и использования безопасного режи-
ма компенсирующих кассет в режиме автоматического регулирова-
ния мощности.
Кассета аварийной защиты (кассета А) (рис. 2.19) представляет со-
бой трубу диаметром 125x10 мм из сплава циркония с ниобием Э-125,
заполненную свинцом. При этом, свинцовые блоки имеют охлажда-
ющие каналы для прохода воды через кассету, облицованные трубка-
ми, которые приварены к верхней и нижней трубным решеткам.
К нижней трубной решетке присоединяется наконечник, а к верх-
ней аналогичным образом надставка цилиндрической формы диаме-
тром 125 мм.
Общая длина кассеты в сборе составляет 5825 мм, общая масса —
341 кг (доля свинца — 200 кг).
Кассета А размещается в активной зоне в специальных трубах.
34
/ Историй создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
[-----------------------------------------------------------
_______________________________________________I____________
2.11
КОНСТРУКЦИЯ КАССЕТ РЕАКТОРА ВВЭР-ЗМ
(2-Й БЛОК НВАЭС)
Активная зона реактора комплектуется кассетами двух типов: рабо-
чая кассета; кассета АРК (аварийная, регулирующая, компенсирую-
щая).
Рабочая кассета (рис. 2.20) представляет собой сборку твэлов в ко-
личестве 126 штук, заключенную в шестигранную трубу из циркони-
евого сплава Zr+2,5%Nb (Э-125) с толщиной 2 мм и размером «под
ключ» 144 мм.
Твэлы выполнены в виде трубок диаметром 9,1 мм из циркониево-
го сплава Zr+l%Nb (Э-110), заполненных таблетками из двуокиси
урана, и установлены в кассете по треугольной решетке с шагом 12,2
мм. Герметизация твэлов осуществлена при помощи нижней и верх-
ней заглушек из сплава Э-110, приваренных к оболочке электронно-
лучевой сваркой.
Дистанционирование твэлов осуществляется применением не-
ржавеющих дистанционирующих решеток сотового типа. Крепление
твэлов производится в нижней опорной решетке шплинтующей про-
волокой.
Верхняя и нижняя решетки выполнены из нержавеющей стали и
крепятся соответственно к головке и хвостовику. Шестигранная тру-
ба скреплена с хвостовиком и головкой кассеты.
Вместо центрального твэла в пучке устанавливается труба из цир-
кониевого сплава Э-110 (центральная труба), предназначенная для
забора проб воды на выходе из активной зоны. Центральная труба
крепится в нижней опорной решетке рабочей кассеты.
Кассета АРК (аварийная, регулирующая, компенсирующая)
(рис. 2.21) состоит из надставки и тепловыделяющей сборки.
Надставка представляет собой шестигранную трубу из нержавею-
щей стали, внутри которой по периметру расположены поглощаю-
щие стержни вкладыши из нержавеющей стали с бором. Внизу и
вверху к трубе приварены концевые детали, головка и хвостовик.
35
Глава вторая
Рис. 2.20. Кассета рабочая:
1 — головка; 2 — чехол; 3 — твэлы; 4 —
решетка дистанционирующая; 5 —
решетка опорная; 6 — хвостовик
Рис. 2.21. Кассета АРК:
1 — надставка; 2—тепловыделя-
ющая сборка
36
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Тепловыделяющая сборка представляет собой пучок твэл диамет-
ром 9,1 мм в количестве 126 штук, размещенных i шестигранной тру-
бе из циркониевого сплава 125 с размером под «ключ» 144 мм и тол-
щиной стенки 2 мм.
Твэлы располагаются по треугольной решетке с шагом 12,2 мм. В
верхней части твэл на высоте 100 мм вместо топлива размещены не-
ржавеющие стальные стержни, обеспечивающие снижение уровня
энерговыделения по торцам твэл при нахождении стыковочного узла
надставка — тепловыделяющая сборка в промежуточном положении
по высоте активной зоны.
Хвостовик снабжен демпфером в виде перевернутого глухого ци-
линдра, что исключает попадание посторонних предметов в дем-
пферную систему, а, следовательно, заклинивание поршня в цилинд-
ре, как это имели случаи на ВВЭР-1.
2.12
КОНСТРУКЦИЯ КАССЕТ СЕРИЙНОГО РЕАКТОРА ВВЭР-440
Следует отметить, что реакторы ВВЭР-440 имеют несколько моди-
фикаций, включающих типы: В-179 (блоки 3, 4 НВАЭС), В-230 (бло-
ки 1,2 КАЭС, блоки 1,2 АЭС «Богунице В-1», блоки 1—4 АЭС «Норд»,
блоки 1—4 АЭС «Козлодуй»), В-213 (блоки 1,2 АЭС «Ловииза»),
В-213 (блоки 3,4 КАЭС, блоки 3,4 АЭС «Богунице В-2», блоки 1,2 Ро-
венской АЭС, блоки 1—4 АЭС «Пакш», блоки 1—4 АЭС Дукованы,
блок 5 АЭС «Норд», блоки 1,2 АЭС Моховце), В-270 (блоки 1,2 Ар-
мянской АЭС). При разработке проекта реактора создавались также
проекты топливных сборок.
Прототип унифицированных топливных сборок (рабочей кассеты
и кассеты АРК) для реактора ВВЭР-440 разработан в 1966 г. на осно-
ве опыта проектирования топливных сборок реактора ВВЭР-ЗМ.
Первая партия таких сборок была изготовлена и поставлена на блок
№ 3 НВАЭС, сданный в эксплуатацию в 1971 г. Основные геометри-
ческие параметры и конструкционные материалы топливных сборок
были заданы техническим заданием на проектирование серийного
37
Глава вторая
реактора ВВЭР-440 (электрической мощностью 440 МВт), разрабо-
танного институтом Атомной энергии имени И.В. Курчатова в 1965 г.
Активная зона блоков АЭС с ВВЭР-440 комплектуется рабочими
кассетами (РК) и кассетами аварийными, регулирующими, компен-
сирующими (АРК). Схема размещения кассет в активной зоне
ВВЭР-440 представлена на рис. 2.22.
Кассета АРК является рабочим органом системы управления и за-
щиты и состоит из двух частей: ТВС (топливной части) и надставки,
соединенных промежуточной штангой, которая в свою очередь сцеп-
ляется со штангой привода.
п
ф — кассета АРК (37 шт.)
(2) — рабочая кассета (312 шт.)
Рис. 2.22. Схема размещения кассет в активной зоне ВВЭР-440
38
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Кассета АРК выполняет следую-
щие основные функции:
• обеспечивает быстрое прекраще-
ние цепной реакции деления в
реакторе путем быстрого введе-
ния в активную зону поглотите-
ля с одновременным выведени-
ем из активной зоны топливной
части;
• участвует в автоматическом регу-
лировании в целях поддержания
мощности реактора на заданном
уровне и перевода его с одного
уровня мощности на другой;
• компенсирует быстрые измене-
ния реактивности (температур-
ный, мощностной эффекты, от-
равление и т.д.).
В активной зоне кассеты распо-
лагаются по треугольной решетке с
шагом 147 мм.
Масса урана: в РК — (120,2±2,5)
кг; в ТВС — (115,2±2,5) кг.
Расчетные значения масс: общая
масса РК — 215 кг; общая масса кас-
сеты АРК — 330 кг (ТВС кассеты
АРК — 220 кг, надставка — 110 кг).
Кассета рабочая (рис. 2.23) со-
стоит из пучка твэлов, головки, хво-
стовика и чехла. Твэлы в пучке рас-
полагаются по треугольной решетке
с шагом 12,2 мм и объединены меж-
ду собой циркониевыми дистанцио-
нирующими решетками «сотового»
типа, механически закрепленными
на центральной трубе, и нижней
Рис. 2.23. Кассета рабочая:
1 — головка; 2— хвостовик; 3 — чехол;
4 — твэл; 5 - решетка дистанциони-
рующая; 6 — решетка верхняя; 7 —
решетка опорная; 8 — решетка за-
щитная; 9 — труба центральная; 10 —
палец захватный; 11 — упор; 12 —
фиксатор
39
Глава вторая
опорной решеткой, закрепленной на хвостовике. Верхняя дистанци-
онирующая решетка имеет широкий обод, посредством которого
верхняя часть пучка центрируется в верхней части чехла специально
для данной цели предназначенными выступами в шестигранной тру-
бе. Это позволяет исключить возможную деформацию верхней ре-
шетки при неравномерном по пучку радиационном росте твэлов.
Опорная решетка приваривается к хвостовику, предназначенному для
установки РК в днище корзины реактора. В гнездо днища корзины РК
устанавливается хвостовиком, опираясь шаровой поверхностью на
конусную часть гнезда.
Для ориентации в плане на хвостовике РК имеется фиксирующий
палец, а в днище корзины — соответствующий паз.
Головка РК жестко по шестигранной поверхности соединена с
чехлом. В головке РК имеются два пальца под транспортный захват
перегрузочной машины и шесть подпружиненных упоров, удержива-
ющих рабочую кассету от всплытия и служащих компенсаторами
тепловых расширений и технологических допусков внутрикорпусных
устройств реактора. К нижнему торцу головки крепится защитная ре-
шетка. Для компенсации теплового расширения и радиационного
роста пучка твэлов относительно опорной решетки конструкцией РК
обеспечивается возможность удлинения твэлов не менее чем на 25 мм.
В верхней и нижней частях чехла рабочей кассеты в районе голо-
вки и хвостовика имеются отверстия диаметром 9 мм (по два на каж-
дой грани), предназначенные для радиальной разгрузки чехла от пе-
репада давления теплоносителя в случае возникновения максималь-
ной проектной аварии, связанной с разрывом ГЦТ. РК имеет номи-
нальный размер «под ключ» 145 мм.
Кассета АРК состоит из надставки (рис. 2.24) и тепловыделяющей
сборки (рис. 2.25), связанных между собой промежуточной штангой.
Твэлы в пучке ТВС располагаются по треугольной решетке с шагом
12,2 мм. Надставка представляет собой сварную конструкцию массой
ПО кг из нержавеющей стали, внутри которой расположены шести-
гранные вкладыши из бористой стали.
ТВС по своей конструкции аналогична РК за исключением следу-
ющих отличий: специальный хвостовик, чехол ТВС не имеет перфо-
рации, а в головке ТВС нет подпружиненных упоров. Твэлы закреп-
лены в опорной решетке шплинтующей проволокой.
40
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Рис. 2.24. Надставка кассеты АРК:
1 — головка; 2— хвостовик; 3 — труба ко-
жуховая; 4 — вкладыш из бористой ста-
ли; 5 — труба центральная; 6— палец за-
хватный
Рис. 2.25. Сборка тепловыделяю-
щая:
1 — головка; 2 — хвостовик; 3 — чехол;
4 — твэл; 5 — решетка дистанционирую-
щая; 6 — решетка верхняя; 7 — решетка
опорная; 8— решетка защитная; 9— тру-
ба центральная; 10 — палец захватный;
11 — седло; 12— демпфер
41
Глава вторая
Кассета АРК через промежуточную штангу сцепляется и удержи-
вается штангой привода СУЗ. Головка ТВС снабжена захватным уст-
ройством байонетного типа с седлом под треугольный фиксатор,
обеспечивающим зацепление с промежуточной штангой. Промежу-
точная штанга, проходя по центру надставки на всю ее высоту, сцеп-
ляется с захватным байонетным устройством, расположенным в го-
ловке ТВС, при этом фиксирующий треугольный стержень промежу-
точной штанги входит в седло головки ТВС, исключая тем самым по-
ворот и возможное последующее расцепление ТВС с промежуточной
штангой.
В хвостовике ТВС располагается демпфирующее устройство (ста-
кан), которое обеспечивает демпфирование кассеты АРК при ее
движении (падении) самоходом под собственным весом в аварий-
ном режиме, связанном с возможным аварийным обрывом проме-
жуточной штанги. Принцип демпфирования заключается в дроссе-
лировании теплоносителя (воды) через зазоры, образующиеся меж-
ду стержнем, расположенным в днище шахты реактора, и стаканом
хвостовика ТВС в момент падения кассеты АРК и посадки стакана
на стержень.
Кроме того, дросселирование воды происходит еще через отвер-
стие диаметром 3 мм, расположенное в днище стакана хвостовика
ТВС.
ТВС имеет номинальный размер «под ключ» 144,2 мм.
В результате экспериментальных и расчетных работ, проведенных
в РНЦ «Курчатовский институт» и в ОКБ «Гидропресс», выявлено,
что верхняя часть ТВС СУЗ (от стальных столбиков в компенсацион-
ном объеме твэла до отбойной решетки) является источником вспле-
ска тепловых нейтронов.
В процессе работы реактора рабочая группа СУЗ частично при-
спущена и верхние области ТВС СУЗ инициируют всплеск энерговы-
деления в твэлах рабочих кассет, окружающих рабочую группу СУЗ.
Для подавления указанных всплесков энерговыделения в устанавли-
ваемые в настоящее время на блоки АЭС с ВВЭР-440 ТВС кассеты
АРК на внутренней поверхности чехла от верхнего торца столбика в
твэле до нижнего торца головки ТВС размещаются шесть пластин из
гафния (по одной на грань) толщиной 0,6 мм. Крепление пластин к
чехлу осуществляется точечной сваркой.
42
История создания активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Обогащение топлива
На начальной стадии внедрения штатного топлива на АЭС с
ВВЭР-440 топливные сборки комплектовались без профилирования
обогащения по сечению пучка твэлов с низким уровнем обогащения
топлива по U235 (1,5 и 2%). В процессе оптимизации топливоис-
пользования (увеличение выгорания, увеличение продолжительнос-
ти топливных циклов и т.д.) топливные сборки начали комплекто-
ваться топливом более высокого обогащений по U235 до 4,6% с при-
менением профилирования обогащения по сечению пучка твэлов, а
также с применением твэлов с использованием специального выго-
рающего поглотителя.
43
Проектные основы нейтронно-физических
характеристик активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Проектом принято, что реактор ВВЭР-1 для первого блока
НВАЭС будет эксплуатироваться в режиме частичных перегрузок
топлива без перестановок кассет в активной зоне (доля заменяемых
кассет определяется в зависимости от поля тепловыделения). Ис-
пользуемые для подпитки реактора свежие кассеты содержат дву-
окись урана с обогащением до 2%.
Для упрощения перехода к такому режиму первая топливная за-
грузка реактора была принята неоднородной по обогащению урана в
кассетах. В ее состав вошли: 30 кассет с ураном естественного соста-
ва; 186 кассет с ураном 1,5% обогащения; 127 кассет с ураном 2% обо-
гащения.
При разработке следующего поколения реакторов схема перегруз-
ки топлива была изменена с возможностью перестановки кассет внут-
ри реактора. Проведена унификация кассет по конструкции и функ-
циональным исполнениям. Особое внимание уделено повышению на-
дежности и экономической эффективности использования топлива.
При разработке технического проекта реакторной установки
В-213 для АЭС в Финляндии в качестве ограничения было требова-
ние о недостижении температуры 1200 °C на оболочке твэла в авари-
ях с потерей теплоносителя первого контура (двухстороннее истече-
ние при разрыве главного циркуляционного трубопровода DY-500).
Теплогидравлическим анализом было определено, что для выполне-
ния этого критерия необходимо, чтобы максимальная эксплуатаци-
онная линейная мощность в твэле (qlmax) не превышала 325 Вт/см. В
этом анализе были использованы следующие характеристики:
• длина активной зоны На 3 = 250 см;
• коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте ак-
тивной зоны Kz = 1,50;
• коэффициент неравномерности энерговыделения по сечению
свежей кассеты (Кк) с обогащением топлива 3,6%, находящейся в
44
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
поле без перекосов, был рассчитан по программе Шестигранник
[1] и его значение равнялось 1,15 (Кк = 1,15).
При этих условиях была определена допустимая эксплуатаци-
онная мощность кассеты N1?** = [qlmax/(Kz-Kk)] H -п_п =
= [325/(1,50 1,15)]-250-126 = 5935000 == 5,95 МВт.
Для того, чтобы в процессе эксплуатации не была превышена эта
мощность кассеты, был определен допустимый коэффициент неравно-
мерности в мощности кассет Kq11011. Он был использован в качестве ог-
раничения при выборе топливных загрузок. При определении KqAOn уч-
тен коэффициент запаса, учитывающий погрешность измерения и под-
держания тепловой мощности реактора KN = 1,05, был учтен также ин-
женерный коэффициент запаса в расчете допустимой мощности кассе-
ты К^, учитывающий технологические допуска и погрешность мето-
дик физического расчета. На основании статистической теории было
определено, что погрешность в расчете мощности кассеты из-за техно-
логических допусков и погрешности методики расчета может достигать
величины 1,06 (К^ = 1,06). В силу этого допустимый проектный (рас-
четный) коэффициент неравномерности в мощности кассет составил
KqAon = N^c/(Kn-K^ N^) = 5,95/(1,054,06-3,94) = 1,357. Консер-
вативно было принято Kq*on — 1,35.
Учитывая это, определено, что допустимый проектный (расчет-
ный) коэффициент неравномерности в мощности твэл составляет
Kr*on = Kq*on-Kk = 1,35-1,15 - 1,55.
Определенные выше N™*c == 5,95 МВт, Кддоп = 1,35, Кгдоп = 1,55
были введены в технические условия. Дополнительно к этому в ука-
занные технические условия была введена предельная мощность кас-
сеты Nnp. = 6,39 МВт, которая может быть достигнута в неконтроли-
руемом разгоне реактора при достижении реактором мощности, при
которой вырабатывается сигнал на срабатывание АЗ-1, с учетом за-
держки на выработку сигнала и приведением в движение исполни-
тельных органов СУЗ.
Для увеличения предела по Kq*011 необходимо совершенствовать
аппаратуру контроля и регулирования мощности реактора (снижать
KN), а также совершенствовать технологию изготовления таблетки,
твэл, кассет (уменьшать допуска) и методики физических расчетов
(снижать ).
45
Глава третья
Важнейшим фактором безопасности реакторов является отрица-
тельность коэффициентов реактивности по температуре теплоноси-
теля и топлива.
Топливный цикл разрабатывался в ИАЭ имени И.В. Курчатова (в
настоящее время РНЦ КИ) как трехгодичный, с ежегодной эффек-
тивной длительностью работы около 7000 ч. При выполнении физи-
ческих расчетов определяются как макрохарактеристики (глубина
выгорания, относительные мощности кассет, коэффициенты реак-
тивности, параметры точечной кинетики, эффективность органов
регулирования и изменение концентрации бора в процессе работы
загрузки), так и микрохарактеристики (распределение относитель-
ной мощности по сечению кассет). Макрохарактеристики рассчиты-
вались по одногрупповой программе БИПР-5 [2], микрохарактерис-
тики рассчитывались по программе Шестигранник. Константы для
этих программ готовились по программе POP. Средняя глубина выгора-
ния выгружаемого топлива (проектная) составляла 28,6 МВт-сут/кг U.
Расчеты показали, что реактор обладает свойствами самозащищен-
ности. Коэффициент реактивности по температуре теплоносителя
отрицателен при температуре выше 200 °C при всех извлеченных
органах СУЗ. Эффективность органов СУЗ в рабочем состоянии
7,9%.
В ОКБ «Гидропресс» в 1983 г. был выпущен физический расчет в
обоснование технического проекта серийного реактора ВВЭР-440
(В-213) с использованием того же комплекса программ, что и при
разработке Финской АЭС. Средняя эффективная длительность рабо-
ты загрузки в стационарном трехгодичном топливном цикле состав-
ляла ТЭфф = 303,5 сут. В качестве топлива подпитки использовались
кассеты того же обогащения, что и при разработке Финской АЭС в
3,6 и 2,4%. Перегрузки кассет выполнялись по схеме out-in-in (све-
жие кассеты загружались на периферию активной зоны). Средняя
кратность перегрузок составляет п = 349/117,5 = 2,97. Средняя глуби-
на выгорания выгружаемого топлива составляет 29,4 МВт сут/кг U.
При этом выгорание в кассетах с обогащением топлива 2,4% состави-
ло в среднем 26,3 МВт сут/кг U, для кассет с обогащением топлива
3,6% это выгорание составило 32,6 МВт сут/кг U. Средняя глубина
выгорания для стационарной топливной загрузки в максимально вы-
горевшей кассете составила 36,5 МВт сут/кг U.
46
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
При выполнении указанных физических расчетов было принято,
что длина топлива в рабочем состоянии равна 246 см. Расчеты прово-
дились с разбиением топливного столба на 10 участков по высоте
(длина одного участка 24,6 см) и поэтому не учитывалась разница
между топливным столбом рабочей кассеты и топливной частью кас-
сеты АРК, которая короче на 10 см.
При выполнении физического расчета учитывались ограничения
из ТУ, Kq < 1,35, Кг < 1,55. Дополнительно к этому было введено ог-
раничение на коэффициент неравномерности в локальном тепловом
потоке Ко < 2,14. Это ограничение было получено с учетом инженер-
ного коэффициента запаса Кдинж = 1,15. Ко = qlmax/(ql-KN-KqMHX) =
= 325/(127,1 1,05-1,15) = 2,14. Для расчета подогрева в струе был вве-
ден инженерный коэффициент запаса по подогреву КД1ИНЖ = 1,18.
В этом проекте было принято, что погрешность в знании и под-
держании мощности составляет 4% (KN = 1,04). Но это не учитыва-
лось при определении KqAon, а следовали требованиям ТУ, Kq71011 <
< 1,35. Минимальная эффективность органов СУЗ составила 7,9% (с
учетом одного застрявшего).
В начале первой топливной загрузки Ко = 2,30, но это не наруша-
ет надежного охлаждения активной зоны, так как до ТЭфф = 40 сут ре-
актор работает на пониженной мощности (период освоения) и к мо-
менту выхода на 100% мощность Ко < 2,14. В последующие загрузки
Ко < 2,14 во все время работы реактора.
Реактор обладает свойствами самозащищенности, коэффициенты
реактивности по температуре теплоносителя и топлива, по удельно-
му объему, по мощности отрицательны, что препятствует самопроиз-
вольному разгону и обеспечивает стабильную работу реактора.
В начале 80-х годов был поставлен вопрос о проведении исследо-
ваний работоспособности твэлов в условиях циклических тепловых
нагрузок, характерных для маневренного реактора ВВЭР-1000. С
этой целью в ОКБ «Гидропресс» в 1983 г. был выпущен физический
расчет в обоснование двухэтажной экспериментальной тепловыделя-
ющей сборки (ЭТВС).
ЭТВС предназначалась для установки в активную зону 3-го или
4-го блока НВАЭС. Ее вертикальные перемещения создавали имита-
цию циклических нагрузок, а изменения реактивности при этом
компенсировались перемещением рабочей группы. При разработке
47
Глава третья
ЭТВС необходимо было обеспечить в ней получение qlmax —
= 490 Вт/см без превышения требования ТУ для штатного топлива.
На рис. 3.1, 3.2 показано расположение твэл в ЭТВС нижнего и
верхнего этажа. Для получения высоких тепловых нагрузок
(490 Вт/см) была выбрана нижняя часть ЭТВС, в которой в 12 цент-
ральных твэлах обогащение топлива составило 6,5%, и для дополни-
Рис. 3.1. Расположение твэл в ЭТВС нижнего этажа
Ф — твэлы диаметром 10,2 мм с обогащением топлива 1,6% (30 шт.)
Q — твэлы диаметром 10,2 мм с обогащением топлива 2,4% (42 шт.)
ф — твэлы диаметром 9,1 мм с обогащением топлива 6,5% (12 шт.)
О — трубки (7 шт.)
48
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
тельного увеличения их мощности были установлены шесть трубок с
протоком теплоносителя (создавался дополнительный всплеск теп-
ловых нейтронов). Планировалось достижение высоких выгораний в
твэлах с обогащением топлива 6,5% (~44,6 кг шл./т урана), для чего
нижняя часть ЭТВС большую часть времени должна находиться в ак-
тивной зоне. При редких перемещениях ЭТВС ввод верхнего ее эта-
Рис. 3.2. Расположение твэл в ЭТВС верхнего этажа
Ф — твэлы диаметром 10,2 мм с обогащением топлива 1,6% (30 шт.)
Q — твэлы диаметром 10,2 мм с обогащением топлива 2,4% (42 шт.)
Ф - твэлы диаметром 9,1 мм с обогащением топлива 2,4% (12 шт.)
Q — трубки (7 шт.)
49
Глава третья
жа (малая глубина выгорания) в активную зону мог приводить к до-
стижению qlmax > 600 Вт/см. Для исключения этого 12 центральных
твэл верхней части ЭТВС имели обогащение топлива 2,4%.
Намеченные эксперименты были проведены в 1985—1986 гг. (12 и
13 кампании) на 4-м блоке НВАЭС. Шесть ЭТВС были расположены
вместо девятой группы СУЗ. При этом перемещения двух ЭТВС (12-
59, 12-57) имитировали недельные изменения мощности, две ЭТВС
суточные изменения мощности (04-36, 20-51) и две ЭТВС (20-35, 04-
51) имитировали наброс мощности после продолжительной работы
на пониженной мощности. Во время 13-й кампании, начиная с дека-
бря 1985 — января 1986 гг. наблюдался устойчивый рост активности
теплоносителя. Контроль герметичности твэлов в ППР-86 выявил
наличие 33 негерметичных кассет, из которых 1, 22 и 10 кассет отра-
ботали в реакторе 1, 2 и 3 года соответственно, сами ЭТВС при этом
были герметичны. Из 33 кассет две кассеты находились около ЭТВС,
18 кассет находились около рабочей группы (16 шт. второго года ра-
боты, 2 шт. третьего года работы).
С целью изучения причин выхода из строя одна из наиболее де-
фектных кассет №13615687 (находилась рядом с центральной кассе-
той АРК) после трех лет расхолаживания в водном бассейне выдерж-
ки была доставлена в НИИАР и совместно с ИАЭ им. И.В. Курчато-
ва исследована с применением неразрушающих и разрушающих ме-
тодов. Исследования показали, что наиболее поврежденные твэлы (в
18 твэлах было 40 сквозных отверстий) находились в части кассеты,
удаленной от ТВС СУЗ.
Для выяснения причин такой массовой разгерметизации рабочих
кассет был произведен физический расчет по трехмерному комплек-
су спектральных программ САПФИР и по комплексу программ
БИПР-7 + ПЕРМАК [3]. Расчетами было показано, что верхняя
часть ТВС СУЗ от стальных столбиков до отбойной решетки (~ 12 см),
является мощным источником тепловых нейтронов и вызывает
всплеск энерговыделения в ближайших твэлах рабочих кассет. При
движении рабочей группы происходит перемещение всплеска энер-
говыделения, что может приводить к превышению допустимого
скачка линейной мощности. Таким образом проведенные расчеты не
смогли выявить причину разгерметизации твэл находящихся на дру-
гой стороне рабочей кассеты. Возможно, причина этого заключается
50
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
в сложном взаимодействии перемещений рабочей группы и ЭТВС с
возможным возбуждением ксеноновых колебаний с резонансной ча-
стотой. Тем не менее, результаты этих расчетов инициировали ряд ра-
бот, направленных на подавление указанного всплеска энерговыде-
ления. Была разработана конструкция ТВС СУЗ, в которой в верхней
ее части от стальных столбиков до отбойной решетки установлены
шесть пластин из гафния толщиной 0,6 мм и длиной 150 мм. Внедре-
ние таких ТВС началось на 4-м блоке НВАЭС в 2000 г. На рис. 3.3 и
3.4 показано влияние гафниевых пластин на высотное распределение
энерговыделения в твэле рабочей кассеты, находящейся рядом с ТВС
рабочей группы. Исследуемый твэл находится на середине грани,
примыкающей к ТВС СУЗ. Данные этих рисунков показывают, что
Рис. 3.3. Распределение относительного энерговыделения по высоте твэ-
ла из середины периферийного ряда РК на грани, соседней с ТВС рабо-
чей группы. Конец борной кампании
— ТВС штатные; Н12 — 175,6 см
— ТВС с гафниевыми пластинами; Н12 = 175,6 см
<Q> - ТВС штатные; Н12 = 195,2 см
Q) - ТВС с гафниевыми пластинами; Н12 = 195,2 см
51
Глава третья
Рис. 3.4. Скачок линейной мощности (Aql) по высоте для твэла из середи-
ны периферийного ряда РК на грани, соседней с ТВС рабочей группы. Ко-
нец борной кампании. Рабочая группа переместилась от 175,6 см до
195,2 см
— штатные ТВС
ТВС с гафниевыми пластинами
гафниевые пластины снижают qlmax на 21%, Aqlmax снижается
на 61%.
Актуальность борьбы с всплесками энерговыделения снижается,
если регламентом будет ограничена нижняя высота рабочей группы
высотой =220 см.
В 1985 г. в ОКБ «Гидропресс» была выпущена серия физических
расчетов в обоснование технического проекта ВВЭР-440 с тепловой
мощностью 1500 МВт. Основным ограничением являлась макси-
мальная линейная мощность твэла qlmax = 325 Вт/см с учетом коэф-
фициента запаса, учитывающего погрешность знания и поддержания
мощности KN - 1,02 и инженерного коэффициента запаса в локаль-
ном тепловом потоке KqHHX = 1,12. Высота активной части рабочей
кассеты в рабочем состоянии была принята равной 244 см, для топ-
ливной части кассеты СУЗ — 234 см. Средняя линейная мощность в
твэле была определена с учетом частичного погружения рабочей
группы СУЗ (Н6 = 195,2 см) и составила ql = 140,86 Вт/см. Макси-
52
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
мально допустимое значение коэффициента неравномерности в ли-
нейной мощности твэл составило Ко = qlmax/(ql-KN KqHHX) =
= 325/(140,86 1,02 1,12) = 2 ,02.
Однако, в это время Финляндия располагала более современной
методикой расчета макроструктуры распределения мощности
(HEXBU-3D), с помощью которой показано, что возможна компо-
новка активной зоны, при которой свежие кассеты не располагаются
на периферии активной зоны (перегрузки по типу in-in-out). Такая
компоновка снижает радиальную утечку нейтронов, что приводит к
повышению экономичности топливного цикла (~ на 4%) и снижает
облучение корпуса реактора. В ИАЭ им. И.В. Курчатова была созда-
на двухгрупповая программа БИПР-6, а затем и БИПР-7 [2]. Расчеты
по этим программам также позволили проводить компоновку актив-
ной зоны по типу in-in-out. Примечательным явилось то, что в актив-
ной зоне, скомпонованной по типу out-in-in, БИПР-7 и БИПР-5 да-
вали схожие результаты Kq ~ 1,35, а для активной зоны, скомпоно-
ванной по типу in-in-out, расчет по программе БИПР-7 давал значе-
ние Kq — 1,35, в то время как по БИПР-5 получалось значение Kq =
“ 1,50. В 1987 г. была выпущена серия расчетов, с добавлением в кон-
це заголовка слов «...с уменьшенной утечкой нейтронов». Расчеты
были выполнены по комплексу программ второго поколения БИПР-7,
ПЕРМАК, КАССЕТА-2 [2]. Проектные критерии составляли Ко <
< 2,02, Кг < 1,55, Kq < 1,40. Ежегодно загружалось 114 кассет с обо-
гащением 3,6% и одна (в центр активной зоны) с обогащением 2,4%.
Длительность работы стационарной топливной загрузки составляла
7424 ч, коэффициенты неравномерности энерговыделения состави-
ли Ко < 2,00, Кг < 1,52, Kq < 1,33.
В 1980 г. исследованиями образцов свидетелей корпусной стали
было показано, что под действием облучения охрупчивание корпус-
ной стали происходит более быстро, чем ожидалось. В связи с этим
было принято решение о снижении флюенса на корпус реактора пу-
тем замены 36 периферийных рабочих кассет на кассеты экраны
(сталь+вода). Для реакторов с 313 кассетами (уменьшенная активная
зона) были введены ограничения на коэффициенты неравномернос-
ти энерговыделения Ко < 1,93, Кг < 1,48, Kq < 1,29.
Постоянно проводившееся совершенствование кассет увеличива-
ло надежность их работы, что позволило в 1986 г. (на 3-м блоке Коль-
53
Глава третья
ской АЭС) начать переход на четырехгодичное использование рабо-
чих кассет с повышением обогащения топлива в них до 4,4%. Надеж-
ная работа этих кассет в четырехгодичном топливном цикле позволи-
ла в 1995 г. начать переход на пятигодичный топливный цикл рабочих
кассет. В этом топливном цикле рабочие кассеты имели обогащение
топлива 4,4% без профилирования обогащения в поперечном сече-
нии топливного пучка.
Проводившиеся физические расчеты в ИАЭ им. И.В. Курчатова и
ОКБ «Гидропресс» показали, что целесообразен переход на четырех-
годичный топливный цикл рабочих кассет и ТВС СУЗ с повышением
среднего обогащения в них до 3,82%. Топливный пучок имеет профи-
лирование обогащения в поперечном сечении (рис. 3.5, 18 твэл —
3,3%, 24 твэла — 3,6%, 84 твэла — 4,0%). Профилирование обогаще-
ния позволило при неизменной мощности кассеты снизить мощ-
ность твэла и повысить надежность его работы. Первое внедрение та-
кого топливного цикла началось на 4-м блоке НВАЭС в 1997 г., штат-
ное использование в 2000 г. В последующем эти кассеты и ТВС были
внедрены в Чехии и Словакии. В Чехии был организован четырехго-
дичный топливный цикл (ТЭфф ~ 304,4 сут), в Словакии для рабочих
кассет был организован пятигодичный цикл (как более экономич-
ный, ТЭфф ~ 277,4 сут). Примечательным при внедрении новых топ-
ливных циклов в Чехии и Словакии явилось использование снижен-
ного значения KN с 1,05 до 1,04. Это позволило при неизменной
мощности кассеты увеличить значение допустимого расчетного зна-
чения коэффициента неравномерности в мощности кассет до 1,37
(Kq*on=N™*y(KN.K^ -N^) - 5,95/(1,044,06-3,94) = 1,37), что об-
легчило формирование топливного цикла с перегрузками in-in-in-out
в Чехии и перегрузками in-in-in-in-out в Словакии.
Успешная работа на 3-м блоке Кольской АЭС рабочих кассет с
обогащением топлива 4,4% (без профилирования обогащения) поз-
волила начать внедрение в 1999 г. на 4-м блоке рабочих кассет со
средним обогащением 4,4% (рис. 3.6) в пятигодичном топливном
цикле. Учитывая возможную заинтересованность зарубежных заказ-
чиков в перспективном топливном цикле, эти кассеты имеют профи-
лирование обогащения в поперечном сечении топливного пучка и
содержат 6 твэг с уран-гадолиниевым топливом (для обеспечения
ядерной безопасности в бассейнах выдержки).
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
-3,3% (18)
— Центральная трубка
Рис. 3.5. Схема профилирования обогащения топлива 3.82%
Обогощение урана (количество твэлов)
- 4,0% (84)
- 3,6% (24)
В новом топливном цикле 4-го блока Кольской АЭС было ис-
пользовано дальнейшее снижение коэффициента запаса, связанного
с мощностью реактора, до 1,02. Это позволило при неизменной мощ-
ности кассеты (5,95 МВт) увеличить Kq;ion до 1,39 (Кддоп =
= N™cc/(KN*^c^4cacc) = 5,95/(1,02-1,06.3,94) = 1,39), что облегчи-
ло формирование топливного цикла с перегрузками in-in-in-in-out с
использованием рабочих кассет с УГТ. Заинтересованность в анало-
гичном топливном цикле проявлена в Чехии (АЭС «Дукованы»).
55
Глава третья
- центральная трубка
Рис. 3.6. Схема профилирования обогащения в РК со средним обогащени-
ем топлива 4,4%
- твэл 4,6% (84 шт.)
— твэл 4,0% (36 шт.)
- твэг 4,0% с 3,35% Gd2O3 (6 шт.)
Характеристики рассмотренных топливных циклов приведены в
табл. 3.1. Во всех циклах, кроме циклов Ровенской АЭС, эксплуата-
ционная мощность твэла составляла 54,5 кВт. К этому времени обос-
нование надежной работоспособности твэлов значительно дополни-
лось. Было установлено, что допустимое эксплуатационное значение
56
Таблица 3.1. Характеристики топливных циклов реакторов ВВЭР-440
Характеристика Номер цикла
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И
Среднее обогащение подпитки РК, % 3,6 3,82 3,82 3,82 3,82 3,82 4,21 4,21 4,4 4,4 (сУГТ) 4,4 (сУП)
Годичность топливного цикла 3 4 4 5 5 5 4 5 5 5 5
Реализация Проект 1 1983 г. Дукованы 1-, 2-й блоки Пакш Дукованы 3-, 4-й блоки Моховце Богунице 3-,4-й блоки Ровенская 1-й блок Ровенская 2-й блок Кольская 3-й блок Кольская 4-й блок Дукованы 2002 г.
Кратность перегрузок 2,97 3,88 3,88 4,15 4,65 4,81 3,73 4,15 4,44 4,47 4,81
Тэфф, сут 303,5 303,7 325 305 279 276,2 314 330 323 336,2 313,8
В, МВт сут/кги 31,73 38,51 41,10 42,11 42,63 43,60 42,94 44,87 46,30 48,91 49,54
р5,% 3,44 3,63 3,80 3,82 3,82 3,80 4,12 4,12 4,28 4,28 4,31
Удельный расход естественного урана, кг U/МВтсут 0,241 0,211 0,208 0,204 0,201 0,196 0,217 0,208 0,210 0,198 0,197
Глава третья
линейной тепловой мощности снижается с увеличением средней глу-
бины выгорания твэла. Дополнительно было введено ограничение на
допустимый скачок локальной мощности в твэле Aqp зависящий от
локальной глубины выгорания в твэле (рис. 3.7). Все топливные цик-
лы с профилированием обогащения топлива в поперечном сечении
топливного пучка проектировались с учетом ограничений, приведен-
ных на рис. 3.7. Причем ограничение по Aqj учитывалось при форми-
ровании очередной перегрузки и определении допустимого переме-
щения рабочей группы в процессе перекомпенсации. В случае, если
при очередной перегрузке Aq превышает допустимое значение, то
выход на 100% мощности необходимо проводить по регламенту раз-
работанному ВНИИНМ.
qlm“, Aql™
Рис. 3.7. Допустимая локальная линейная нагрузка qlmax и допустимый ло-
кальный скачок линейной нагрузки Aqlmax в зависимости от выгорания
(для зависимости q|max - выгорание среднее по твэлу, для зависимости
Aqlmax - выгорание таблетки)
58
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Было изучено влияние различных элементов конструкции твэла
на экономичность топливного цикла и сравнение с топливом фирмы
BNFL и Siemens, разработанного для ВВЭР-440 [13].
В табл. 3.2 приведены различные варианты конструкции твэла и
кассеты и эффективная длительность работы стационарной топлив-
ной загрузки (ТЭфф). В качестве топливного цикла взят топливный
цикл 4-го блока АЭС «Дукованы», в котором в нечетную загрузку за-
гружается 78 РК и шесть ТВС, а в четную загрузку 72 РК и 12 ТВС. В
табл. 3.2 приведены значения количества кассет подпитки средние за
два года (NPK — 75, NTBC = 9). Во всех вариантах пучки твэл РК и ТВС
имеют профилирование по обогащению топлива в поперечном сече-
нии, среднее обогащение топлива 3,82% (см. рис. 3.5).
В вариантах с увеличенной длиной столба топлива и для кассет за-
рубежного производства (BNFL, Siemens) рассмотрен также вариант
с сокращением числа рабочих кассет на 6 шт. (NPK ~ 69).
В табл. 3.3 приведен расчет экономичности для рассмотренных
вариантов твэла и кассеты.
Наиболее характерным параметром для выражения экономично-
сти является средняя глубина выгорания выгружаемого топлива —
В = ^ ТЭфф/Си, где W — тепловая мощность, МВт, Gu — ежегодная за-
грузка урана, кг. Gu = 0,877-(G^)2-NpK+ Gf^ NTBC).
Для сравнения экономичности различных конструкций рассмат-
ривается относительная экономичность Эотн = В/41,67 (по отноше-
нию к первому варианту).
Вопросы безопасности, касающиеся отрицательности коэффици-
ента реактивности по температуре теплоносителя в процессе выхода
на МКУ (на мощности он отрицателен), здесь не рассматривались.
При необходимости эта проблема решается с помощью установки
твэгов в топливном пучке.
Рассмотренные конструктивные варианты твэла и кассеты можно
объединить в три группы.
Первая группа вариантов (варианты 1—5) рассчитана для штатных
отечественных кассет и для кассет зарубежного производства (BNFL,
Siemens). При этом для зарубежного топлива рассмотрен как штат-
ный режим перегрузок (варианты 2, 4), так и модернизированный с
уменьшением числа рабочих кассет на 6 шт. (варианты 3, 5). Структу-
ра топливного пучка (длина топливной части РК и ТВС, обогащение
59
Таблица 3.2. Перечень конструктивных вариантов чехловых кассет
Номер варианта d0, мм dp мм d2, мм d3, мм 5Г, мм 8об> мм h, мм мио., г LPK, мм Цвс> мм ^твэл ^рк т 1 эфф’ сут
1 1,55 7,555 7,760 9,125 0,205 0,6825 12,20 1087 2420 2320 126 75 304,4
2 0,00 7,630 7,800 8,900 0,170 0,5500 12,28 1157 2420 2320 126 75 336,4
3 0,00 7,630 7,800 8,900 0,170 0,5500 12,28 1157 2420 2320 126 69 317,0
4 0,00 7,530 7,700 8,800 0,170 0,5500 12,28 1127 2420 2320 120 75 314,2
5 0,00 7,530 7,700 8,800 0,170 0,5500 12,28 1127 2420 2320 120 69 295,9
6 1,20 7,625 7,780 8,880 0,155 0,5500 12,40 1127 2420 2320 126 69 307,2
7 1,20 7,625 7,780 8,880 0,155 0,5500 12,40 1127 2420 2320 120 69 297,2
8 1,55 7,687 7,857 8,957 0,170 0,5500 12,40 1127 2420 2320 126 69 304,5
9 1,55 7,687 7,857 8,957 0,170 0,5500 12,40 1127 2420 2320 120 69 296,0
10 1,40 7,600 7,760 9,100 0,160 0,6700 12,20 1125 2420 2320 126 75 316,7
И 1,40 7,600 7,760 9,100 0,160 0,6700 12,20 1125 2420 2320 120 75 307,9
12 1,40 7,600 7,760 9,100 0,160 0,6700 12,20 1158 2490 2420 126 69 309,1
13 1,40 7,600 7,760 9,100 0,160 0,6700 12,20 1158 2490 2420 120 (6 трубок) 69 300,6
14 1,40 7,600 7,760 9,100 0,160 0,6700 12,20 1158 2490 2420 120 (трубок нет) 69 302,4
Примечание: d0 - диаметр отверстия в таблетке; d( - диаметр таблетки; d2 - внутренний диаметр оболочки;
d3 - наружный диаметр оболочки; Sr - диаметральный газовый зазор; 5об — толщина оболочки; h - шаг твэл;
L - длина топлива в холодном состоянии; NpK — число подпитки рабочих кассет (NTBC = 9). В вариантах 2-3
кассета разработки фирмы BNFL, а в вариантах 4—5 кассета разработки фирмы Siemens.
Таблица 3.3. Эффективность использования топлива для различных вариантов конструкции
твэла и кассеты
Номер варианта Тэфф, сут ^иО2 “ ^твэл ^иО2 = (ЧвсАрк)’ G!UO2’ КГ QjO2 = ^РК *6иО2 + NTBC,GUO2> КГ 0,877 Gjj02, кг В = (1375-Тэф)/ /<7и, МВт-сут/ кг U Эотн = В/41,67
1 304,4 136,96 131,30 11454 10045 41,67 1,000
2 336,4 145,78 139,76 12192 10692 43,27 1,038
3 317,0 145,78 139,76 11317 9925 43,92 1,054
4 314,2 135,24 129,65 11310 9919 43,55 1,045
5 295,9 135,24 129,65 10498 9207 44,20 1,061
6 307,2 142,00 136,14 11023 9667 43,70 1,049
7 297,2 135,24 129,65 10498 9207 44,39 1,065
8 304,5 142,00 136,14 11023 9667 43,31 1,039
9 296,0 135,24 129,65 10498 9207 44,20 1,061
10 316,7 141,75 135,89 11854 10396 41,89 1,005
И 307,9 135,00 129,42 11290 9901 42,76 1,026
12 309,1 145,91 141,81 11344 9948 42,72 1,025
13 300,6 138,91 135,00 10799 9471 43,64 1,047
14 302,4 138,91 135,00 10799 9471 43,90 1,054
Примечание. Эотн - относительная экономичность (по отношению к варианту 1).
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Глава третья
твэл по сечению кассеты) была принята тождественной отечествен-
ной кассете, внедренной на АЭС «Дукованы», что является необхо-
димым для выявления недостатков отечественной штатной кассеты и
в последующем для разработки конкурентоспособной кассеты. Осо-
бенностями зарубежного топлива является отсутствие отверстия в
топливной таблетке и уменьшенная толщина оболочки твэла 8о6 =
== 0,55 мм, а также уменьшенное в 5 раз содержание гафния в цирко-
ниевом сплаве.
В кассетах фирмы Siemens для дополнительного увеличения водо-
уранового отношения удалены шесть твэл. Топливо BNFL экономич-
нее штатного отечественного топлива на 3,8% для проектного топ-
ливного цикла АЭС «Дукованы» (вариант 2) и на 5,4% для модерни-
зированного цикла с NpK = 69 (вариант 3). Для топлива фирмы
Siemens экономические показатели еще выше Эотн = 1,045 для про-
ектного цикла (вариант 4) и Эотн = 1,061 для модернизированного
топливного цикла (вариант 5). Высокая экономичность работы зару-
бежного топлива связана с более высоким водо-урановым отношени-
ем, чем у нашего топлива. Высокое водо-урановое отношение зару-
бежного топлива получено за счет малой толщины оболочки, у зару-
бежного топлива 8об = 0,55 мм, у отечественного топлива 8об — 0,6825
мм. В этих расчетах учитывалось, что материалом оболочек твэл и
дистанционирующих решеток Российских кассет является сплав Э
110, а чехлов кассет сплав Э 125. Для кассет зарубежного производст-
ва материалом этих элементов является циркалой-4 (в расчетах кон-
стант это учитывалось).
Вторая группа вариантов (варианты 6-9) показывает повышение
экономичности при уменьшении толщины оболочки твэла до вели-
чины равной 0,55 мм (по аналогии с зарубежными вариантами). При
этом масса UO2 в твэле полагалась равной 1127 г (аналог кассеты
фирмы Siemens, варианты 3, 5), были рассмотрены варианты с do =
= 1,55 мм (аналог штатной кассеты)и 1,2 мм со 126 твэламии 120 твэ-
лами с шагом их расположения 12,4 мм. Эти результаты показывают,
что уменьшение толщины оболочки до 0,55 мм позволяет повысить
экономичность работы отечественного топлива до уровня зарубеж-
ных изготовителей топлива Э^„ = 1,065 (вариант 7, d = 1,2 мм, 8Г ~
О1М и 1
= 0,155 мм, г> п = 120 шт).
62
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
В вариантах 1, 6-9 толщина стенки РК принималась равной
1,5 мм, ТВС 2,1 мм.
На рис. 3.8 для штатной загрузки топлива в твэле (Ми02 = 1087 г)
показано изменение экономичности (АЭ0ТН — Эотн—1) от толщины
оболочки (5о6), величины газового зазора (8Г), диаметра отверстия в
таблетке (d0). Эти данные показывают, что скорость роста экономич-
ности от изменения толщины оболочки составляет не менее
83/d8o6 ~ —23,5 %/мм. Эта формула применима только для кассет со
126 твэлами.
Влияние шага твэл на изменение экономичности работы топлива
изучалось по программе БИПР-7 с библиотеками констант, рассчи-
танными по программам КАССЕТА-2 и ТВС-М. Расчеты с констан-
АЭоп/%
5 т
0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,6 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65.0,66 0,67 0,68 0,69
Рис. 3.8. Изменение экономичности использования топлива от толщины
оболочки, величины газового зазора и диаметра отверстия в таблетке:
1 — 8Г = 0,150 мм; 2 — 8Г = 0,180 мм; 3 — 8Г = 0,210 мм (d0 = 1.20 мм);
4— 8Г ~ 0,145 мм; 5 — 8Г — 0,175 мм; 6~ 8Г = 0,205 мм (d0 = 1.55 мм)
63
Глава третья
тами, определенными по программе КАССЕТА-2, показали, что уве-
личение шага твэл на Ah = 0,1 мм увеличивает экономичность на
АЭ == 0,35% (бЭ/dh ~ 3,5%/мм); расчеты с константами, определен-
ными по более точной спектральной программе ТВС-М показали,
что рост экономичности при увеличении шага почти в 4 раза меньше
83/dh - 1%/мм.
Таким образом, увеличение шага твэл в кассете при сохранении
шага кассет незначительно влияет на длительность работы загрузки,
основной эффект состоит в снижении неравномерности энерговыде-
ления по сечению кассеты.
Третья группа вариантов (варианты 10—13) показывает экономи-
ческие характеристики работы для кассет с твэлами увеличенной за-
грузки (первый этап модернизации). В результате технологических
отработок загрузка топлива в твэле увеличена на 3,5%
(GUO2 ~ Н25 г) при неизменной длине топливной части, это увели-
чивает длительность работы на 11 сут, экономичность работы топли-
ва увеличивается на 0,5% (вариант 10). Удаление шести твэл в этой
кассете (оставлены шесть трубок с протоком теплоносителя) обеспе-
чивает повышение экономичности до = 1,026 (вариант 11).
Увеличение длины топливного столба в рабочей кассете на 6—7 см
и на 10 см в ТВС позволяет за счет увеличения загрузки топлива со-
кратить количество рабочих кассет подпитки на 6 шт. (NPK = 69) и
повысить экономичность работы топлива до Эотн — 1,047 (120 твэл в
кассете, оставлены 6 трубок, вариант 13) с сохранением проектной
длительности работы (ТЭфф = 300,6 сут). Если не оставлять и трубок
твэл, то экономичность дополнительно повышается на 0,6% и со-
ставляет — 1,054 (вариант 14).
Расчетные оценки показали, что снижение доли гафния в цирко-
нии в пять раз (0,01% вместо 0,05%) повышают экономичность рабо-
ты топлива на 0,7%, и полное повышение экономичности составляет
Э0Тн = 1,061 (6,1%), что не уступает зарубежному топливу.
Успешное внедрение кассет со средним обогащением 3,82% (обо-
гащение профилировано в поперечном сечении топливного пучка) в
полных активных зонах (349 кассет) позволило начать их внедрение
и в активных зонах с кассетами экранами (313 кассет). Если для кас-
сет без профилирования обогащения коэффициенты неравномерно-
сти энерговыделения регламентировались Kq = 1,29, Кг = 1,48, Ко =
64
Нейтронно-физические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
1,93, то при внедрении профилированных кассет подход к Кг и Ко
практически не поменялся Кг = 1,48, Ко < 1,94, при этом qlmax =
= 325 Вт/см, = 58 кВт, а максимальная эксплуатационная мощ-
ность кассеты при Kq = 1,36 составила 6,58 МВт, N™xc =
= NKacc Kq-K Ккасс = 4,39-1,36-1,04-1,06 = 6,58 МВт.
65
Проектные основы теплогидравлических \
характеристик активных зон реакторов типа ВВЭР-440
ТРЕБОВАНИЯ К ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИМ
ХАРАКТЕРИСТИКАМ АКТИВНЫХ ЗОН
Основным требованием к теплогидравлическим характеристикам ак-
тивных зон реакторов ВВЭР-440 является обеспечение надежного
охлаждения активной зоны реактора в режимах нормальных условий
эксплуатации без превышения эксплуатационного предела повреж-
дения твэлов. Требования надежного охлаждения активной зоны ре-
актора конкретизируются в проекте в виде ряда проектных пределов
и условий эксплуатации, проверка и обеспечение которых является
основной целью расчетно-экспериментального обоснования в части
теплогидравлики.
Теплогидравлические характеристики активной зоны и гидроме-
ханические условия ее работы в процессе эксплуатации в проекте
рассматриваются и обосновываются во взаимосвязи с параметрами и
конструктивными особенностями реактора, который как часть про-
точного тракта теплоносителя и удерживающая активную зону кон-
струкция, формирует условия ее работы.
Теплогидравлические характеристики реакторных установок с
различными типами реакторов ВВЭР и активных зон для них с раз-
личными модификациями кассет обоснованы, оптимизированы и
приняты, исходя из следующих условий:
• удовлетворение требованиям нормативно-технической докумен-
тации, в частности, требованиям по надежности и безопасности
работы оборудования, выполнение которых является приоритет-
ной целью проектов РУ, реакторов и активных зон;
66
Теплогидравлические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
• достижение приемлемых технико-экономических показателей
энергоблоков и обеспечение их конкурентоспособности с тепло-
выми электростанциями и атомными станциями других типов.
К активным зонам предъявляются согласно нормативному доку-
менту Правила ядерной безопасности реакторных установок атом-
ных станций, ПБЯ РУ АС-89, в частности, такие требования:
• конструкция и регламент эксплуатации РУ должны обеспечивать
непревышение эксплуатационных пределов повреждения твэлов
при нормальной эксплуатации;
• конструкция, характеристики и свойства активной зоны должны
быть такими, чтобы при нормальной эксплуатации, нарушениях
нормальной эксплуатации и проектных авариях не превышались
соответствующие пределы повреждения твэлов.
Для нормальных условий эксплуатации в теплогидравлическом
проекте активной зоны реактора обосновывается выполнение тепло-
технических и гидромеханических критериев и требований:
• отсутствие кризиса теплоотдачи с поверхности твэлов с довери-
тельной вероятностью не менее 95%;
• температурные условия работы элементов активной зоны (темпе-
ратура теплоносителя на входе и выходе активной зоны, темпера-
тура наружной поверхности оболочки твэл) должны обеспечивать
работоспособность элементов активной зоны в течение всего сро-
ка эксплуатации;
• в соответствии с проектным обоснованием твэлов установлены
ограничения на максимальную мощность твэлов и максимальную
(в зависимости от выгорания) линейную мощность твэл;
• расход теплоносителя через реактор, рабочие кассеты и тепловыделя-
ющие сборки должен находиться в проектных пределах, которые
обеспечивают их надежное охлаждение и невсплытие, под действием
гидродинамических усилий со стороны потока теплоносителя, как
элементов активной зоны так и внутрикорпусных устройств реактора;
• конструкция кассет АРК и теплогидравлические характеристики
активной зоны реактора должны обеспечивать время введения ор-
ганов СУЗ в проектных пределах 8,0—12,0 секунд при срабатыва-
нии аварийной защиты;
67
четвертая
Таблица 4.1. Основные проектные параметры и условия
эксплуатации активной зоны реактора ВВЭР-440
и активной зоны в стационарном режиме работы
на шести ГЦН
Параметр Значение
Тип реактора В-230 В-213
Тепловая мощность реактора, МВт 1375±27
Давление теплоносителя на выходе из активной зоны реактора, МПа 12,26±0,2
Средняя температура теплоносителя на входе в реактор, °C 265-270
Средняя температура теплоносителя на выходе из реактора, °C 292-301 293-302
Расход теплоносителя через реактор (при температуре теплоносителя на входе в реактор), м3/ч 42000-47500 39000-43000
Перепад давления на реакторе, МПа 0,314±0,02 0,274±0,02
Расход теплоносителя через рабочую кассету и тепловыделяющую сборку АРК (при температуре теплоносителя на входе в реактор), м3/ч 100-130
Максимальная температура теплоносителя на выходе из кассет не более, °C 317,0
• конструкция контура циркуляции теплоносителя и гидравличес-
кие характеристики элементов тракта должны обеспечивать гид-
равлическую устойчивость потока теплоносителя;
• конструкция элементов активной зоны реактора должна быть та-
кой, чтобы возникновение максимальной пульсации потока теп-
лоносителя было исключено.
Основные проектные параметры и условия эксплуатации актив-
ной зоны реактора ВВЭР-440 в стационарном режиме работы при
шести работающих петлях приведены в табл. 4.1.
68
Теплогидравлические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
Таблица 4.1 (окончание)
Параметр Значение
Минимальная температура наружной поверхности оболочки твэл, °C 335,0
Максимальная эксплуатационная мощность кассеты не более, МВт • 6,39 6,58
Максимальная мощность твэл активной зоны не более, кВт 58,0
Средний линейный тепловой поток с твэла, Вт/см 129,2(144,1)*
Максимальный линейный тепловой поток с твэла, Вт/см 325,0
Коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи с поверхности твэлов (с учетом погрешности соответствую- щей доверительной вероятности 95%), не менее 1,0
* Значения в скобках даны для реакторов, в активных зонах которых установ- лены 36 кассет-экранов.
4,2
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ
ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Для проверки требований, предъявляемых к теплогидравлическим
характеристикам, выполняется расчетное обоснование теплогидрав-
лических характеристик в стационарных режимах нормальных усло-
вий эксплуатации.
69
Глава четвертая
Расчетный анализ теплогидравлических характеристик реактора
выполняется для номинальных параметров и наихудшем сочетании
(из условий охлаждения активной зоны реактора) отклонений основ-
ных параметров (мощности реактора, давления теплоносителя, тем-
пературы теплоносителя на входе в активную зону и расхода теплоно-
сителя) от номинальных значений, обусловленных работой систем
регулирования и точности их знания.
При определении номинального расхода теплоносителя через ре-
актор учитывается погрешность напорных характеристик ГЦН и по-
грешность определения гидравлических характеристик первого кон-
тура. При определении минимального и максимального проектного
расхода, для обоснования надежности охлаждения активной зоны и
определения гидродинамических усилий на элементы активной зоны
и внутрикорпусные устройства реактора соответственно, учитывает-
ся допустимая, позволяющая длительную работу ГЦН, частота сети
питания ГЦН, равная 5О,О^’о Гц.
Расход теплоносителя, охлаждающий твэлы, меньше расхода теп-
лоносителя через реактор на величину протечек, не участвующих в
охлаждении твэлов, которые находятся в пределах 6—10% (в зависи-
мости от типа реактора и конструкции кассет, которыми укомплекто-
вана активная зона) от общего расхода теплоносителя через реактор.
Для наиболее теплонапряженной кассеты проводится поячееч-
ный расчет локальных теплогидравлических параметров по сечению
и высоте твэлов.
Отсутствие кризиса теплоотдачи на поверхности твэл проверяется
по значению отношения критического теплового потока к действи-
тельному тепловому потоку. Надежное охлаждение твэла считается
обеспеченным, если минимальное отношение больше 1 с довери-
тельной вероятностью не менее 95%.
Локальный удельный тепловой поток с поверхности твэла в дан-
ной точке активной зоны определяется неравномерностью распреде-
ления энерговыделения с учетом инженерного коэффициента запаса
по тепловому потоку.
При выполнении расчетного анализа теплогидравлических харак-
теристик реактора в большом объеме используются эксперименталь-
70
Теплогидравлические характеристики активных зон реакторов типа ВВЭР-440
ные данные по коэффициентам гидравлического сопротивления, по-
лученные на моделях, головных и серийных блоках АЭС.
При переходе на комплектацию активных зон реакторов модер-
низированными кассетами, предварительно проводятся гидравличе-
ские и ресурсные испытания макетов этих кассет, результаты кото-
рых используются в расчетном анализе.
Результаты исследований, проводимых в период освоения мощ-
ности пускаемых блоков АЭС, показали соответствие (в пределах по-
грешности измерений) полученных теплогидравлических характери-
стик их проектным значениям.
71
Краткие сведения об эксплуатации кассет
реакторов малой и средней мощности
5.1
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАССЕТ РЕАКТОРА ВВЭР-1
Энергоблок введен в эксплуатацию в 1964 г.
В первые годы эксплуатации блока было выявлено относительно
большое количество негерметичных кассет. Средний прирост выго-
рания топлива за одну кампанию составил 4—5 кг шл/т U. Среднее
выгорание по выгруженным кассетам за первую—шестую кампании
составило 11,8 кг шл/т U.
Относительно высокий процент разгерметизации твэлов кассет на
энергоблоке обусловлен высоким содержанием влаги в топливе, при-
водящей к коррозионному повреждению оболочек твэлов.
При этом также активная зона реактора (табл. 5.1) использовалась
для эксплуатации опытных кассет с конструктивными решениями
для применения в последующих проектах кассет реакторов средней
мощности. Так, с первой по третью кампании были загружены в ак-
тивную зону 50 опытных кассет:
• кассеты, в которых устанавливались твэлы с технологическими
дефектами-порами на внешней поверхности сварных швов диа-
метром 0,18—0,45 мм и глубиной 0,12—0,234 мм (результаты: де-
фекты не получили развития);
• кассета с диаметром оболочки твэла 8,9—0,1 мм и толщиной обо-
лочки 0,55 мм (линейная мощность низкая 80—90 Вт/см. Кассеты
отработали 4 года);
• кассета, в твэлах которых использованы стержни из двуокиси урана
с увеличенным центральным отверстием с 1,4 до 2,6 мм в перифе-
рийных наиболее напряженных твэлах. При линейной тепловой на-
грузке 150 Вт/см и глубине выгорания до 40—50 МВт сут/кг U про-
72
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
Таблица 5.1. Условия работы кассет в активной зоне
Параметр Значение
Тепловая мощность реактора, МВт 760
Удельное энерговыделение, кВт/л Давление в реакторе, кг/см2 46 100
Число кассет в реакторе, шт. 349
Загрузка топлива в активной зоне, т 44
Обогащение загружаемого топлива, % по урану-235 Глубина выгорания, МВт сут/кг U: 2
средняя максимальная 13 19
Температура теплоносителя, °C: на входе на выходе 249 270,8
Расход теплоносителя через кассету, м3/ч 90
Средняя тепловая мощность кассеты, МВт Тепловой поток, Вт/см2: 2,54
средний в максимально напряженной кассете 34 66
филирование обогащения топлива в кассете по радиусу не рекомен-
довано;
• кассеты, в пучок которых устанавливались твэлы с увеличенной
длиной до 2475 мм. Нижняя решетка в этих кассетах — пластинча-
тая;
• кассета с двухшовной герметизацией твэлов электронно-лучевой
сваркой;
• кассеты, в твэлах которых были установлены плавкие индикаторы
температуры и давления (выгорание до 39,65 МВт сут/кг U, мак-
симальный линейный тепловой поток — 160 Вт/см);
• кассеты, твэлы которых не проходили автоклавирования;
• кассета, в которой вместо центральной трубки устанавливался твэл;
• кассеты с твэлами, в которых выполнялось профилирование цен-
трального отверстия.
73
Глава пятая
В ноябре 1970 г. в реакторе произошел обрыв креплений экрана,
защищавшего корпус реактора от радиационного облучения, и экран
сместился вниз реактора и частично перекрыл расход теплоносителя
через активную зону. Система защиты реактора сработала. Цепная
реакция деления в активной зоне остановлена. Однако отвод энерго-
выделений от твэлов кассет частично прекратился. При этой аварии
произошел пережог некоторой части кассет — 5 шт. Активность теп-
лоносителя возросла с 1 ,Зх1О~3 до 6x10“1 ku/л. Выгрузка основной
части кассет из активной зоны произведена штатными средствами.
Дефектные кассеты с нарушением закрепления головки с чехлом из-
за пережога верхней части пучка твэлов выгружались специально
разработанным устройством. На пяти кассетах отмечены значитель-
ные пережоги чехла преимущественно в верхней части кассеты (в
районе максимальных энерговыделений). После аварии произведена
реконструкция реактора. Заменены внутрикорпусные устройства ре-
актора.
После реконструкции блок успешно эксплуатировался на номи-
нальном уровне мощности. При этом энергоблок также использовал-
ся для экспериментов с опытными кассетами, включая кассеты с ра-
диальным профилированием обогащения топлива. Однако число не-
герметичных кассет продолжало оставаться высоким. Так, например,
в ППР-76 выявлено 20 негерметичных кассет. В процессе эксплуата-
ции кассет было выявлено, что узел крепления головки «С» под за-
хват штанги привода имеет слабое место, что неоднократно приводи-
ло к обрыву головки кассеты по диффузору и расцеплению привода с
кассетой. Крепление головки «С» было усилено, а в самой головке
«С» введено гнездо под байонетный захват штанги привода. В ППР-
77 обнаружено четыре разрушенных^надставки (высыпание в канал
бористых вкладышей). Крепление концевых деталей надставки с чех-
лом осуществлялось с 1969 г. точечной сваркой, при которой посадка
чехла на концевые детали не была плотной, в связи с чем узел креп-
ления чехла с концевыми деталями представлял собой как бы «шар-
нирное» соединение. От вертикальных изломов надставки и кассеты
в пределах зазоров между штангой привода и посадочными гнездами
в надставке, точечная сварка чехла с концевыми деталями разруша-
лась, что приводило к отрыву концевых деталей и высыпанию бори-
стых вкладышей. В дальнейшем точечная сварка чехла с концевыми
74
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
деталями заменена на аргоно-дуговую сварку по всему периметру и
ужесточена посадка чехла к концевым деталям.
Уровень разгерметизации кассет значительно снизился после
снижения содержания влаги в топливе и других усовершенствований
(после 1975 г.).
В период до 1977 г. проведена работа по унификации кассет в свя-
зи с возможностью осуществления перевода блока на борное регули-
рование и подпитку унифицированным топливом. Кассеты первого
энергоблока НВАЭС были сняты с производства после вывода его из
эксплуатации в 1988 г. с завершением проектного срока.
5.2
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАССЕТ РЕАКТОРА ВВЭР-2
Энергоблок ВВЭР-2 (АЭС «Райнсберг», ГДР) введен в эксплуатацию
в 1966 г.
Активность теплоносителя первого контура при пуске
5—7х10”5 ku/л, во время эксплуатации 1,5x10—4 ku/л. Основной
вклад в активность теплоносителя был от изотопа К42.
Энергоблок также использовался для проведения экспериментов,
в частности:
• выявление соответствия величины дефекта в твэле активности
теплоносителя (в твэлах кассет специально наносились фиксиро-
ванные дефекты в виде сквозных отверстий и пазов);
• отработка кластерного варианта кассет под конструкцию кассет
реактора ВВЭР-1000;
• отработка методов шумовой диагностики за аномалиями в актив-
ной зоне.
Эксперименты по шумовой диагностике заняли продолжительное
время. В работе принимали участие организации и предприятия
СССР, Венгрии, Болгарии, Чехословакии, ГДР, Польши. В качестве
инструмента использовались два поколения диагностических кассет,
оснащенных регулятором расхода воды через кассету, датчиками по
измерению температуры теплоносителя по сечению кассеты и обо-
75
Глава пятая
лочки твэла, механических вибраций и пульсаций давления, ней-
тронного потока. Перед загрузкой в реактор (первая кассета загруже-
на в 1979 г.), кассеты испытывались в стендовых условиях на пред-
приятии Шкода в г. Пльзень (ЧССР).
Кооперация предприятий стран-членов СЭВ позволила создать
уникальную конструкцию диагностической кассеты, позволяющую
успешно провести эксперименты по отработке шумовой диагности-
ки путем осцилляций мощности системой управления за мощностью
реактора и изменением расхода теплоносителя через кассету (табл.
5.2). Проект и изготовление кассет проведено на Российских пред-
приятиях, термопары типа NiCr-Ni с косвенной точкой измерения
изготавливались на НП Вальцверк Хеттштед в ГДР, пьезодатчики
производства СССР, миниатюрные камеры деления производства
Польши, калориметрический зонд производства завода Шкода
ЧССР, электронно-эмиссионные датчики производства НП Вальц-
верк Хеттштед в ГДР, система измерений давления и перепадов дав-
ления производства Венгрии, соединительные термоустойчивые ка-
бели производства СССР, регулятор расхода теплоносителя произ-
водства Шкода ЧССР. Кроме отработки метода шумовой диагности-
Таблица 5.2. Условия работы кассет в активной зоне реактора ВВЭР-2
Параметр Значение
Тепловая мощность реактора, МВт 265
Удельное энерговыделение, кВт/л 32
Давление в реакторе, кг/см2 100
Число кассет в реакторе, шт. 151
Обогащение загружаемого топлива, % по урану-235 2
Глубина выгорания, МВт сут/кг U средняя 12
Температура теплоносителя, °C:
на входе 250
на выходе 267
Расход теплоносителя через кассету, м3/ч 95
Тепловой поток, Вт/см2:
средний 30
в максимально напряженной кассете 46
76
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
ки было выявлено, что в кассетах типа ВВЭР-440 (диагностические
кассеты по исполнению твэлов и пучков твэлов имели подобие с кас-
сетами реактора ВВЭР-440) разница в температуре струй теплоноси-
теля по поперечному сечению пучка составляла 10 °C, что указывает
на отсутствие перемешивания потока теплоносителя в кассетах
ВВЭР-440.
По исчерпании проектного срока службы реактор ВВЭР-75 АЭС
«Райнсберг» выведен из эксплуатации в 1988 г.
5.3
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАССЕТ РЕАКТОРА ВВЭР-ЗМ
Энергоблок №2 Нововоронежской АЭС введен в эксплуатацию в
1969 г.
Активность теплоносителя первого контура при пуске энергобло-
ка составляла не более 5—7х10~5 ku/л, во время эксплуатации не бо-
лее 1,5х10“4ки/л. Основной вклад в активность теплоносителя дава-
ла наведенная активность за счет К42.
В первую топливную кампанию в кассетах (табл. 5.3) были зафик-
сированы дебрис-частицы, появление которых в теплоносителе пер-
вого контура обусловлено разрушением гирлянды образцов-свидете-
лей корпусной стали. Образцы-свидетели корпусной стали в виде
тонких пластинок были разнесены потоком теплоносителя по перво-
му контуру. По размерам образцы не попали в пучок твэлов кассет,
однако они застряли в нижних решетках кассет и частично перекры-
ли сечение для прохода теплоносителя. Благодаря тому, что на блоке
предусмотрена перегрузка топлива без затопления водой шахтного
объема (так называемая «сухая» перегрузка топлива), образцы-свиде-
тели корпусной стали удалось механически удалить из нижних реше-
ток кассет. Эксплуатация кассет, очищенных от дебрис-частиц, была
продолжена.
В период пятой топливной кампании (11.06.1973—19.05.1974) за-
метно повысилась активность теплоносителя первого контура. Раз-
герметизация твэлов обусловлена несколькими факторами, в числе
77
Таблица 5.3. Условия работы кассет в активной зоне реактора ВВЭР-ЗМ
Показатель Значение
Тепловая мощность реактора, МВт Удельное энерговыделение, кВт/л Давление в реакторе, кг/см2 Число кассет в реакторе, шт. Загрузка топлива в активной зоне, т Обогащение загружаемого топлива, % по урану-235 Глубина выгорания, МВт-сут/кг U: 1320 80 105 349 44 3
средняя максимальная Температура теплоносителя, °C: 28 41
на входе на выходе Расход теплоносителя через кассету, м3/ч Средняя тепловая мощность кассеты, МВт Тепловой поток, Вт/см2: 247 272,8 90 3,78
средний в максимально напряженной кассете 48 75
которых следует отметить повышенное число сбросов мощности ре-
актора более чем на 50%, перекосы энерговыделений в активной зо-
не и, как было позднее выявлено послереакгорными исследованиями
топлива негерметичных кассет, высокое содержание влаги в топливе.
В ППР-74 на блоке при проведении контроля герметичности твэлов
кассет выявлено 29 негерметичных, из них 24 кассеты проработали до
выгорания от 6,2 до 13,1 МВт сут/кг U, т.е. не более двух кампаний.
В дальнейшем разгерметизации твэлов кассет в подобных количе-
ствах не наблюдалось.
В ППР-81 впервые на блоке с корпусом реактора без нержавею-
щей наплавки проведена опытная дезактивация оборудования пер-
вого контура совместно с активной зоной и механизмами СУЗ. Тех-
нология дезактивации разработана ВТИ им. Ф.Э. Дзержинского с
участием ИАЭ им. И.В. Курчатова и ОКБ «Гидропресс». Дезактива-
78
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
ция оборудования включала обработку раствором перманганата на-
трия, затем двукратный ввод травильного раствора (ЭДТА+трилон-Б+
+ лимонная кислота + гидразин) и циркуляцию этого раствора в те-
чение 13 ч. Объем раствора составил 720 м3. В результате дезактива-
ции выведено: 2298 кюри хрома-51; 263,2 кюри кобальта-61; 271 кю-
ри кобальта-59. При этом также выведено: 89,6 кг железа; 10,5 кг
никеля; 21 кг хрома и 0,7 кг циркония. В результате дезактивации за-
траты персонала уменьшились в 1,5 раза. С целью выяснения влия-
ния дезактивирующих растворов на герметичность твэлов кассет,
кассеты оставленные на следующую 13-ю кампанию были проверены
на герметичность. Разгерметизации твэлов кассет не выявлено.
С 1985 г. активная зона стала переводиться на кассеты обогащени-
ем 2,4 и 3,6% по урану-235, т.е. на унифицированное с реакторами
ВВЭР-440 обогащение, при этом рабочие кассеты имели перфориро-
ванные чехлы (разгрузочные отверстия в верхней и нижней частях).
Перфорированные чехлы ранее применялись только в рабочих кассе-
тах, предназначенных для эксплуатации в реакторах ВВЭР-440 типа
В-213 и обоснованных для аварийных условий, связанных с разры-
вом главного циркуляционного трубопровода максимального сече-
ния Ду 500.
Также с 1987 г. в соответствии с проведенным обоснованием на
блоке стали применяться ТВС кассеты СУЗ с обогащением 3,6% со
сроком эксплуатации 4 года, а срок службы поглощающих надставок
был продлен до 20 лет, причем первые 10 лет без ревизии.
В 1988 г. был опробован режим работы блока с кассетой АРК 14-53
на нижнем упоре. С 1989 г. кассеты стали оснащаться твэлами с ис-
ходным давлением гелия под оболочкой (0,5—0,7) МПа (ранее исход-
ное давление гелия под оболочкой твэлов было атмосферным). Ис-
ходное давление гелия под оболочкой твэла повышено в связи с уве-
личением выгорания топлива с целью снижения температуры топли-
ва, уменьшения давления продуктов деления в твэле по завершении
эксплуатации кассет. В 1990 г. энергоблок 2 НВАЭС выведен из экс-
плуатации.
79
Глава пятая
5.4
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАССЕТ РЕАКТОРОВ ВВЭР-440
С 1980 г. доя всех реакторов ВВЭР-440 начато изготовление кассет по
единой документации, за исключением топлива АЭС «Ловииза» в Фин-
ляндии (отличия в способе изготовления кассет и геометрии топливных
брикетов). В 1987 году на блоки АЭС «Ловииза» стали поставляться кас-
сеты, в твэлах которых загружалось таблеточное топливо. В связи с кон-
структивными отличиями указанных типов реакторов, условия эксплу-
атации кассет в каждом типе реакторов были различными с точки зре-
ния гидродинамического воздействия на элементы и узлы кассет.
Реакторы ВВЭР-440 были спроектированы для работы в базовом
режиме эксплуатации с возможностью ограниченного участия в не-
дельном и суточном регулировании мощности электрической сети.
Проектом предусматривалась ежегодная перегрузка одной трети кас-
сет активной зоны. В выгруженной партии кассет расчетная глубина
выгорания топлива по проекту составляла 28,6 МВт сут/кг U.
Первые годы эксплуатации (с 1974 по 1979 гг.) реакторов типа В-
179 характеризовались относительно значительным количеством от-
казов по причине высокого содержания влаги и других примесей в
топливе и, как следствие, коррозионным повреждением оболочек
твэлов. После улучшения технологии изготовления топлива, в част-
ности, таблеточного варианта, процент выхода из строя топлива, на-
чиная с 1979 г., значительно уменьшился.
Ввод в эксплуатацию к 1975 г. первых блоков В-230, в особеннос-
ти на АЭС «Норд» в ГДР, АЭС «Козлодуй» в Болгарии и Кольской
АЭС в России, характерен отказом ТВС кассет АРК по причине боль-
ших вибрационных нагрузок на узлы и элементы кассет из-за превы-
шения проектного расхода теплоносителя в каналах АРК и недостат-
ков конструкции кассет, приводящих к фреттинг-износу чехла и твэ-
лов. Приведение в соответствие проекту расхода теплоносителя через
каналы АРК и модернизация конструкции ТВС кассет АРК исклю-
чило указанные повреждения.
Лучшие показатели надежной работы кассет наблюдаются в реак-
торах типа В-213. На ряде блоков не выявлено ни одного разгермети-
80
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
зированного твэла (АЭС «Пакш», АЭС «Дукованы»). На других бло-
ках отмечается низкий процент разгерметизированных твэлов
(0,00007%), что не выше лучших мировых достижений.
Однако следует отметить ряд эпизодов, связанных с отказом кассет.
На 2-м блоке АЭС «Ловииза» в период с 1992 по 1995 гг. обнаруже-
но засорение кассет смолами, попавшими в теплоноситель первого
контура от разрушенных фильтров специальной водоочистки. Попа-
дание смол в пучок твэлов привел к перегреву оболочек и, соответст-
венно, к повышенной их коррозии.
На 2-м блоке Ровенской АЭС после первого года опытно-промыш-
ленной эксплуатации в 5-годичном топливном цикле 66 рабочих кассет
(кассеты, профилированные по поперечному сечению пучка средним
обогащением 4,21%, 17 топливная кампания) в ППР-99 по результатам
КГО выявлены три негерметичные кассеты из числа кассет опытной
партии, причем одна кассета с превышением критерия отказа. Причина
отказа — попадание посторонней твердой частицы в пучок твэлов из
теплоносителя (выявлена в результате послереакторных исследований).
Данные для анализа работоспособности кассет получены из ре-
зультатов послереакторных исследований кассет с герметичными
твэлами, проработавших от трех до шести топливных циклов с раз-
личными глубинами выгорания. Получены следующие данные:
• механические и коррозионные повреждения на чехлах, головках и
хвостовиках отсутствуют. На внутренней поверхности чехлов име-
ются следы касания дистанционирующих решеток. Удлинение
чехла составляет не более 2 мм, максимальная стрела прогиба со-
ставляет 2,4 мм, угол скручивания — 0,4 градуса;
• удлинение твэлов составляет величину, пропорциональную выго-
ранию;
• диаметры твэлов уменьшаются до выгорания ~ 40-^45 МВт сут/кг
урана, а при больших выгораниях диаметр твэлов изменяется не-
значительно;
• наружная поверхность всех исследованных твэлов, как правило,
покрыта равномерной темной окисной пленкой толщиной, не
превышающей 8 мкм. В оболочках выявилось небольшое количе-
ство пластинчатых гидридов циркония, размер которых не превы-
шал 100 мкм. Содержание водорода в облученных оболочках всех
твэлов находится в пределах (3—6)х10-3% массовых;
81
Глава пятая
• механические свойства циркониевых оболочек твэлов и узлов
кассеты из нержавеющей стали сохраняют свои высокие характе-
ристики;
• выделение газообразных продуктов деления в среднем не превы-
шает 0,03% и составляет давление менее 0,3 МПа при исходном
давлении гелия 0,1 МПа;
• таблетки сохраняют исходную конфигурацию во всем диапазоне
исследованных выгораний. Пористость и распределение пор в
таблетке изменяется в сторону уменьшения от периферии к цент-
ру. Пористость и средний размер пор составляет соответственно
6% и 0,8 мкм на периферии и 3% и 1,11 мкм в центре. Температу-
ра в центре топливных таблеток исследованных кассет не превы-
шала 1500 °C;
Результаты послереакторных исследований кассет и твэлов под-
тверждают надежную их работоспособность в базовом режиме экс-
плуатации. Облученные оболочки твэлов сохраняют высокий запас
пластичности. Механические свойства оболочек твэлов после работы
в реакторе в течение пяти лет до среднего выгорания в кассете
48,95 МВт сут/кг урана существенно не отличаются от механических
свойств оболочек твэлов, которые проработали в реакторах в течение
трех лет до среднего выгорания около 32 МВт-сут/кг урана.
В связи с тем, что по тепловым нагрузкам на твэлы в реакторах
ВВЭР-440 имеется большой запас, часть блоков переводилась на
мощность выше номинальной. Так 1- и 2-й блоки Кольской АЭС экс-
плуатировались на мощности 105—107% номинальной в течение вто-
рого и третьего топливных циклов, одну кампанию на мощности
107% проработал блок Ровенской АЭС, а 1-, 2-й блоки АЭС «Ловии-
за» эксплуатируются на повышенном уровне мощности 109% номи-
нальной с 2000 г., причем на блоках АЭС «Ловииза» «малая» активная
зона (313 кассет).
При повышенном уровне мощности подогрев теплоносителя в
наиболее напряженных кассетах не превышал разрешенного для но-
минальной мощности.
82
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
5.5
МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КАССЕТ
И ТОПЛИВНЫХ циклов
Прототипы унифицированных кассет (рабочая кассета и кассета АРК)
для реактора ВВЭР-440 разработаны в 1966 г. на основе опыта проек-
тирования, эксплуатации кассет реактора ВВЭР-ЗМ (2-й блок НВА-
ЭС), изготовлены и впервые поставлены на 3-й блок НВАЭС, пущен-
ного в эксплуатацию в 1971 г. По мере накопления опыта эксплуатации
с целью повышения надежности конструкции кассет и улучшения по-
требительских качеств прототип подвергался модернизации.
Следует отметить несколько этапов модернизации:
• первый этап с 1976 по 1979 г., направлен на повышение надежно-
сти конструкции кассет;
• второй этап с 1980 по 1985 г., направлен на обеспечение требова-
ний введенных новых правил безопасности;
• третий этап с 1986 по 1995 г., направлен на повышение надежнос-
ти конструкции кассет и оптимизации топливных циклов;
• четвертый этап с 1996 по 2000 г., направлен на оптимизацию топ-
ливоиспользования;
• пятый этап с 2000 г., направлен на создание кассет второго поко-
ления с повышенными потребительскими свойствами и показате-
лями надежности (разработка кассет второго поколения).
Первый этап модернизации был направлен на исключение по-
вреждения кассет АРК, с этой целью в конструкцию кассет, включая
и рабочие кассеты, введены следующие изменения (табл. 5.4):
• в ТВС кассеты АРК увеличена толщина чехла с 1,5 мм на 2,1 мм; в
РК толщина чехла 1,5 мм сохранена;
• крепление чехла к головке и хвостовику заменено на винтовое;
• верхняя решетка стала крепиться к головке с обеспечением ком-
пенсационного зазора 8 мм между твэлами и верхней решеткой;
• введены дорнованные посадочные участки чехла для обеспечения
более плотной его посадки на головку и хвостовик (размер «под
ключ» установлен равным 140±0,2 мм);
83
Таблица 5.4. Исходные конструктивные решения узлов
рабочей кассеты, ТВС кассеты АРК и надставки
Характеристика или наименование узла Характеристика конструктивного решения Примечание
Дистанционирующая решетка Верхняя дистанционирующая решетка Крепление верхней Ячеистого типа из нержавеющей стали, без обода Фрезерованная из нержа- веющей стали, толщиной 5 мм с отверстиями 5+0,1 под верхние наконечники твэлов К чехлу фиксаторами По техническо-
дистанционирующей точечной сваркой пластин му проекту:
решетки верхней дистанционирую- винтами к го-
Размер посадочных участков головки и хвостовика, мм Размер посадочных участков чехла, мм щей решетки 141,4 ловке кассеты По техническо- му проекту
Осевая фиксация шплинтующей проволоки Компенсационный зазор для твэлов в верхней дистанциониру юще й решетке Перфорация в чехле Внутренними стенками чехла 4 мм Отсутствует- 140±0,2 Для реакторов
Толщина чехла рабочей 1,5 типа В-179 и В-230 Для реакторов
кассеты, мм Толщина чехла ТВС кассеты АРК, мм Наружный диаметр твэла, мм 00 о.-*, оо и г* гм типа В-179 и В-230
84
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
Таблица 5.4(окончание)
Характеристика или наименование узла Характеристика конструктивного решения Примечание
Вид топлива Стержни длиной 12—40 мм Таблетки длиной 8—15 мм
Наружный диаметр топлива, мм 7,48-7,58
Внутренний диаметр оболочки твэла, мм 7,7-7,8
Диаметральный зазор между топливом и оболочкой 0,12-0,32
твэла, мм
Исходное давление гелия под оболочкой твэла, МПа Атмосферное
Плотность топлива, г/мм3 10,2-10,8
Диаметр центрального отверстия в топливе, мм 1,4+0,2
Размер зерна исходного порошка, мкм 0,38-0,6
Содержание влаги в Не контролировалось
топливе, ppm (более 200 ppm)
Способ крепления чехла к Точечной сваркой По проекту:
концевым деталям аргоно-дуговой
в надставке сваркой по периметру
Герметизация концов Четырехшовная,
твэлов из которых: три шва — ЭЛС,
один — аргоно-дуговая сварка
Способ крепления твэлов в нижней решетке Шплинтующей проволокой
Высота топливного столба в твэле РК, мм 2420
Высота топливного столба в твэле ТВС кассеты АРК, 2320
мм
85
Глава пятая
• шплинтующая проволока нижних наконечников твэлов зафиксиро-
вана отгибкой концов и приваркой их к граням опорной решетки.
Одновременно в защитных трубах днища шахты реактора заглу-
шен один из четырех рядов отверстий. Это привело к уменьшению
расхода теплоносителя через кассеты АРК до 130 м3/ч.
В процессе модернизации технологии производства топлива
предпочтение было отдано таблеточному варианту, при этом были
достигнуты следующие характеристики:
• плотность — 10,3—10,8 г/см3;
• допуск на диаметр не более 0,1 мм;
• влага не более 20 ррш;
• фтор ~ 50 ppm.
Указанные изменения обеспечили повышение надежности конст-
рукции кассет, позволившие исключить вибрационное повреждение
кассет АРК и разгерметизацию твэл по причине коррозии оболочек
твэлов на внутренней поверхности.
Второй этап модернизации кассет связан с выходом новых правил
безопасности, одним из требований которых было требование по
обоснованию конструкции кассет в максимальной проектной аварии
реакторов типа В-213 — разрыве главного циркуляционного трубо-
провода Ду 500. В связи с этим введены следующие изменения в кон-
струкцию кассет:
• толщина чехла РК и ТВС кассеты АРК — 2,1 мм;
• введены разгрузочные отверстия в нижней и верхней частях чехла
РК (цель — уменьшить радиальный перепад давления теплоноси-
теля в условиях проектной аварии); -
• введен осевой компенсационный зазор не менее 25 мм для темпе-
ратурного удлинения и радиационного роста твэла;
• введена сетка в головке кассеты с целью обеспечения выхода теп-
лоносителя из пучка твэлов без турбулизации и задержки облом-
ков твэлов в пределах кассеты в случае разрушения твэлов в ава-
рийных условиях;
• введение верхней решетки по конструкции, аналогичной дистан -
ционирующей, с креплением ее к головке с помощью винтов;
• плотность топлива 10,4—10,8 г/см3;
86
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
• введена термовакуумная сушка топлива перед герметизацией и,
соответственно, обеспечение влаги в топливных таблетках и
стержнях не более 7 ppm;
• снижено количество топливной крошки в готовом твэле за счет
улучшения качества топливных таблеток.
С 1985 г. изготовление твэлов стало осуществляться на автомати-
зированной линии. Это позволило исключить большое количество
ручных операций и тем самым значительно уменьшить влияние субъ-
ективных факторов на качество твэлов, улучшить качество гермети-
зации твэлов. В этот период также проведена унификация конструк-
ции кассет и документации на кассеты для всех типов реакторов
ВВЭР-440. Кассеты для всех реакторов, за исключением АЭС «Лови-
иза», стали изготавливаться по единой документации. Достигнутое
качество кассет и твэлов обеспечило надежную их работу в условиях
реактора типа В-213 практически без разгерметизации.
Третий этап модернизации связан с обеспечением более высокого
выгорания топлива и, соответственно, удлинения срока службы кассет.
При этом в конструкцию кассет и твэлов введены следующие из-
менения:
• двухшовный вариант герметизации твэлов с помощью КСС-2
(контактно-стыковая сварка);
• исходное давление гелия в твэле 0,5—0,7 МПа вместо атмосферно-
го (повышение давления гелия в твэлах снижает температуру топ-
лива примерно на 300 °C, что уменьшает газовыделение из топли-
ва и повышает безопасность твэлов в аварийных условиях);
• на торцах топливных таблеток были сделаны фаски для исключения
крошки и улучшения перемещения топливного столба в оболочке твэл;
• плотность топливных таблеток 10,43—10,73 г/см3;
• допуск на диаметр таблетки 0,05 мм;
• вместо влаги контролируется общий водород (0,8 ppm при 800 °C);
• фтор — 20 ppm;
• хлор — 20 ppm;
• увеличено обогащение топлива до 4,4% по урану 235 (с целью пе-
ревода блоков на четырехгодичный топливный цикл с ежегодной
перегрузкой кассет 1/4 вместо 1/3 активной зоны с 1993 г. внедрен
пятигодичный топливный цикл);
87
Глава пятая
• заменен материал — нержавеющая сталь в дистанционирующих
решетках на сплав циркония (с целью уменьшения паразитного
захвата нейтронов конструкционным материалом кассет). Внед-
рение кассет с циркониевыми дистанционирующими решетками
началось с 1987 г. на 4-м блоке НВАЭС;
• изменено крепление верхней дистанционирующей решетки, при
котором дистанционирующая решетка жестко не связана с голо-
вкой кассеты (этим было исключено повреждение верхней дис-
танционирующей решетки — деформация и отрыв части ячеек);
• введено радиальное раскрепление пучка твэлов в верхней части за
счет введения широкого обода в верхней дистанционирующей ре-
шетке и пуклевок на чехле в районе широкого обода дистанцио-
нирующей решетки.
Совершенствование конструкции кассет и повышение качества
их изготовления позволили улучшить их эксплуатационные характе-
ристики: среднее выгорание при трехлетней эксплуатации
32 МВт-сут/кг урана; среднее выгорание при четырехгодичном топ-
ливном цикле 38,5 МВт-сут/кг урана; среднее выгорание при пятиго-
дичном топливном цикле 53 МВт-сут/кг урана.
Одновременно решались вопросы улучшения технологии изго-
товления топлива и циркониевого сплава, в частности:
• стабилизированы свойства порошка диоксида урана — модерниза-
ция оборудования для этого была проведена в 1992 г.;
• снижен разброс зазора топливо — оболочка за счет внедрения ус-
тановки мокрого шлифования таблеток, позволившей получить
допуск на диаметр таблетки 0,03 мм;
• стабилизирована микроструктура таблеток (зернистость, порис-
тость, открытая пористость);
• стабилизированы показатели доспекаемости топливных таблеток;
• повышена чувствительность методов контроля за счет внедрения
нового оборудования и уточнения методик контроля;
• опробована новая технология получения циркониевого сплава,
позволяющая снизить содержание гафния в нем с 0,05 до 0,01%
массовых (Опытная партия из восьми рабочих кассет, оболочки
твэлов которых были изготовлены из сплава по новой технологии,
проработали в активной зоне 4-го блока НВАЭС три года. Надеж-
88
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
ность твэлов при этом не снизилась. Циркониевый сплав с пони-
женным содержанием гафния может быть внедрен в массовое
производство. Послереакторные исследования одной кассеты из
числа кассет опытной партии подтвердили, что физико-механи-
ческие свойства оболочек твэлов из нового сплава аналогичны
оболочкам штатных твэлов.)
Четвертый этап модернизации направлен на оптимизацию топли-
воиспользования, включая:
• разработку модернизированных топливных циклов для активных
зон с 313 и 349 кассетами;
• улучшение потребительных качеств топливных таблеток, твэлов,
дистанционирующих решеток, чехловых труб в части оптимиза-
ции допускаемых отклонений в геометрических размерах, хими-
ческого состава и структуры;
• разработку исполнений комплекса кассет ВВЭР-440 с использо-
ванием рабочих кассет и ТВС кассет СУЗ с профилированием
обогащения топлива в поперечном сечении топливного пучка, с
циркониевыми дистанционирующими решетками, выгорающим
поглотителем;
• удовлетворение запросов потребителей топлива по надежности и
потребительским качествам топлива, экономичности топливных
циклов, объему и содержанию обоснования в соответствии с оте-
чественными и международными стандартами (NUREG-0800,
RG.1.70, законом № 436/1990 Чехословацкой комиссии по атом-
ной энергии от 10 октября 1990 г., финскими нормами YVL-6.2,
YVL-6.3).
В результате проведенной работы были внедрены:
• 4- и 5-годичные топливные циклы;
• загрузка кассет в активную зону со сниженной утечкой нейтро-
нов;
• максимальная величина выгорания в твэле — (50—60) МВт сут/кг U;
• кассеты с циркониевыми дистанционирующими решетками;
• профилирование обогащения топлива в поперечном сечении топ-
ливного пучка;
• выгорающий поглотитель на основе Gd2O3;
89
• возможность увеличения тепловой мощности реактора до
1500 МВт.
С учетом проведенной модернизации кассет и топливных циклов
были выиграны объявленные Чехией и Словакией тендеры на по-
ставку ядерного топлива на АЭС с ВВЭР-440 в конкурентной борьбе
с ведущими фирмами-производителями топлива.
Пятый этап модернизации направлен на создание кассет второго
поколения с повышенными потребительскими свойствами и показа-
телями надежности (разработка кассет второго поколения), включа-
ющий:
• применение 5- или 6-годичного топливного цикла;
• способ загрузки кассет в активную зону, обеспечивающий сниже-
ние утечки нейтронов;
• использование в качестве выгорающего поглотителя Gd2O3;
• оптимизацию обогащения;
• увеличение длины топливного столба;
• усовершенствование топливной таблетки (микроструктура, плас-
тичность, геометрия и др.);
• разборность конструкции РК (возможность проведения ревизии
кассет и извлечения негерметичных твэлов);
• обеспечение повышенной виброустойчивости исполнения РК и
ТВС.
Сравнительные характеристики кассет второго поколения и штат-
ных РК и ТВС кассеты АРК ВВЭР-440 приведены в табл. 5.5 и 5.6.
Таблица 55. Сравнительные характеристики штатной РК и рабочей
кассеты второго поколения реактора ВВЭР-440
Характеристика кассеты Штатная РК РК второго поколения
Размер «под ключ» чехла, мм 145_о>7 145_о,7
Толщина чехла, мм 1,4 min 1,4 min
Шаг твэлов в пучке, мм 12,2±0,15 12,3±0,12 .
Шаг дистанционирующих
решеток, мм 240 250
90
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
Таблица 5.5 (окончание)
Характеристика кассеты Штатная РК РК второго поколения
Расстояние между нижним торцом нижней решетки и
первой ДР (ЭЛС/КСС), мм 196/187 168/160
Способ крепления твэлов в Шплинтующей Упругим
нижней решетке проволокой наконечником
Способ раскрепления пучка твэлов относительно чехловой трубы Без раскрепления С раскреплением
Длина пуклевки на ячейке ДР высотой 10 мм, мм 2-3 4,5-7,5
Подкрепляющее ребро под нижней решеткой Отсутствует Имеется
Конструкция уголков нижней решетки С изгибом для при- варки к цилиндру Без изгиба
Длина твэла (ЭЛС/КСС), мм 2551/2536 2613/2608
Наличие втулки в отбойной сетке Нет Имеется
Высота ячеек ДР, мм 10 10/20
Наружный диаметр оболочки твэла, мм 9,07*$
Внутренний диаметр оболочки твэла, мм 7173+°,0б 7,73+°’06
Наружный диаметр топливной таблетки, мм 7,57_003 7’6О_Ооз
Диаметр центрального отверстия, мм 1)4+ол 1,2+о.э
Диаметральный зазор между топливом иоболочкой в холодном состоянии, мм 0,16-0,25 0,13-0,22
Высота топливного столба, мм 2420 2480
Суммарный зазор между таблетками, мм 4 2
Марка стали для пружин в головке кассеты 12Х18Н10Т ХН77
Загрузка твэла по двуокиси урана, г 1087 1141
Массовая доля гафния в цирко- ниевых материалах, %, не более 0,05 0,01
91
Глава пятая
Таблица 5.6. Сравнительные характеристики штатной ТВС и ТВС
кассеты АРК второго поколения реактора ВВЭР-440
Характеристика кассеты Штатная ТВС кассеты АРК ТВС кассеты АРК второго поколения
Размер «под ключ» чехла, мм 144,2t>35 не более 145,5
Толщина чехла, мм Шаг твэлов в пучке, мм Способ крепления твэлов в нижней решетке 12,2±0,15 Шплинтующей проволокой Irinin 12,3±0,12 Шплинтующей проволокой
Наличие пуклевок на чехловой трубе в районе верхней решетки Имеются Пуклевки на ободе верхней ДР
Длина пуклевки на ячейке ДР высотой 10 мм, мм 2-3 4,5-7,5
Гафниевая вставка в стыковочном узле Отсутствует Имеется
Наружный диаметр оболочки твэла, мм оо о о + ^1 9.07tg$
Внутренний диаметр оболочки твэла, мм 7,73+0,06 7,73+0,06
Наружный диаметр топливной таблетки, мм 7.57.0,03 7,6О_о 03
Диаметр центрального отверстия, мм 1,4+0,4 1,2+0,3
Диаметральный зазор между топливом и оболочкой в холодном состоянии, мм 0,16—0*25 0,13-0,22
Высота топливного столба, мм 2320 2360
Суммарный зазор между таблетками, мм 4 2
Тип поглотителя в верхней части топливного столба Стальной столбик высотой 100 мм Стальной столбик длиной 60 мм
Массовая доля гафния в циркониевых материалах, %, не более 0,05 0,01
92
Краткие сведения об эксплуатации кассет реакторов малой и средней мощности
Опытная партия кассет второго поколения, включающая полную
подпитку активной зоны, загружена в активную зону 3-го блока
Кольской АЭС в 2002 г.
93
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
6.1
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
Реакторная установка ВВЭР-1ООО явилась дальнейшим развитием в
нашей стране РУ ВВЭР с учетом современных достижений атомной
энергетики и требований по обеспечению безопасности. При разра-
ботке конструкции активной зоны реактора ВВЭР-1000 использовал-
ся опыт проектирования, наладки и эксплуатации активных зон ре-
акторов ВВЭР-1, ВВЭР-2, ВВЭР-ЗМ, ВВЭР-440.
В активной зоне ВВЭР-1000 впервые использовано кластерное
регулирование по типу PWR, но другого конструктивного исполне-
ния. Кластерное регулирование предопределило одноэтажность ак-
тивной зоны.
6.2
КОНСТРУКЦИЯ АКТИВНОЙ зоны,
КАССЕТЫ И ПС СУЗ ВВЭР-1000 (В-187) 5-го БЛОКА НВАЭС
В активной зоне реактора для РУ В-187 размещена 151 чехловая кас-
сета. Эквивалентный диаметр активной зоны составляет 3120 мм, вы-
сота топливной части 3530 мм. Шаг размещения — 241 мм. Из 151
кассеты 109 содержат ПС СУЗ.
Первоначально для компенсации избыточной реактивности ис-
пользовались пучки СВП в количестве 42 шт., которые располагались
по периферии активной зоны (рис. 6.1). С 23 топливной загрузки
5-го блока НВАЭС переводится на топливный цикл с УТТ.
94
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
01
02
оз
04
05
06
07
08
09
10
жгййййййййрж
— кассета с ПС СУЗ
Ш
|^j - кассета без ПС СУЗ
Рис. 6.1. Схема размещения кассет в активной зоне реактора ВВЭР-1000
(В-187)
Кассета представляет собой пучок тепловыделяющих элементов,
заключенный в шестигранный перфорированный чехол толщиной
стенки 1,5 мм и размером «под ключ» 238 мм (рис. 6.2).
Высота кассеты с ПС СУЗ или пучком СВП составляет 4665 мм.
Пучок твэл содержит 317 тепловыделяющих элементов, 12 направля-
95
Глава шестая
А-А
Рис. 6.2. Кассета ВВЭР-1000 (В-187):
1 — ПС СУЗ; 2 — плавающая шайба; 3 — голо-
вка; 4 — пучок твэл; 5 — хвостовик
ющих каналов для ПС СУЗ или пучка СВП, один канал для датчика
энерговыделений из трубы 12,6x0,85 мм и полую центральную трубу
10,3x0,65 мм.
Тепловыделяющие элементы в пучке размещены по треугольной
разбивке с шагом 12,75 мм. Внутри оболочки твэл из сплава Э-110, с
наружным диаметром 9,1 мм размещены таблетки топлива диамет-
ром 7,6 мм из обогащенной двуокиси урана.
96
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Рис. 6.3. Хвостовик кассеты с
установленным ПС СУЗ
Дистанционирование твэл осуществляется решетками сотового
(ячеистого) типа (см. рис. 6.2), закрепленными на центральной тру-
бе. Нижняя решетка крепится к хвостовику кассет (рис. 6.3) с помо-
щью уголков аргоно^дуговой сваркой.
Кассета устанавливается в стояк шахты реактора по диаметру
195 мм, опираясь шаровой поверхностью хвостовика на конусную
часть стояка. Для ориентации ее в плане на хвостовике кассеты име-
ется фиксирующий штырь диаметром 21 мм.
Шестигранная головка кассеты (рис. 6.4) имеет в своей верхней
части плиту, в которой крепятся 12 направляющих каналов ПС СУЗ
97
Глава шестая
Рис. 6.4. Головка кассеты с ус-
тановленным ПС СУЗ
(пучка СВП) и один канал для датчика контроля энерговыделений.
В плите выбраны трапецеидальные окна, через которые теплоно-
ситель выходит из кассеты. Плита имеет шесть стаканов для располо-
жения подпружиненных штырей, которые служат для предотвраще-
ния всплытия и уменьшения вибрации кассеты при работе реактора.
В верхней части головка кассеты имеет цилиндрическую втулку,
которая предназначена для дистанционирования кассеты нижней ре-
98
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
шеткой блока защитных труб и для транспортировки кассеты с помо-
щью транспортных пальцев диаметром 22 мм. Во втулке размещается
«плавающая шайба» для дистанционной перегрузки или замены ПС
СУЗ или пучка СВП. Внутри «плавающей шайбы» размещена травер-
са с элементами крепления ПЭЛ и конструктивными элементами,
обеспечивающими возможность сцепления ПС СУЗ со штангой при-
вода. Головка, хвостовик, опорная решетка и дистанционирующая
решетка выполнены из стали типа 08Х18Н10Т.
Шестигранная труба кассеты из сплава Э-125 имеет отверстия ди-
аметром 15 мм, расположенные со смещением относительно центра
грани шестигранника, что обеспечивает перекрытие отверстий со-
седними кассетами для исключения гидродинамического воздейст-
вия на твэл.
Для обеспечения быстрого прекращения ядерной реакции в реак-
торе, автоматического регулирования в целях поддержания реактора
на заданном уровне мощности и перевода его с одного уровня мощ-
ности на другой, выравнивания поля энерговыделения, компенсации
быстрых изменений реактивности путем частичного или полного
введения в зону применяются поглощающие стержни — ПС СУЗ.
ПС СУЗ состоит из 12 стержней. Стержни крепятся на пружинных
подвесках в специальных гнездах захватной головки (траверсы) для
штанги привода.
Поглащающий стержень представляет собой трубку 8,2x0,6 мм,
заглушенную концевыми деталями. Трубка и концевые детали вы-
полнены из нержавеющей стали. В кассету могут быть установлены
ПС СУЗ двух типов: с заполнением ПЭЛ карбидом бора (В4С) на пол-
ную высоту и с заполнением на половину высоты.
Высота столба поглощающего материала 3740 мм. Скорость переме-
щения регулирующих стержней в номинальном режиме 5 см/с. При ава-
рийной ситуации время опускания регулирующих стержней из крайне-
го верхнего положения до крайнего нижнего положения 3—4 с.
Стержни выгорающего поглотителя (СВП) предназначены для
выравнивания поля энерговыделения и уменьшения избыточной ре-
активности в начале кампании и размещаются в периферийных кас-
сетах с обогащением 4,4% при трехгодичном топливном цикле.
Пучок СВП устанавливается неподвижно в кассете вместо ПС
СУЗ. Конструкция пучка СВП и конструкция ПС СУЗ аналогичны.
99
Глава шестая
Внешней отличительной особенностью пучков СВП является отсут-
ствие пазов на ловителе захватной части головки для привода СУЗ.
Как указано выше, с 23 топливной загрузки пучки СВП не загру-
жаются в активную зону. Для выравнивания поля энерговыделения и
компенсации избыточной реактивности используются твэги.
6.3
КОНСТРУКЦИЯ АКТИВНОЙ зоны,
КАССЕТ И ПС СУЗ СЕРИЙНОГО РЕАКТОРА ВВЭР-1000
Конструкция активной зоны серийного реактора ВВЭР-1000 сущест-
венно отличается от своего аналога для реакторной установки В-187.
Она содержит 163 бесчехловых кассеты, размером «под ключ» 234 мм,
расположенных с шагом 236 мм. Количество кассет, содержащих ПС
СУЗ, существенно меньше. Так для головного блока реакторной уста-
новки В-302 (1-й блок ЮУАЭС) оно составляет 49 шт.
По мере развития консервативного подхода к обоснованию безо-
пасности реакторных установок количество ОР СУЗ для последую-
щих модификаций увеличивалось. Так, для РУ В-320 оно составляет
61 шт., для РУ В-392 — 121 шт.
Первоначально для выравнивания поля энерговыделения и ком-
пенсации избыточной реактивности использовались пучки СВП, ко-
торые в количестве 54 шт. устанавливались на периферии активной
зоны. В настоящее время в серийном реакторе в качестве выгораю-
щих поглотителей используется только интегрированный в топливо
гадолиний. Схема размещения кассет в активной зоне реактора при-
ведена на рис. 6.5.
Кассета состоит из ТВС и установленного в нее ПС СУЗ или пуч-
ка СВП (рис. 6.6).
ТВС состоит из пучка твэл, головки и хвостовика. Несущим эле-
ментом, соединяющим головку с хвостовиком, является каркас из
направляющих труб.
Пучок содержит 312 твэл, 18 НК для ПС СУЗ, центральную трубу,
15 ДР и нижнюю решетку.
100
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
IV
16 18 го гг 24 гв 28 зо зг 34 зе 38 40 42
II
— кассета с ПС СУЗ
- кассета без ПС СУЗ
Рис. 6.5. Схема размещения кассет в активной зоне серийного реактора
ВВЭР-1000
Твэл состоит из оболочки, верхней и нижней заглушки, топливно-
го сердечника, набранного из таблеток UO2, и пружинного или вту-
лочного фиксатора для предотвращения смещения топливного стол-
ба при транспортно-технологических операциях.
Дистанционирование твэл осуществляется ДР сотового типа. Ре-
шетки представляют собой набор ячеек, приваренных друг к другу и
101
Глава шестая
0170
Рис. 6.6. Кассета серийного реактора ВВЭР-1000
102
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
заключенных в обод, имеющий скосы для исключения возможности
зацепления с соседней кассетой при загрузке-выгрузке. На месте
центральной ячейки установлена втулка для крепления ДР к ЦТ
Центральная труба 11,2x0,8 мм служит для крепления ДР в пучке твэл
и является одновременно каналом для организации замера энерговы-
деления в кассете.
Решетки крепятся к ЦТ обжатием центральной втулки. Нижняя
решетка является опорой и местом закрепления твэл, НК и ЦТ
Материал направляющих каналов и ДР — нержавеющая сталь.
Материал центральной трубки — сплав Э-110. Нижняя решетка кре-
пится к хвостовику шестью уголками.
Конструкцией, воспринимающей осевые усилия, действующие на
кассету, является каркас, состоящий из 18 направляющих каналов,
выполненных из стальных труб 12,6x0,8 мм, закрепленных на ниж-
ней решетке посредством сварки. Для подкрепления нижней решет-
ки 8 = 18 мм в хвостовике имеется опорная конструкция, состоящая
из пяти ребер.
Головка кассеты содержит неподвижную часть, которая привари-
вается к каркасу направляющих труб, и подвижную, которая соеди-
няется с неподвижной тремя несущими винтами. Между этими дву-
мя частями установлено 15 пружин для поджатия кассеты в реакторе.
Кроме того, имеется подпружиненный шток для частичного демпфи-
рования падения ПС СУЗ.
Величина предварительного и рабочего поджатия пружин выбра-
на из условия удержания кассет от всплытия. Максимальное усилие
поджатия пружин свежих ТВС не должно превышать FTBC такс (по ус-
ловию устойчивости ТВС). Ход пружин при установке блока
защитных труб и зажатии кассет крышкой реактора равен 12 мм
(рис. 6.7).
ПС СУЗ состоит из 18 поглощающих элементов, которые крепят-
ся на пружинных подвесках на захватной головке, обеспечивающей
сцепление ПС СУЗ ею штангой привода (рис. 6.8).
Поглощающий элемент представляет собой трубку из нержавею-
щей стали диаметром 8,2 мм и толщиной стенки 0,6 мм, заполненную
поглощающим материалом и заглушенную с двух концов концевыми
деталями. В качестве поглощающего материала используется карбид
бора (В4С) с плотностью не менее 1,7 г/см3.
103
Уровень торцевой поверхности головок кассет после поджатия их БЭТ при уплотнении реактора ВВЭР-1000
Серийная ТВС Гибридная ТВС Усовершенствованная ТВС
Глава шестая
Рис. 6.7. Схема расположения головок серийной, гибридной и усовершенствованной кассет в
реакторе
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Рис. 6.8. Поглощающий
стержень СУЗ (ПС СУЗ):
1 — гайка; 2 - головка ПС СУЗ;
3 — пружина; 4 — оболочка; 5 —
утяжелитель; 6 - пробка; 7 -
поглощающий элемент
Рис. 6.9. Пучок СВП
105
Глава шестая
1
Рис. 6.10. Твэл:
1 — заглушка верхняя; 2 - оболочка;
3 — фиксатор; 4 — таблетка топлива;
5 ~ проставка; 6 — заглушка нижняя
Поток теплоносителя для охлаж-
дения ПЭЛ организован при помо-
щи четырех боковых отверстий диа-
метром 2 мм и одного центрального
отверстия диаметром 4,5 мм в нако-
нечниках НК (направляющих кана-
лов).
Для выравнивания поля энерго-
выделения при трехгодичной кам-
пании в периферийных кассетах ус-
танавливаются пучки стержней с
выгорающим поглотителем. Конст-
рукция их аналогична конструкции
ПС СУЗ. В отличие от ПС СУЗ пуч-
ки СВП неподвижны в кассете.
Оболочки СВП выполнены из цир-
кониевой трубки 9,15x0,715 мм. Ма-
териал выгорающего поглотителя
диборид хрома в матрице из алюми-
ниевого сплава (Сг В2 + ПС-80)
(рис. 6.9). В пучке СВП стержни
крепятся без пружинной подвески.
После создания уран-гадолиние-
вого топлива в активной зоне серий-
ного реактора пучки СВП не ис-
пользуются. Вместо этого использу-
ются твэги, конструкция которых
аналогична конструкции твэла. От-
личие заключается только в том, что
в состав топливной матрицы твэгов
внедрен гадонилий.
Для транспортировки кассет и
для исключения углового рассогла-
сования между направляющими ка-
налами кассеты и каналами БЗТ на
обечайке головки имеются две
шпонки.
106
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Твэл состоит из следующих частей: заглушка верхняя, оболочка,
заглушка нижняя, топливный сердечник, набранный из таблеток
UO2 и фиксатора (рис. 6.10). Материал оболочки и заглушек — сплав
Э110.
Для предотвращения смятия оболочки в процессе эксплуатации
внутренний объем твэла заполняется гелием под давлением
(2,00±0,25) МПа. Герметизация твэла осуществляется сваркой. Для
снижения давления газообразных продуктов деления под оболочкой,
выделяющихся в процессе эксплуатации, в верхней части твэл преду-
смотрен компенсационный объем. Фиксация топливного столба от
действия транспортно-технологических нагрузок осуществляется
фиксатором.
Верхняя заглушка твэла предусматривает возможность сцепления
с захватом устройства извлечения — установки твэла. Нижний нако-
нечник устанавливается в нижнюю решетку и крепится шплинтов-
кой. Тепловое и радиационное удлинение твэлов обеспечивается на-
личием зазора между верхним торцем твэлов и решеткой головки
ТВС.
Конструкция ДР — сотового типа, аналог ДР ВВЭР-440 и В-1000
(В-187). Отличается высотой, размером «под ключ», конструкцией
обода (рис. 6.11). Ячейки решетки имеют шестигранную форму с
пуклевками по трем углам, расположенными через 120°, для дистан-
ционирования твэла. Профиль пуклевок ячейки ДР и их упругоплас-
тические свойства обеспечивают закрепление твэлов в пучке.
Обод ДР выполняет следующие функции:
• стягивает поле ячеек ДР в шестигранную форму;
• за счет скосов под углом 30° обеспечивает отсутствие зацепления
ТВС с транспортно-технологическим оборудованием и соседни-
ми ТВС при загрузке-выгрузке. ДР крепятся на центральной тру-
бе за счет вдавливания центральной втулки в пазы центральной
трубы, аналогично креплению ДР ВВЭР-440. Материал ДР — не-
ржавеющая сталь,центральной трубы — ЭНО.
Направляющий канал кассеты состоит из нержавеющей трубы
12,6x0,85 мм с приваренным наконечником, который крепится в
нижней опорной решетке сваркой. Для протока теплоносителя, ох-
лаждающего ПЭЛ (или СВП), в наконечнике имеется четыре отвер-
107
Глава шестая
20 х 12,75 = 255
Рис. 6.11. Решетка дистанционирующая
стия. НК приваривается к головке и таким образом НК совместно с
ДР несущей конструкцией ТВС.
Общие конструкторские решения базовых вариантов кассеты
В-302 и В-320:
• принятие для всех базовых вариантов однотипности в конструк-
ции кассет (ТВС + ПС СУЗ или пучок СВП);
• в качестве органов управления и защиты применяется ПС СУЗ, в
качестве выгорающего поглотителя — пучок СВП;
• ПС СУЗ, находясь в направляющих каналах ТВС и блока защит-
ных труб, не подвергается воздействию потока теплоносителя.
• направляющие трубы с ДР образуют несущий каркас ТВС.
108
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
6.4
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
И СБОРКИ КАССЕТ
Технологические особенности изготовления и сборки ТВС
ВВЭР-1000 относительно ТВС ВВЭР-440 определялись выше приве-
денными конструктивными отличиями, а также весовыми и размер-
ными характеристиками. Поэтому на заводе ОАО МСЗ (г. Электро-
сталь) был построен новыйцех и установлено новое оборудование.
Несмотря на идентичность конструкции пучков твэл ТВС
ВВЭР-1000 и ВВЭР-440 появилась проблема при их сборке — резко
повысилось усилие при проталкивании твэл через решетки, с образо-
ванием недопустимых надиров на поверхности оболочек.
Была разработана новая технология с применением капролоно-
вых съемных наконечников, которая решила эту проблему. Кассеты
для первой загрузки активной зоны В-187 изготавливались и постав-
лялись ОАО МСЗ.
В дальнейшем вся документация была передана ОАО НЗХК, кото-
рый в дальнейшем стал изготавливать ТВС ВВЭР-1000 В-187, а также
серийные ТВС ВВЭР-1000.
В процессе изготовления усовершенствовалась и технология. На
заводе была изготовлена установка по автоматической сборке пучков
твэл (установка твэл в каркас пучка), что повысило качество и произ-
водительность.
Процесс сборки кассет В-187 осуществлялся в такой последова-
тельности.
Дистанционирующие и нижняя решетки устанавливаются на сбо-
рочном стенде и фиксируются на центральной трубе. После установ-
ки направляющих каналов осуществляется сборка пучка твэл. Сбор-
ку твэл в пучок допускается производить с капролоновым наконеч-
ником. Для обеспечения сборки были установлены следующие тре-
бования. Люфт элементов, в ячейках дистанционирующих решеток
не допускается. При обнаружении люфта допускается обжатие ячеек
дистанционирующих решеток. Люфт отдельных элементов в ячейках
дистанционирующих решеток допускается не более 30 мкм. Кон-
109
Глава шестая
—
троль производится щупом по периферийным рядам элементов в со-
бранном пучке. Люфт одного и того же элемента в двух соседних ре-
шетках не допускается. Глубина рисок, полученных на элементах при
сборке, не должна превышать 30 мкм.
Дальнейшая сборка идет в следующей йоследовательности:
• присоединение хвостовика с помощью приварки уголков нижней
решетки;
• очехловка пучка твэл трубой шестигранной;
• крепление трубы шестигранной к хвостовику;
• присоединение головки к трубе шестигранной;
• контровка крепления трубы шестигранной к головке и хвостовику.
ТВС комплектуется ПС СУЗ или пучком СВП.
Процесс сборки серийных и гибридных кассет ВВЭР-1000 осуще-
ствляется так:
• на центральной трубе закрепляется 15 дистанционирующих реше-
ток с заданным шагом;
• на горизонтальном стенде в решетки устанавливаются 18 направ-
ляющих каналов 12,6x0,8 мм, наконечники которых приварива-
ются к нижней опорной решетке;
• осуществляется набивка пучка твэл и шплинтовка наконечников
твэл с прихваткой шплинтующей проволоки сваркой к опорной
решетке или раскрытие усиков наконечников твэл;
• производится сварка уголков нижней опорной решетки с хвосто-
виком, при этом решетка должна прилегать к ребрам опорной
конструкции хвостовика.
Сборка головки кассеты серийной производится следующим об-
разом:
• устанавливаются пружины и центральный шток;
• тремя винтами соединяется подвижная обечайка с плитой, имею-
щей отверстия для прохождения каналов и устанавливается пред-
варительное поджатие пружин;
• на втулку штока устанавливается шайба диаметром 46 мм, которая
приваривается в трех точках к головкам несущих винтов, фикси-
руя последние от отворачивания.
110
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Сборка кассеты серийной заканчивается приваркой направляю-
щих каналов к трубам 16x1,4 мм неподвижной части головки, после
чего производится зачистка всех сварных швов.
Сборка головки кассеты гибридной производится в такой после-
довательности:
• устанавливаются и крепятся сваркой к опорной плите три шпильки;
• в коническую обечайку в упор сверху вставляется центральная
труба, на которую снизу устанавливается гайка и приваривается к
нижнему торцу трубы;
• в коническую обечайку устанавливаются 18 труб с цанговыми за-
хватами под направляющие каналы;
• на трубы устанавливаются втулки и пружины;
• устанавливаются подвижная плита и цилиндрическая обечайка
под верхней плитой;
• с помощью гаек, навинчиваемых на шпильки, осуществляется
предварительное поджатие пружинного блока головки кассеты;
• гайки на шпильках контрятся сваркой.
Сборка кассеты гибридной заканчивается установкой головки
кассеты на направляющие каналы пучка твэл. Для этого головка ус-
танавливается на каркас ТВС, происходит сцепление цанговых за-
хватов с направляющими каналами и опускание конической обечай-
ки, блокируются цанговые захваты от раскрытия.
Устанавливается габаритная длина кассеты и на торцы труб с цан-
гами устанавливаются и обвариваются втулки.
В соответствии с требуемой комплектацией в кассету может быть
установлен ПС СУЗ или пучок СВП.
В дальнейшем технология сборки пучка твэл была значительно
усовершенствована.
6.5
ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Начиная с 1980 г. с учетом перехода в 1986 г. на трехгодичную кампа-
нию и по 2002 г. конструкция кассет В-187 успешно проходит эксплу-
111
Глава шестая
атацию. За этот период достигнуто среднее выгорание около 40 Мвт
сут/кг урана и максимальное выгорание около 44,5 Мвт сут/кг урана.
За это время проведены следующие изменения в конструкции
ТВС с точки зрения повышения надежности, безопасности и унифи-
кации отдельных узлов с ТВС серийного ВВЭР-1000:
• поглотитель в ПЭЛ двуокись европия заменен на карбид бора;
• произведен переход с нержавеющих ДР на циркониевые;
• унифицирован твэл с твэлом серийной бесчехловой кассеты;
• верхняя нержавеющая ДР, крепящаяся к головке (по аналогии с
ВВЭР-440) заменена на циркониевую ДР, крепящуюся на цент-
ральной трубе (по типу серийной кассеты).
В течение 10 лет (с 1982 по 1992 г.), включая период перехода на
трехгодичную кампанию, конструкция бесчехловых ТВС успешно
эксплуатировалась на 17 блоках серийного ВВЭР-1000.
За этот период: достигнуто среднее выгорание около
45 МВт сут/кг урана; из 8,5 тыс. проверенных ТВС, 193 признаны не-
герметичными (это составляет 0,0072%), досрочно выгружено 8 ТВС;
170 ТВС успешно работали 4 года.
Первоначально все реакторы эксплуатировались в двухгодичном
топливном цикле, затем, начиная с 1989 г., большинство реакторов
переведены на трехгодичный топливный цикл, кроме 1-го блока
Южноукраинской АЭС и 5-, 6-го блоков АЭС «Козлодуй».
Начиная со второй половины 1992 г., были зафиксированы нару-
шения в работе ОР СУЗ на большинстве блоков с ВВЭР-1000. Нару-
шение состояло в превышении времени падения ОР СУЗ до низа ак-
тивной зоны более 4 с, принятых проектом, или зависания ОР СУЗ в
нижних зонах при срабатывании аварийной защиты и плановом ос-
танове энергоблоков.
Исследования прямолинейности направляющих каналов кассет
на энергоблоках 2, 3, 4 Балаковской АЭС и 1-м блоке Калининской
АЭС показали, что все кассеты имеют искривление направляющих
каналов ПС СУЗ.
Анализом измерений на вышеуказанных блоках было установле-
но, что величины поджатия головок кассет на этих реакторах превы-
шают установленные проектом значения, что и привело к потере осе-
вой устойчивости многих кассет.
112
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
По мнению комиссии, занимавшейся выяснением причин зати-
рания ОР СУЗ, основной вклад на превышение величины поджатия
головок кассет при сборке реактора внесли два фактора:
1. Отклонение от проектных значений высоты БЗТ и шахты реак-
тора.
2. Отклонение от плоскостности опорной поверхности стояков
шахты реактора, что привело к значительным отклонениям повысот-
ного положения кассет.
Первое мероприятие, которое дало положительный результат по
снижению величины поджатия головок кассет, а следовательно, при-
вело к положительным результатам в работе ОР СУЗ, это доработка
БЗТ на 2-м и 3-м блоках Балаковской АЭС.
На основании полученных результатов комиссия предложила на
всех действующих энергоблоках провести работы в соответствии с
комплексной программой:
• проработать и внедрить пружинный блок головки кассет, имею-
щий меньшую жесткость пружин и больший ход;
• ускорить разработку и внедрить ОР СУЗ с повышенной массой.
Для замены ОР СУЗ на модернизированные (утяжеленные), опе-
режая разработку гибридных кассет, велась разработка, изготовление
и экспериментальная проверка утяжеленных ОР СУЗ.
Краткое описание модернизированных ОР СУЗ: ОР СУЗ
(рис. 6.12) состоит из штанги привода и ПС СУЗ. ПС СУЗ состоит из
18 поглощающих элементов, закрепленных на несущей головке.
Основные конструктивные технические решения, заложенные
при модернизации ОР СУЗ для повышения надежности срабатыва-
ния аварийной защиты по сравнению с серийным ОР СУЗ, заключа-
ются в следующем:
• увеличена масса ПС СУЗ с 16 до 18,5 кг, за счет увеличения массы
ПЭЛ и головки ПС СУЗ;
• увеличена масса штанги привода с 13 до 14,1 кг;
• общая масса ОР СУЗ увеличена с 29 до 32,6 кг;
• введены разгрузочные отверстия в штанге привода с целью ис-
ключения поршневого эффекта взаимодействия штанги с датчи-
ком положения привода в процессе падения ОР СУЗ.
113
Глава шестая
LUtqhcq приводо C9j
Увеличена толщина трубы
с 2 мм до 4,5 мм
Втэлко-
утяжелитель
Карбид бора
Титанат
диспрозия
Стеожень-
ятяжелитель
Рис. 6.12. ОР СУЗ:
1 — штанга привода СУЗ; 2 — втулка-утяжелитель; 3 — стержень-утяжелитель; 4 — кар-
бид бора; 5 — титанат диспрозия
Основой для модернизации ПЭЛ был принят разработанный в на-
чале 90-х годов ПЭЛ с комбинированным поглотителем, состоящим
из карбида бора в верхней части и титаната диспрозия в нижней час-
ти (-300 мм). Так как удельный вес титаната диспрозия больше удель-
ного веса карбида бора, то такая замена поглотителя в сочетании с
введением в компенсационный объем стального утяжелителя позво-
лила увеличить массу ПЭЛ с 0,8 до 0,95 кг.
Начиная с 1995 г. проводилась замена «облегченных» ПС СУЗ на
модернизированные на блоках ВВЭР-1000.
114
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
6.6
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СЕРИЙНЫХ ТВС
НА ДЕЙСТВУЮЩИХ БЛОКАХ
Проблемы 1992 1994 гг. с недостаточной надежностью срабатывания
аварийной защиты ВВЭР-1000 потребовали более тщательного изу-
чения формы ТВС в процессе выгорания. Из результатов рассмотре-
ния этого вопроса на специальных семинарах МАГАТЭ следует, что
изменение формы есть типичное явление для ТВС ВВЭР и PWR.
Существо явления заключается в том, что при изменении формы
ТВС увеличивается трение между направляющими каналами и пуч-
ком стержней СУЗ (ПС СУЗ) таким образом, что время ввода ПС
СУЗ может превышать первоначально установленное в проекте. Дру-
гим аспектом вопроса является появление водяных полостей в актив-
ной зоне, превышающих установленные в проекте. В этом смысле
более легкий ПС СУЗ является диагностическим средством, свиде-
тельствующим о появлении таких зазоров.
В 1995—1996 гг. проводилась интенсивная работа по изучению
этих явлений, их устранению и обоснованию теплотехнической на-
дежности активной зоны ВВЭР с учетом реально возможных искаже-
ний ее формы. Эта работа велась прежде всего для действующих бло-
ков. С учетом этого осуществлялась и модернизация топлива.
Главный фактор искривления — высокие осевые нагрузки на ТВС.
Для его устранения проведены доработки практически на всех блоках
с ВВЭР-1000. Это, а также другие мероприятия дали положительный
результат: в 1995 году нарушений в срабатывании аварийной защиты
практически не наблюдалось.
Для повышения надежности аварийной защиты, кроме указанных
работ, разработан и внедрен вариант конструкции ТВС, обеспечива-
ющий уменьшенные статические и динамические нагрузки на ТВС.
Вариант конструкции заключается в том, что для серийной ТВС
применяется усовершенствованная головка с индивидуальным под-
жатием ЦК и более мягкой характеристикой пружин с увеличенным
ходом (см. рис. 6.7).
115
Глава шестая
Демпфирование ОР СУЗ осуществляется не одной пружиной, как
в серийной ТВС, а 16 пружинами. Этот вариант головки применен из
проекта усовершенствованной кассеты (УТВС), который был разра-
ботан ранее. Это, а также некоторые другие заимствованные от УТВС
и примененные в серийной ТВС решения стали основой так называ-
емой гибридной (модернизированной) кассеты, о которой речь идет
ниже.
6.7
КОНСТРУКЦИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ
ГИБРИДНОЙ КАССЕТЫ ВВЭР-1000
За основу гибридной кассеты (рис. 6.13) принята серийная кассета
ВВЭР-1000.
Отличия гибридной кассеты от серийной заключаются в следую-
щем: новая конструкция головки (см. рис. 6.7); разборность кассеты
(головка съемная); крепление твэл в нижней опорной решетке осу-
ществляется раскрытием усиков наконечников; направляющие кана-
лы в верхней части содержат втулки под цанговые захваты.
Головка кассеты состоит из цилиндрической обечайки, соединен-
ной с верхней плитой, подвижной плиты, блока пружин и коничес-
кой обечайки, содержащей опорную и нижнюю плиты. Сквозь отвер-
стия в четырех плитах проходит 18 труб с цанговыми захватами, с по-
мощью которых осуществляется соединение головки с направляю-
щими каналами. Между подвижной плитой и опорными втулками,
упирающимися в бурты на трубах с цанговыми захватами, установле-
ны 15 пружин.
Три пружины из периферийного ряда установлены на трубах меж-
ду верхней плитой и шайбами с опорными втулками, упирающимися
в бурты на трубах с цанговыми захватами, и проходят свободно
сквозь отверстия в подвижной плите. Центральная пружина установ-
лена между подвижной плитой и опорной плитой конической обе-
чайки. Между верхней и конической обечайкой установлены три
шпильки, служащие для обеспечения предварительного поджатия
116
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Рис. 6.13. Кассета модерни-
зированная (гибридная)
117
Глава шестая
пружин. Ограничителями перемещения конической обечайки вниз
являются нижние бурты на трубах с цанговыми захватами, в которые
упирается нижняя плита обечайки.
В головке, установленной на пучок твэл, между опорными втулка-
ми и опорной плитой имеется зазор.
Такая конструкция головки кассеты обеспечивает:
• удержание кассеты от всплытия с помощью 19 пружин;
• демпфирование падения ОР СУЗ с помощью 16 пружин;
• постоянное прижатие цилиндрической обечайки к гнезду блока
защитных труб, в том числе и в процессе демпфирования падения
ОР СУЗ;
• уменьшение жесткости и рабочего усилия пружинного блока и,
как следствие, уменьшение осевой нагрузки на направляющие ка-
налы по сравнению с кассетой серийной;
• компенсацию температурных удлинений и других возможных из-
менений длины направляющих каналов в процессе эксплуатации
кассеты;
• компенсацию неравномерности температурных и других возмож-
ных изменений длины направляющих каналов за счет их индиви-
дуального поджатия пружинами и наличия Зазора между опорны-
ми втулками и опорной плитой конической обечайки. За счет ука-
занной компенсации возможной неравномерности удлинений на-
правляющих каналов обеспечивается исключение возникновения
неравномерных осевых нагрузок на направляющие каналы, ис-
кривляющих каркас кассеты;
• запас хода пружинного блока до жесткого нагружения не менее
10 мм при поджатии кассеты блоком защитных труб в реакторе.
Как уже было указано выше, эти-решения были позаимствованы
из конструкции УТВС. В дальнейшем по мере доработки конструк-
ции УТВС многие решения были распространены на гибридную кас-
сету. Так, например, был существенно улучшен узел крепления ниж-
ней решетки с хвостовиком. Была повышена надежность узла фикса-
ции твэл в нижней решетке. Эти два усовершенствования вызваны
случаями, когда были обнаружены повреждения некоторых перифе-
рийных твэл, вышедших из нижней решетки. В результате этого су-
щественно улучшена «обтекаемость» нижнего узла, уменьшающая
механическое взаимодействие с соседними ТВС.
118
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Следует отметить, что конструкция гибридной кассеты с учетом
указанных усовершенствований показала высокую надежность и ос-
тается в эксплуатации. Замена этих кассет обусловлена только боль-
шим паразитным захватом нейтронов элементами конструкции из
нержавеющей стали.
6.8
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ УТВС
Совершенствование конструкции серийной ТВС ВВЭР-1000
Следуя мировой тенденции, ТВС серийного ВВЭР-1000 изначально
была выполнена бесчехловой для обеспечения лучшего перемешива-
ния теплоносителя. Эти ТВС эксплуатируются с 1982 г. и являются
ближайшими прототипами усовершенствованных ТВС (УТВС).
Развитие конструкции активных зон шло в направлении повыше-
ния экономичности топливных циклов. Это могло быть обеспечено в
первую очередь применением циркония в качестве конструкционно-
го материала. Такая задача была поставлена при разработке УТВС.
Прототипы конструкции УТВС
Базовым проектом для УТВС явился проект серийной ТВС с нержа-
веющими НК и ДР. Для накопления опыта эксплуатации достаточно
высоконапряженной активной зоны топливо первых блоков ВВЭР-
1000 работало в режиме двухгодичной кампании со средней и макси-
мальной глубинами выгорания, соответственно, 28,5 и 30 МВт сут/кг
урана. В дальнейшем осуществлен переход на трехгодичный топлив-
ный цикл со средней глубиной выгорания 40,1 МВт сут/кг урана.
К 2003 г. накоплен опыт эксплуатации более 600 кассет ВВЭР-1000
трехгодичной кампании в течение четырех топливных циклов до глу-
бин выгорания порядка 49 МВт сут/кг урана.
Основные технические решения перешли в новый проект и его
опытные образцы. Основой использования базового проекта явилось
применение в УТВС серийных твэл.
Глава шестая
Конструкция УТВС (рис. 6.14)
Разработка УТВС, которая предопределялась необходимостью улуч-
шения топливных циклов, совпала с решением проблемы нарушения
в работе аварийной защиты на ВВЭР-1000, связанной с задержкой
времени падения или недохода ОР СУЗ в серийных ТВС. Поэтому в
ее конструкции были учтены все сформулированные на этот момент
требования, повышающие надежность аварийной защиты.
Усовершенствования, реализованные в конструкции УТВС
Замена материала НК и ДР на цирконий привела к появлению новых
решений по конструкции УТВС:
• цанговое соединение нержавеющей головки с циркониевыми НК
(ЦНК) обеспечило съемность головки УТВС;
• увеличенный ход пружинного блока УТВС для компенсации раз-
личия коэффициентов линейного расширения ЦНК и нержавею-
щих ВКУ, допусков на поджатие ТВС в реакторе;
• уменьшение жесткости пружинного блока относительно серийно-
го проекта и оптимизация усилий поджатия УТВС в реакторе;
• введение подвижной плиты в головке УТВС обеспечило демпфи-
ровние ОР СУЗ 16 пружинами при сохранении сопряжения голо-
вки УТВС с гнездом БЗТ (с помощью трех пружин);
• конструктивное обеспечение индивидуальности поджатия ЦНК
пружинами компенсирует неравномерность радиационного и
температурного роста ЦНК;
• увеличение наружного диаметра ЦНК до оптимальной величины
13 мм обеспечило сохранение достаточной жесткости УТВС и ее
нормальную собираемость;
• отработанная на НЗХК ЦДР обеспечивает в конструкции боль-
ший диапазон упругого взаимодействия с твэл, чем в серийной
ТВС с нержавеющими ДР. Причем, существенно уменьшено ос-
лабление натяга твэл в ДР, когда за счет разных температурных
расширений нержавеющая ячейка увеличивала свой проходной
диаметр больше, чем увеличивался в диаметре твэл;
• отработана и оптимизирована с учетом множества влияющих тем-
пературных, радиационных, деформационных и технологических
120
Рис. 6.14. Конструкция УТВС
12,73
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Глава шестая
факторов пружина из сплава ХН77ТЮР для головки УТВС. Впер-
вые в проектах ТВС оценена по результатам экспериментальных
исследований и учтена релаксация пружин головки УТВС;
• увеличена высота ребер головки ПС СУЗ и обоснована их проч-
ность с учетом принятых ранее для серийного проекта решений
по утяжелению и улучшению гидродинамики штанги привода
СУЗ;
• оптимизированы диаметры входных отверстий в наконечниках
ЦНК по условиям достаточности охлаждения ПС СУЗ и СВП, а
также улучшения динамики перемещения ПЭЛ в НК. При этом
значительно улучшилась работоспособность приводов СУЗ вслед-
ствие уменьшения перепада давления на ПЭЛах, находящихся в
ЦНК, и уменьшилась зависимость времени падения ОР СУЗ от
количества работающих ГЦН;
• разработана конструкция центрального измерительного канала
УТВС для обеспечения введения в него датчика системы КНИТ и
представительности его измерений.
Основные результаты опытной эксплуатации
усовершенствованных кассет
Внедрение усовершенствованных сборок предопределялось необхо-
димостью улучшения топливных циклов. Оно же являлось решаю-
щим конструктивным мероприятием для обеспечения проектного
времени срабатывания АЗ за счет, прежде всего, страховки от осевой
перегрузки кассет.
Эксплуатация новых усовершенствованных ТВС осуществляется
с 1993 года. Первая партия кассет в шесть штук эксплуатировалась в
течение пяти календарных лет (06.93—07.98 гг.), вторая — четырех лет
(11.95-09.99 гг.).
В дальнейшем было загружено еще три партии на 1-м блоке Бала-
ковской АЭС в общем количестве 120 штук.
Основные результаты эксплуатации на базовом блоке (1-й блок
Балаковской АЭС) заключаются в том, что все кассеты герметичны.
Время срабатывания АЗ составляет 1,7—2,3 с (при проектном меньше
4 с).
122
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Однако визуальный осмотр первых партий кассет выявил факты
смещения ДР от номинального расположения, которые проявились
и на других блоках с УТВС, в связи с чем в конструкцию были введе-
ны страховочные упоры на центральной трубе и НК.
Недостатки конструкции УТВС,
проявившиеся в опытно-промышленной эксплуатации
Несмотря на положительные результаты эксплуатации первых пар-
тий по мере увеличения количества УТВС на блоках и увеличения
выгорания в конструкции проявились два основных недостатка.
Первый заключается в недостаточной изгибной жесткости УТВС.
Вторым недостатком являлась возможность осевого смещения ДР
после двух лет эксплуатации, что и наблюдалось на подавляющем
большинстве УТВС.
Представляется поучительным проанализировать природу этих
недостатков.
Как уже было указано выше, конструкция УТВС создавалась на
базе серийных кассет. Соответственно, была воспроизведена геомет-
рия этих кассет. Известно, что механические свойства циркониевого
сплава, который был выбран в качестве конструкционного материа-
ла (НК и ДР), существенно уступают свойствам нержавеющей стали.
Для доказательства прочности и устойчивости УТВС с циркониевы-
ми конструктивными элементами было проведено большое количе-
ство механических и ресурсных, включая 7-кассетный стенд высоко-
го давления, испытаний. Было установлено, что, как и для нержаве-
ющей кассеты, каркас, состоящий из не связанных жестко между со-
бой трубок, не может держать осевую нагрузку (потеря устойчивости
происходила при осевом усилии -400 кгс). Следовательно, осевая ус-
тойчивость кассет (критическая сила более 4 тс) обеспечивается за
счет подкрепляющего влияния пучка твэл.
И только после длительных анализов, основанных на результатах
эксплуатации, было констатировано, что нарушение прямолинейно-
сти формы кассет обусловлено совокупностью факторов, включаю-
щих неравномерность радиационного и термического роста элемен-
тов кассеты. В результате наряду с подкрепляющим влиянием пучок
твэл оказывает изгибающее влияние на кассету в целом.
123
Глава шестая
Средством борьбы с этим может быть только плотная упаковка
кассет в активной зоне. Однако плотность упаковки может отрица-
тельно сказаться на проведении перегрузки активной зоны. Оптими-
зация соотношения плотности упаковки и величины деформации
кассет является сложным и длительным процессом, поэтому даль-
нейшее усовершенствование конструкции идет путем создания и
внедрения кассет с жестким каркасом ТВС-2.
Второй основной недостаток конструкции УТВС (смещение ДР)
был основан на ошибочных предпосылках о взаимодействии ДР с
пучком твэл в целом. Эти предпосылки, в свою очередь, основыва-
лись на некоторых результатах эксплуатации кассет ВВЭР-440 и
ВВЭР-1000 (тип В-187). Результаты показывали, что жесткое крепле-
ние ДР к центральной трубке или головке кассеты приводит к полом-
ке или ДР (при креплении к головке), или узла крепления к ЦТ. Та-
кие дефекты отмечались в кассетах реактора ВВЭР-440 (АЭС «Лови-
иза»), в кассетах реактора ВВЭР-1000 (5-й блок НВАЭС), а в дальней-
шем и в серийном реакторе. Тот факт, что после этого ДР оставались
на своих местах, расценивался как доказательство несмещаемости
ДР вдоль пучка. Причем вариант нержавеющих ДР, когда натяг ячей-
ки расслабляется от температурного роста, рассматривался как кон-
сервативный по отношению к циркониевым ДР. Этот факт вместе с
отсутствием технологии надежного крепления ДР к ЦТ и НК был по-
ложен в основу решения о незакреплении ДР.
Смещение ДР вдоль пуска показало, что были недооценены фак-
торы радиационной ползучести ячеек ДР и «усадки» диаметра твэл
при повышенных выгораниях.
Для устранения случаев смещения ДР конструкция УТВС дора-
ботана. В конструкцию были введены ограничительные втулки на
ЦТ и трех НК (рис. 6.15). Зазор между этими втулками и первона-
чальным положением ДР был выбран таким, чтобы в начале экс-
плуатации, когда ДР плотно соединены с пучком твэл, ДР имели бы
возможность свободного перемещения относительно ЦТ и НК вме-
сте с пучком твэл. После расслабления посадки ДР на пучке, когда
проявляется возможность смещения ДР, ограничивающие втулки
вступают во взаимодействие с ДР. Далее пучок твэл имеет возмож-
ность проскальзывать через ДР без больших усилий на ограничи-
тельные втулки.
124
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Рис. 6.15. Расположение втулок, ограничивающих перемещение дистан-
ционирующих решеток
В процессе эксплуатации гибридных кассет и УТВС наблюдались
также случаи повреждения периферийных твэл. Причем твэлы, как
правило, располагались или в углах шестигранника кассеты, или в
непосредстенной близости к ним. В этих твэл наблюдались явления
истирания хвостовиков в HP и фреттинг-износа оболочек в нижних
ДР. В этих же случаях твэл выходил из зацепления с HP и смещался
вверх. Наиболее вероятной причиной рассматривалось первоначаль-
ное воздействие на твэл при транспортно-технологических операци-
ях, которое, в свою очередь, приводило к образованию люфта нако-
нечника твэл в HP, последующему его истиранию и далее к фреттин-
гу оболочек в ДР.
Для исключения таких повреждений конструкция узла крепления
пучка к хвостовику и твэл к HP была существенно переработана. Вве-
дены шесть уголков, защищающих твэлы от зацепления по всему пе-
риметру снизу, увеличена толщина HP, повышена надежность зацеп-
ления твэл в HP.
Эта конструкция в силу своего логического завершения была вне-
дрена в конструкцию как гибридных кассет и УТВС, так и кассет но-
вого поколения ТВС-2.
125
Глава шестая
Промышленная эксплуатация УТВС
С учетом указанных доработок УТВС переведены в промышленную
эксплуатацию на 4-м блоке Балаковской АЭС и 1-м блоке Волгодон-
ской АЭС. УТВС, установленные на первом блоке Волгодонской
АЭС, начиная с первой загрузки, имеют размер «под ключ» в исход-
А
Рис. 6.16. ДР с пуклевками
126
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
ном состоянии близкий к верхнему пределу 235,1 мм. Причем этот
размер обеспечивается на отдельных партиях как за счет специально
выполненных пуклевок (на шестой и двенадцатой ДР) (рис. 6.16), так
и за счет увеличения размера по всему полю. Два года эксплуатации
блока показывают, что все требования по скорости срабатывания
аварийной защиты, усилиям перемещения ОР СУЗ, усилиям извле-
чения и установки кассет в активную зону при перегрузке выполня-
ются. Таким образом, опыт эксплуатации доработанных УТВС пока-
зывает, что такая конструкция может успешно работать в реакторе
ВВЭР-1000 в трех-четырех годичном топливном цикле с неплохим
показателем удельного расхода урана — 0,197 кг/МВт(тепл) сут (при
перегрузке 42 кассет).
Следует особо подчеркнуть, что за все время эксплуатации УТВС
на Балаковской АЭС и Волгодонской АЭС по состоянию на конец
2003 года не было ни одной отказавшей по причине негерметичнос-
ти кассеты. Это показывает, что условия работы твэл в кассете явля-
ется благоприятным.
6.9
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА
РЕАКТОРА ВВЭР-1000
В период проведения работ по устранению замечаний к аварийной
защите наряду с модернизацией серийных кассет и УТВС была раз-
работана конструкция ТВСА (альтернативная ТВС) (рис. 6.17).Разра-
ботчиком ее является ОКБМ (г. Нижний Новгород). Основные осо-
бенности такой конструкции и результаты опытной эксплуатации
подробнее описаны в [11], [12] и других материалах. Эта конструкция
имеет отличия от УТВС, из которых принципиальным является на-
личие уголков, связывающих по шести углам кассеты все 15 ДР. На-
значение уголков заключается в том, чтобы повысить жесткость кас-
сеты за счет постоянной составляющей — уголкового каркаса. Не-
смотря на достаточно большой опыт эксплуатации этого варианта на
Калининской АЭС для окончательной его оценки требуются надеж-
ные данные послереакторных исследований и исследований на АЭС.
127
шестая
Рис. 6.17. Кассета альтернативная
6.10
СОЗДАНИЕ КАССЕТЫ ТВС-2
Предпосылки для разработки ТВС-2
Предпосылки создания кассеты ТВС-2 вытекают из описания УТВС
и ее недостатков. Концепция ее обсуждалась в 90-х годах. В соответ-
128
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
ствии с этой концепцией был изготовлен макет, однако конкретное
исполнение ТВС-2 в дальнейшем претерпело значительные измене-
ния. В общих чертах задача такой разработки была представлена на
конференции 1999 г. в г. Прага, посвященной техническим иннова-
циям в XXI в.
С одной стороны, необходимо было создать конструкцию, кото-
рая легко могла быть адаптирована к сложившемуся серийному про-
изводству без значительных технологических изменений. С другой
стороны, новая конструкция должна была обеспечить существенное
увеличение жесткости, соизмеримой с ТВСА.
Весьма важным консервативным требованием являлось обеспече-
ние надежного проскальзывания пучка твэл через ДР без депланации
(отклонения от плоскости) ДР. Это требование привело к необходи-
мости увеличения высоты ДР до 30 мм. При этом ДР жестко крепят-
ся (при помощи точечной сварки) к НК.
Конструкция ТВС-2
Конструкция ТВС-2 может быть двух вариантов: с 15 ДР и с 12 ДР
(рис. 6.18). Первый вариант, как более жесткий, предназначался для
загрузки в активные зоны, содержащие кассеты с отклонением от
прямолинейности. Второй вариант — для последующих подгрузок.
Как и в ТВСА, постоянной составляющей жесткости кассеты яв-
ляется каркас. Однако в данном случае он образован только восем-
надцатью трубками, которые с одной стороны, не могут существенно
отличаться по условиям проката, с другой — находятся в однородном
радиационном и температурном поле. Следовательно, не существует
проблемы различий температурного и радиационного роста силовых
элементов. Критическая сила потери устойчивости такого каркаса
(без подкрепляющего влияния твэл) составляет ~3тс. Запас до поте-
ри устойчивости составляет: в холодном состоянии — 2,7; в горячем
состоянии — 3,5.
Учитывая прогнозируемую неизменность свойств каркаса, а так-
же имеющийся запас ДР по отсутствию депланации, такая конструк-
ция является базовой для реализации топливных циклов с глубоким
выгоранием, а также топливных циклов с маневрированием мощно-
сти. Конструктивное исполнение головки и хвостовика аналогично
129
Глава шестая
тому, как это выполнено в УТВС: применена легкосъемная головка с
цанговым креплением на НК (рис. 6.19), отработанная конструкция
хвостовика хорошо «обтекаемой» формы.
Топливные циклы на базе ТВС-2
В табл. 6.1 приведены базовые топливные циклы, рассчитанные РНЦ
«Курчатовский институт» и которые могут быть востребованы в бли-
жайшее время заказчиками.
130
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
Рис. 6.19. Головка ТВС-2 (в разрезе):
1 — ребро; 2— обечайка верхняя; 3— гайка; 4—труба; 5 — втулка; 6— пружина; 7— втул-
ка; 8 — цанга; 9 — шпилька; 10 — труба; 11 — втулка; 12 — обечайка коническая; 13 —
втулка; 14 — втулка
131
шестая
Таблица 6.1. Перспективные варианты топливных циклов
Параметр Топливный цикл
4x1 5x1 3x350 2x1,5
Количество загружаемых ТВС, шт. 45 36 54 82
Среднее обогащение загружаемых ТВС по U235 , % вес 4,31 4,78 4,2 4,56
Длительность работы стационарной загрузки, эфф.сут. 296,6 293 330 526
Среднее выгорание выгружаемых ТВС, МВт-сут/кг 49,0 (52,1) 56,4 46,3 (49,7) 44,6 (47,9)
Удельный расход природного урана, г/МВт сут 198 192 — 224
Следует отметить, что требуемые топливные циклы не обязатель-
но сопровождаются снижением удельного расхода урана. Например,
реализация повышенного КИУМ при полутора-двухгодичном цикле
между перегрузками может сопровождаться снижением удельного
расхода урана за счет большой неравномерности выгорания выгружа-
емого топлива.
Безусловно, совершенство топливного цикла решающим образом
влияет на экономические показатели. Однако при одинаковых топ-
ливных циклах топливная составляющая существенно зависит от
стоимости топлива, которая, в свою очередь, зависит от стоимости
«фабрикации» топлива. С этой точки зрения ТВС-2 существенно де-
шевле своих аналогов. По технологическому переделу «фабрикации»
кассеты (без стоимости материалов) ТВС-2 примерно в 1,5 раза де-
шевле ТВСА.
Опытная эксплуатация ТВС-2
Необходимость «выпрямления» активных зон обусловила двухсту-
пенчатость внедрения ТВС-2: с 15 и 12 ДР. Это внесло определенные
сложности в методы обоснования теплотехнической надежности ак-
132
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
тивных зон, в состав которых загружаются ТВС-2. В связи с отличи-
ями коэффициентов гидравлического сопротивления двух вариантов
кассет как между собой, так и с УТВС, которые составляли основной
массив активной зоны, наиболее неблагоприятным случаем является
загрузка первой партии (54 шт.) ТВС-2 с 15 ДР Этот случай реализо-
ван на 1-м блоке Балаковской АЭС. Выполненное обоснование и ре-
зультаты теплогидравлических измерений показали, что внедрение
ТВС-2 осуществлено без какого-либо ущерба для безопасности экс-
плуатации блока. Таким образом, обеспечено дальнейшее внедрение
ТВС-2 на этом и других блоках.
Следует отметить, что загрузка партии ТВС-2 подтвердила ожи-
давшийся эффект выравнивания кассет в активной зоне.
Возможности модернизации ТВС-2
Созданная конструкция является базой для дальнейшей модерниза-
ции без влияния на основные конструкционные характеристики кас-
сеты. Такими модернизациями являются:
• удлинение топливного столба для увеличения загрузки двуокиси
урана и продления кампании;
• оптимизация размеров топливных таблеток и оболочек твэл;
• повышение технологичности изготовления решеток и концевых
элементов кассеты;
• внедрение антидебризных фильтров на входе в кассеты.
6.11
СОЗДАНИЕ КАССЕТ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ
ДЛЯ РЕАКТОРА ВВЭР-1500
Предпосылки и цель разработки.
Основанием разработки проекта ТВС и активной зоны ВВЭР-1500
явилась «Концепция реакторной установки ВВЭР для энергоблока
АЭС мощностью 1500 МВт(эл)», утвержденная заместителем минис-
тра атомной энергии 06.07.01 г.
133
Глава шестая
Цель разработки — создание РУ для блоков большой мощности,
имеющей при высоком уровне надежности и безопасности повы-
шенную экономическую эффективность.
Поставленная цель достигается за счет:
• максимального использования результатов научно-исследова-
тельских и опытно-конструкторских работ в обоснование проек-
тов РУ ВВЭР, ранее разработанных у нас и за рубежом, с учетом
опыта их эксплуатации на АЭС;
• эволюционного развития и совершенствования конструкций кас-
сет действующих РУ В-1000 с исключением причин для имевших
место при эксплуатации отказов и нарушений;
• изготовления на российских предприятиях с использованием, в
основном, освоенной технологии.
Активная зона ВВЭР-1500 состоит из 241 кассеты, из которых 121
содержат ПС СУЗ. Это позволяет, несмотря на увеличение общей
мощности реактора, снизить линейные нагрузки на твэл, что являет-
ся существенным для повышения безопасности РУ.
Преемственность и новизна разработки
Исходя из вышеприведенных предпосылок и принимая основной
критерий преемственности, состоящий из основных положений: раз-
мер «под ключ» — В-1000; сохранение принципа ПС СУЗ — не под-
вергаться во время работы воздействию потока теплоносителя, было
проработано несколько вариантов кассет.
В первом варианте кассеты была рассмотрена возможность пере-
носа компенсирующего элемента (блоки пружин) из головки кассеты
в стояки шахты реактора. В головке оставался пружинно-гидравли-
ческий демпфер для падающего ОР СУЗ.
Другая, более многочисленная группа вариантов конструкции
кассет, разделилась на три типа, отличающихся между собой следую-
щим образом:
• по типу головок — круглая; шестигранная; фигурная (по контуру,
соответствующему головке ПС СУЗ).
• по типу хвостовиков — шар по конусу — аналогично ВВЭР-440 и
ВВЭР-1000; плоскость по плоскости с ориентацией и фиксацией
134
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
на штыри плиты ВКУ, входящих в отверстия хвостовика кассеты
— аналог PWR.
Кроме того, в любой из этих вариантов предполагалась установка
пучков двух вариантов: ётвэл = 9,1 мм или с1твэл = 7,6 мм.
Такое многообразие вариантов, различие форм и конструкций
объясняется поиском оптимальной конструкции при решении сты-
ковки с ВКУ и транспортно-технологических операций. Особенно
обострилось положение в связи с принятием решения об установле-
нии температуры повторной критичности для активной зоны РУ
ВВЭР-1500 — 100°. Для выполнения этого условия было необходимо
принять для ПС СУЗ 24 ПЭЛ, максимально разнесенных по сечению
ТВС.
Выбор основного варианта
Рассмотрев материалы концептуального проекта кассеты для
ВВЭР-1500 и учитывая опыт разработки, обоснования и эксплуата-
ции кассет ВВЭР-1000, было решено принять за прототип кассеты
ВВЭР-1500 конструкцию ТВС-2 (табл. 6.2):
• форма ячейки под ТВС в плане — шестигранник;
• шаг расположения ТВС - 236 мм;
• размер между посадочными местами опорных стояков шахты и
гнезда БЗТ — 4850 мм;
• высота столба топлива в твэл — 4200мм;
• количество НК-24;
• диаметр твэл -9,1 мм;
• расположение НК и твэл с шагом 12,8 мм;
• конструкция нижнего опорного узла — шар по конусу;
• конструкция узла стыковки головки ТВС с БЗТ
Для конструкции ТВС и ПС СУЗ ВВЭР-1500 приняты от прототи-
па (ТВС-2):
• материал НК — сплав Э-635;
• диаметр НК -13,0 мм
• конструкция наконечника НК;
• материал ДР — сплав Э-110;
135
Глава шестая
Таблица 6.2. Основные геометрические и эксплуатационные харак-
теристики ТВС-1500
Характеристика
Форма ТВС
Размер ТВС «под ключ», м,
максимальный
Масса ТВС, кг
Топливо
Плотность топлива (UO2), кг/м3
Высота топлива в холодном
состоянии, м
Масса топлива в ТВС, кг
Количество твэл в ТВС, шт.
Шаг между твэл, м
Наружный диаметр оболочки твэл, м,
номинальный
Внутренний диаметр оболочки твэл,
м, номинальный
Наружный диаметр таблетки, м,
номинальный
Диаметр центрального отверстия
таблетки, м, номинальный
Высота таблетки, м
Направляющий канал:
количество, шт.
материал
наружный диаметр, м
внутренний диаметр, м
Дистанционирующая решетка:
количество, шт.
высота поля ячеек, мм
материал
Центральная труба:
количество, шт.
материал
наружный диаметр, м
внутренний диаметр, м
Значение
Шестигранная призма
0,2351
-830 *
Спеченная двуокись урана (UO2)
(10,4—Ю,7)Ю3
4,2
~590,0
306
12,8-10~3
9,1-10-3
7,73-Ю"3
7,57-Ю-3
1,510-3
(9,0—12,0)-10-3
24
Сплав Э-635+1%ЫЪ
13,010-3
11,0-10-3
17
30
Сплав Zr+l%Nb
1
Сплав Zr+l%Nb
13,0-10~3
11,010-3
136
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
• конструкция ДР;
• каркас ТВС.
В качестве нового решения для ПС СУЗ ВВЭР-1500 было приня-
то: консольные ребра головки выполнены прямыми в радиальном
направлении; длина ПЭЛ увеличена с 4215 до 4734 мм.
0220
Рис. 6.20. ТВС ВВЭР-1500:
1 — головка; 2 — пучок твэлов; 3 — хво-
стовик
2
0195
137
Глава шестая
Конструкция ТВС и ПС СУЗ ВВЭР-
на рис. 6.20-6.22.
1500 и их узлов представлена
с>8,г,
W
W V
V
Рис. 6.21. Конструкция ПС СУЗ
138
История создания кассет реакторов ВВЭР-1000
234,8
Рис. 6.22. Сечение по пучку твэл
139
Проектные основы прочностных характеристик кассет
активной зоны реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-10ОО
В основу формирования суждения о приемлемых несущей способно-
сти и ресурсе кассет положены принципы оценки их конструкции по
следующим предельным состояниям:
• кратковременное вязкое разрушение;
• пластическое течение по всему сечению детали;
• возникновение макротрещин при циклическом разрушении;
• потеря устойчивости.
Не принимаются во внимание предельные состояния, связанные
с разрушением в условиях ползучести и циклическим накоплением
пластической деформации, рассмотрение которых актуально лишь
для твэл, а также с хрупким разрушением, поскольку толщины несу-
щих элементов кассет невелики и выполнены они из материалов, не
склонных к хрупкому разрушению и обладающих хорошей остаточ-
ной пластичностью и вязкостью разрушения на конец службы кассет
с учетом действия нейтронного облучения.
Для оценки прочности по перечисленным выше предельным со-
стояниям выполняется поверочный расчет, в котором учитываются
все действующие нагрузки и рассматриваются все режимы нагруже-
ния. Поверочный расчет содержит: расчет на статическую прочность,
расчет на устойчивость, расчет на циклическую прочность, расчет на
сейсмические воздействия, расчет на вибропрочность. Многие во-
просы, связанные с обоснованием прочности и ресурса кассет, реша-
ются экспериментальным путем и при опытной эксплуатации и по-
этому не находят прямого отражения в поверочном расчете.
Основным результатом расчета на статическую прочность являет-
ся сравнение расчетных приведенных напряжений с допускаемыми
напряжениями. Приведенные напряжения определяются по теории
наибольших касательных напряжений. Допускаемые напряжения
назначаются по гарантированным значениям механических харакге-
140
Проектные основы прочностных характеристик кассет активной зоны
ристик материалов путем введения соответствующих коэффициен-
тов запаса прочности в зависимости от режима работы, категории
действующих напряжений, типа узла и характера нагружения.
Расчет на устойчивость заключается в определении допускаемых
нагрузок, превышение которых вызывает возможность потери устой-
чивости при нагружении давлением и сжимающими усилиями.
Расчет на циклическую прочность выполняется на основе анали-
за общей и местной напряженности с целью исключения появления
усталостных трещин. Используются характеристики циклической
прочности материалов (кривые усталости) с введением коэффициен-
тов запаса прочности по напряжениям и долговечности. В результате
расчета на циклическую прочность определяется допускаемое число
повторений эксплуатационных нагрузок при заданных параметрах
циклов нагружения или допускаемая амплитуда задаваемого цикла
изменения напряжении при известном числе повторений цикла.
Расчет на сейсмические воздействия проводится с учетом совме-
стного действия эксплуатационных и сейсмических нагрузок. Оцен-
ка прочности при этом выполняется по допускаемым напряжениям,
по допускаемым перемещениям, по критериям циклической прочно-
сти и устойчивости.
Все режимы, предусмотренные проектом, группируются в три ка-
тегории: НУЭ, ННУЭ, АС. Из анализа всего перечня режимов в каж-
дой категории выбираются режимы, являющиеся определяющими с
точки зрения действующих нагрузок. Для этих режимов выполняется
расчет напряжений и оценка прочности конструкций (расчетные ре-
жимы). В зависимости от того, к какой категории отнесен тот или
иной расчетный режим, назначаются значения коэффициентов запа-
са. Расчетные режимы могут по величине расчетных нагрузок мажо-
рировать режимы, не являющиеся расчетными, а в части должного
учета проектного количества всех эксплуатационных режимов в ана-
лизе циклической прочности они могут объединять мажорируемые
режимы.
Основными расчетными нагрузками являются: собственный вес,
внутреннее и наружное давление (перепад давления), усилие поджа-
тия пружин головки кассет, инерционные нагрузки при движении
кассеты, инерционные нагрузки сейсмического типа, температурные
воздействия, инерционные нагрузки ударного типа.
Глава седьмая
Номинальное допускаемое напряжение для элементов рабочих
кассет принимается как
[ст] = min (R^/nm; R^/n^J RTmt/nmt),
(7.1)
где RT — минимальное значение временного сопротивления при рас-
четной температуре, МПа; nm = 2,6 — коэффициент запаса прочнос-
ти по временному сопротивлению; RTp0 2 — минимальное значение
предела текучести при расчетной температуре, МПа; п0 2 = 1,5 — ко-
эффициент запаса прочности по пределу текучести; R^t — мини-
мальный предел длительной прочности за время t при расчетной тем-
пературе, МПа; nmt =1,5 — коэффициент запаса прочности по преде-
лу длительной прочности.
Для нержавеющей стали 08Х18Н10Т определяющей характерис-
тикой при назначении [s] является условный предел текучести, а для
сплава Zr+2,5% Nb в рассматриваемом диапазоне температур — пре-
дел прочности.
Приведенные напряжения, определяемые при расчете на статиче-
скую прочность элементов рабочих кассет, не должны превышать
значений, указанных в табл. 7.1 для всех категорий режимов (сочета-
ний нагрузок) и групп категорий напряжений.
При расчете на устойчивость шестигранных чехловых труб руко-
водствуются нижеследующими положениями.
Таблица 7.1. Допускаемые напряжения
для элементов рабочих кассет
Категория режимов (сочетания нагрузок) Группа категории напряжений
(ст)1 (0)1 «У1 (0RV)
НУЭ [о] 1,3[ст] — (2,5 - R^/R^R^ но не более 2RTp0 2
ННУЭ (НУЭ+ПЗ) 1,2[ст1 1,6[ст] 1,2[ст] 1,6[ст] *—
АС (НУЭ+МРЗ) 1,4[ст] — 1,4[ст] 1,8]ст] —
142
Проектные основы прочностных характеристик кассет активной зоны
Допускаемое наружное давление определяется по формуле
[Р]=
РКР
(7.2)
где Ркр — наружное давление, при котором шестигранная труба теря-
ет устойчивость (определяется экспериментально);
п = 2 — коэффициент запаса для НУЭ.
Действующее наружное давление не должно превышать допуска-
емого значения.
При действии осевого сжимающего усилия расчетные напряже-
ния сжатия не должны превышать допускаемой величины, определя-
емой для НУЭ соотношением
[ос]= 0,5
(7.3)
где £ ~ коэффициент, зависящий от механизма (формы) потери ус-
тойчивости и соотношения между условным пределом текучести ма-
териала и окр;
акр — критические напряжения, определяемые расчетом или экс-
периментально и зависящие от формы потери устойчивости, геомет-
рических размеров, условий закрепления и модуля упругости матери-
ала шестигранной чехловой трубы.
При комбинированном действии на шестигранную чехловую тру-
бу наружного давления и сжимающего усилия для НУЭ должно вы-
полняться условие:
—— +-----< 1.
[ос1 и
(7.4)
Для категорий режимов ННУЭ и АС разрешается увеличение [ас]
и [Р] соответственно на 20 и 40%.
Коэффициенты запаса по и nN по амплитуде местных напряже-
ний и числу циклов при обосновании циклической прочности при-
нимаются равными па = 2, nN = 10. Для элементов кассет, изготовля-
емых из нержавеющей стали, используются соответствующие кривые
143
Глава седьмая
усталости из Норм расчета на прочность оборудования и трубопрово-
дов атомных энергетических установок.
Обоснование циклической прочности элементов, изготовляемых
из циркониевых сплавов, выполняется, в основном, эксперимен-
тальным путем.
При рассмотрении МПА к конструкции кассет предъявляют тре-
бования, связанные с обеспечением безопасности — деформации
элементов конструкции не должны: препятствовать движению регу-
лирующих органов, существенно ограничивать охлаждение активной
зоны, препятствовать разборке активной зоны после аварии. Выпол-
нение этих требований обеспечивается, если выполняются условия
прочности по предельному состоянию и некоторые ограничения на
взаимные перемещения деформируемых деталей (например, непере-
крытие зазора между шестигранными чехловыми трубами соседних
кассет).
144
Проектные основы прочностных характеристик кассет активной зоны
При выполнении расчетов на прочность ТВС используются сле-
дующие программы:
• для расчета элементов ТВС программы Micro Fe /14/ и Femina
/15/;
• для расчета термомеханики одной ТВС программы ТМТВС_ГП
/16/, ТЕРЕМОК /17/ и методика из работы /18/;
• дня расчета термомеханики активной зоны программа РАНДЕВУ-
3 /19/ и методика из работы /20/;
• для расчета активной зоны на сейсмические воздействия про-
грамма РАНДЕВУ-С /21/;
• для расчета активной зоны в авариях с потерей теплоносителя
программа РАНДЕВУ-А /22/.
145
Проектные основы нейтронно-физических
характеристик активных зон реакторов ВВЭР-1000
Накопленный опыт проектирования и успешная эксплуатация ак-
тивных зон реакторов ВВЭР-440 позволили перейти к разработке ре-
актора большой мощности ВВЭР-1000, принадлежащему к следую-
щему поколению реакторов типа ВВЭР, на базе которого планирова-
лось дальнейшее развитие атомной энергетики в стране.
Первым явился проект ВВЭР-1000 для 5-го блока НВАЭС (табл.
8.1). При его разработке были учтены как положительный опыт про-
ектирования и эксплуатации ВВЭР-440, так и современные тенден-
ции зарубежных проектов.
В качестве наиболее важных проектных решений для разработки
активной зоны были приняты:
• обеспечение транспортабельности корпуса реактора по железной
дороге;
• увеличение поперечных размеров кассет для сокращения времени
перегрузки;
• сохранение чехловой конструкции кассет, как для ВВЭР-440;
• конструкционные параметры твэл и их размещение в кассете в со-
ответствии с оптимальным соотношением между количеством
топлива и замедлителя, обеспечивающим максимальную эффек-
тивность использования топлива;
• регулирование реактивности с использованием кластеров, пере-
мещаемых в специальных направляющих каналах, вместо погло-
тителей типа «ловушка», для снижения неравномерности распре-
деления мощности по сечению кассет;
• радиальный отражатель, состоящий из граненой выгородки и
шахты, собранной из металлических пластин в виде ребер по вы-
соте активной зоны для снижения уровня нейтронного потока на
корпус реактора;
• применение на первом этапе двухгодичного топливного цикла с
выгораниями, характерными для ВВЭР-440, и затем последова-
146
Проектные основы нейтронно-физических характеристик активных зон
Таблица 8.1. Характеристики активной зоны ВВЭР-* 1000
5-го блока НВАЭС
Характеристика Значение
Тепловая мощность, МВт 3000
Количество кассет в активной зоне, шт. 151
Размер кассеты под ключ, мм 238
Количество твэл в кассете, шт. 317
Шаг между твэл, мм 12,75
Диаметр твэл, мм 9,1
Масса топлива в твэл, г 1460
Высота активной зоны, мм 3530
Количество ОР СУЗ в активной зоне, шт. 109
Количество НК для перемещения ПЭЛ, шт. 12
Диаметр ПЭЛ, мм 8,2
тельный переход на основной трехгодичный цикл эксплуатации
по мере освоения более высоких глубин выгорания.
Выбор конструктивных характеристик активной зоны осуществ-
лялся с учетом результатов нейтронно-физических расчетов, выпол-
нявшихся научным руководителем и главным конструктором проек-
та РУ В-187 с помощью программ, разработанных в ИАЭ им. И.В.
Курчатова и апробированных по результатам экспериментов на кри-
тических стендах и данным эксплуатации ВВЭР-440. Расчеты прово-
дились в условиях, когда нормативная база для обоснования безопас-
ности находилась в стадии совершенствования. Основным докумен-
том явились Правила ядерной безопасности ПБЯ 04-74.
Использовались следующие программы:
РОР-2, РАГУ — подготовка нейтронно-физических констант;
УНИРАСОС, NI-7000, ШЕСТИГРАННИК - расчет распределе-
ний мощности по твэл в активной зоне;
147
Глава восьмая
БИПР-4, БИПРУС — расчет основных характеристик реактора,
включающий имитацию выгорания и перегрузку топлива с определе-
нием распределений мощности и выгорания, определение эффектов
и коэффициентов реактивности, эффективности органов регулиро-
вания, проведение расчетов переходных процессов на ксеноне.
Расчеты проводились в малогрупповом диффузионном прибли-
жении.
Увеличение энергонапряженности и размеров активной зоны
привели в реакторах ВВЭР-1000 к появлению нового эффекта, ранее
не встречавшегося в реакторах ВВЭР-440 и известного как ксеноно-
вые колебания мощности в активной зоне. Этот эффект характеризу-
ется самоподдерживающимися, периодическими перераспределени-
ями мощности и перемещением максимума энерговыделения в пре-
делах высоты активной зоны с периодом около 28 ч. Для управления
ксеноновым процессом в проекте была предусмотрена специальная
группа ОР СУЗ с половинной длиной поглотителя. Группа управля-
лась индивидуально оператором в соответствии со специальным ал-
горитмом. Впоследствии она была заменена на группу с полной дли-
ной поглотителя.
Проектные обоснования безопасности первого пуска ВВЭР-1000
проводились на наиболее консервативные исходные данные, кото-
рые предоставляли нейтронно-физические расчеты. В частности, ис-
пользовались распределения энерговыделения и максимальные ли-
нейные нагрузки на твэл, соответствующие свободным ксеноновым
колебаниям. Так, первоначальная проектная нагрузка на твэл была
принята равной 525 Вт/см. В дальнейшем, с учетом обоснований се-
рийного ВВЭР-1000 она была понижена до 448 Вт/см
(табл. 8.2).
Такие же консервативные значения энерговыделения были зада-
ны и в ТЗ на разработку твэл ВВЭР-1000. Предложенные избыточно
жесткие условия эксплуатации топлива с самого начала инициирова-
ли активные научно-исследовательские и опытно-конструкторские
работы на будущее по совершенствованию твэл и методов их обосно-
вания для обеспечения работоспособности топлива при высоких вы-
гораниях. Эти работы позволили подготовить к настоящему времени
необходимую базу для дальнейшего совершенствования топливного
цикла и повышения его экономической эффективности.
148
Проектные основы нейтронно-физических характеристик активных зон
Таблица 8.2. Основные проектные нейтронно-физические
характеристики ВВЭР-1000 5-го блока НВАЭС
Характеристика
Среднее линейное энерговыделение, Вт/см
Максимальное линейное энерговыделение,
Вт/см
Длительность топливной загрузки, эфф.сут
Обогащение подпитки, %:
двухгодичная кампания
трехгодичная кампания
Среднее выгорание, МВт сут/кг:
двухгодичная кампания
трехгодичная кампания
Коэффициент неравномерности
энерговыделения:
по кассетам
по твэл
Температурный коэффициент реактивности,
10"5/°С:
двухгодичная кампания
трехгодичная кампания
Эффективность рабочей группы, %
Эффективность аварийной защиты, %
Значение
178
448(525)
294
3,3
4,4
27
40
1,35
1,50(1,59)
>0
<0
1,5
5
Примечание. В скобках приведены значения, использовавшиеся при обоснова-
нии первого пуска.
Эксперименты, проведенные в ходе пуска и освоения мощности,
а также данные опытно-промышленной эксплуатации полностью
подтвердили результаты проектных нейтронно-физических расчетов.
В частности, экспериментально были подтверждены расчетные
прогнозы о наличии положительного значения для коэффициента
реактивности по температуре теплоносителя в пусковых состояниях
реактора для двухгодичной топливной кампании. В целях повыше-
ния безопасности и обеспечения отрицательного коэффициента ре-
149
Глава восьмая
активности в Регламент эксплуатации было введено требование о
проведении пуска и выводе реактора в критическое состояние при
наличии в активной зоне нескольких регулирующих групп ОР СУЗ,
извлекаемых по мере набора мощности.
Для трехгодичной топливной кампании вопрос отрицательного
коэффициента был решен радикально за счет введения в кассеты
подпитки стержней с выгорающим борным поглотителем (СВП).
Эксперименты также подтвердили наличие ксеноновых колеба-
ний мощности в активной зоне и необходимость их контроля.
Опыт 5-го блока НВАЭС лег в основу разработки проекта серий-
ного реактора ВВЭР-1000 в целом и его нейтронно-физической час-
ти в особенности.
В проекте были предусмотрены следующие новые решения по ре-
актору и активной зоне:
• увеличено количество кассет до 163, что снизило энергонапря-
женность активной зоны, уменьшило линейные нагрузки на твэ-
лах и, соответственно, повысило безопасность реактора и создало
более благоприятные условия для совершенствования топливного
цикла;
• чехловые кассеты были заменены на бесчехловые для улучшения
теплообмена между кассетами и повышения запасов до кризиса
теплообмена;
• общее количество ОР СУЗ было снижено первоначально для 1-го
блока ЮУАЭС до 49 шт. и для последующих блоков до 61 шт., что
позволило улучшить техническое обслуживание приводов ОР
СУЗ. При этом, для поддержания требований к эффективности
механической СУЗ количество ПЭЛ в ПС СУЗ было увеличено до
18 шт.
Нейтронно-физическая часть для исходного проекта серийного
реактора (табл. 8.3) была разработана так же, как и для 5-го блока
НВАЭС, применительно к эксплуатации первоначально в двухгодич-
ном и затем в трехгодичном топливном цикле. По мере совершенст-
вования топливного цикла в проект вносились соответствующие
обоснованные дополнения.
Накопление необходимого объема данных эксплуатации энерго-
блоков с ВВЭР-1000 позволило последовательно верифицировать
150
Проектные основы нейтронно-физических характеристик активных зон
Таблица 8.3. Основные характеристики активной зоны
серийного реактора ВВЭР-1000
Характеристика Значение
Тепловая мощность, МВт 3000
Количество кассет в активной зоне, шт. 163
Размер кассеты под ключ, мм 234
Количество твэл в кассете, шт. 312
Шаг между твэл, мм 12,75
Диаметр твэл, мм 9,1
Масса топлива в твэл, г 1460
Высота активной зоны, мм 3530
Количество ОР СУЗ в активной зоне, шт. 61
Количество НК для перемещения ПЭЛ, шт. 18
Диаметр ПЭЛ, мм 8,2
расчетные нейтронно-физические программы и осуществлять их мо-
дернизацию в соответствии с текущими требованиями повышения
экономичности и безопасности топливного цикла, а также проводить
аттестацию программ в Госатомэнергонадзоре России.
Аттестованный комплекс нейтронно-физических программ, ис-
пользовавшийся для обоснования активной зоны с извлекаемыми
борными СВП, включал программы: КАССЕТА-2 — подготовка ней-
тронно-физических констант; ПЕРМАК-360.В — потвэльный расчет
выгорания и распределения мощности; БИПР-7 — расчет реактора в
целом. Для обоснования активной зоны с интегрированными в топ-
ливо гадолиниевыми выгорающими поглотителями был адаптирован
и аттестован комплекс программ, включающий соответствующие
программы ТВС-М, ПЕРМАК-М и БИПР-7А. Подготовка нейтрон-
но-физических констант для этого комплекса впервые проводилась с
использованием библиотек оцененных ядерных данных, что позво-
лило повысить точность и представительность расчетов реактора.
151
Глава восьмая
Повышение требований к обоснованию безопасности проектов и
необходимость учета современных подходов, применяемых в запад-
ных проектах, привели к уточнению предельных условий нормаль-
ной эксплуатации для реактора и топлива в отдельности.
На основании расчетных и опытных данных максимальная про-
ектная линейная нагрузка на твэл была принята 448 Вт/см и выведе-
на на один уровень с реакторами PWR аналогичной мощности.
Предельные условия для топлива определялись, в основном, воз-
можностью циклирования локальной мощности в широком диапазо-
не нагрузок в связи с ксеноновыми колебаниями. Предложенный на
этапе проектирования и опробованный при пуске ВВЭР-1000 5-го
блока НВАЭС алгоритм управления был ориентирован в первую оче-
редь на выполнение условий теплотехнической надежности актив-
ной зоны и предусматривал подавление ксеноновых колебаний за на-
иболее короткое время в соответствии с принципом оптимальности.
Поскольку в этом случае сохранялась возможность для значительных
амплитуд в локальном энерговыделении, то для серийного реактора
ВВЭР-1000 рассматривались и другие подходы к управлению.
Исходя из обеспечения максимальной работоспособности топ-
лива, в проекте серийного реактора ВВЭР-1000 изначально был ре-
ализован принцип управления на основе стабилизации аксиально-
го офсета и поддержания его с минимальным отклонением от ста-
ционарного значения, который одновременно позволил обеспечить
и наибольшие теплотехнические запасы. Данный подход был обос-
нован экспериментально при пуске следующего ВВЭР-1000 на 1-ом
блоке Калининской АЭС и подтвержден нейтронно-физическими
расчетами. Данное решение позволило сформулировать задачу до-
стижения наиболее высоких выгораний как комплексную пробле-
му, решаемую совместно по пути совершенствования проекта твэл,
алгоритмов управления и средств и методов контроля энерговыде-
ления в активной зоне. Оно также позволило своевременно скор-
ректировать направление работ по топливу и отказаться от таких
дорогостоящих вариантов конструкции твэл, как использование
биметаллических труб для оболочек твэл, которое рассматривалось
применительно к маневренным режимам работы. Дальнейшая от-
работка проекта топлива проводилась в направлении совершенст-
вования конструкции и технологии изготовления твэл на основе
152
Проектные основы нейтронно-физических характеристик активных зон
оболочек из традиционных циркониевых сплавов, развития расчет-
ной базы и ее аттестации. В ходе этих работ было обосновано
уменьшение центрального отверстия в топливных таблетках твэл
трехгодичной и четырехгодичной топливных кампаний с 2,4 до
1,5 мм, что позволило увеличить топливную загрузку примерно на
7% и тем самым уменьшить обогащение подпитки и понизить стои-
мость кассет.
Для повышения конкурентной способности реакторов
ВВЭР-1000 и их продвижения на зарубежные рынки в качестве пер-
воочередной задачи нейтронно-физических расчетов на последую-
щих этапах проектирования стала разработка экономичных актив-
ных зон с более высоким уровнем безопасности. Исходной базой для
таких расчетов явилось выполнение требований новых правил ядер-
ной безопасности атомных электростанций ПБЯ РУ АС-89 и требо-
ваний современных проектов PWR.
На основе результатов нейтронно-физических расчетов были реа-
лизованы следующие решения:
• на всех реакторах ВВЭР-1000 регулирующая группа ОР СУЗ с по-
ловинной длиной поглотителя была заменена на группу ОР СУЗ с
полной длиной поглотителя. Расчетами было показано, что паде-
ние группы с половинной длиной поглотителя из промежуточно-
го положения по высоте активной зоны приводит к введению по-
ложительной реактивности с величиной, характерной для проект-
ной аварии выброса ОР СУЗ;
• на всех реакторах ВВЭР-1000 введена конструкция ОР СУЗ с ком-
бинированным поглотителем, содержащим в нижней части ПЭЛ
на высоте до 300 мм поглотитель из титаната диспрозия и в верх-
ней части — поглотитель из карбида бора, имеющего максималь-
ную эффективность. Медленное выгорание изотопов диспрозия в
связи с их воспроизводством, и сохранение необходимой погло-
щающей способности в высоких нейтронных потоках при практи-
ческом отсутствии распухания поглотителя позволили увеличить
срок службы ОР СУЗ в реакторе в рабочей группе до трех лет, а с
учетом работы в группах аварийной защиты до 10 лет;
• осуществлен переход на более прочные оболочки ПЭЛ из сплава
42ХНМ с меньшей толщиной, что позволило дополнительно по-
высить эффективность и срок службы ОР СУЗ;
153
Глава восьмая
• в целях снижения вредного поглощения нейтронов в конструкци-
онных материалах активной зоны и повышения эффективности
топливного цикла стальные направляющие каналы и дистанциони-
рующие решетки в кассетах были заменены на циркониевые, что
позволило увеличить энерговыработку кассет примерно на 8—10%;
• СВП в кассетах были заменены на интегрированный с топливом
выгорающий поглотитель на основе двуокиси гадолиния. В связи
с этим освободились направляющие каналы, в которых раньше
устанавливались СВП, и появилась большая свобода для разме-
щения кассет в активной зоне при перегрузке и, соответственно,
большая гибкость для выбора оптимальных топливных загрузок.
Важным следствием данной модернизации стала возможность
компоновки топливных загрузок с уменьшенной утечкой нейтро-
нов из реактора, позволившая снизить примерно на 25% уровень
нейтронного потока на корпус реактора, повысить эффектив-
ность аварийной защиты и экономичность топливного цикла, а
также обеспечить более благоприятные условия для работы топ-
лива и достижения наиболее глубоких выгораний.
При разработке проекта В-392, реализующего концепцию повы-
шенной безопасности на базе ВВЭР-1000, было принято, в качестве
одной из основ проектирования, требование по обеспечению темпера-
туры повторной критичности для остановленного реактора в процессе
аварийного расхолаживания не выше 100 °C. В этом случае надежно
выполнялось требование ПБЯ РУ АС-89 о подкритичности реактора в
проектных авариях при самых широких предположениях о сценариях
развития этих аварий. С учетом нейтронно-физических расчетов дан-
ное условие было реализовано за счет повышения эффективности ме-
ханической СУЗ, за счет увеличения количества ОР СУЗ максимально
до 121. При выборе количества органов регулирования принимались
во внимание и будущие перспективы работы активной зоны, требую-
щие увеличение ОР СУЗ, такие, как использование МОХ топлива, ре-
ализация маневренных режимов и так далее. Данное решение было
применено в проектах В-428 для АЭС Тяньвань в Китае, В-446 для
АЭС в Бушер в Иране и В-412 для АЭС Куданкулам в Индии.
Высокая работоспособность топлива, которая была подтверждена
всем опытом эксплуатации реактора ВВЭР-1000 в проектном трехго-
154
Проектные основы нейтронно-физических характеристик активных зон
дичном топливном цикле, позволила перейти к проектированию, а
затем и к опытно-промышленной эксплуатации активной зоны с бо-
лее экономичным четырехгодичным топливным циклом. Этот режим
работы характеризуется максимальным выгоранием топлива в твэл
около 65 МВтсут/кг. Более высокие выгорания порядка
70 МВт сут/кг будут достигаться при использовании кассет в течение
пяти лет, что также находится в стадии проработки для ВВЭР-1000.
Важным условием обоснования высоких выгораний является умень-
шение консерватизма исходных данных и использование более реа-
листичных сценариев работы топлива. Для этого совместно в ОКБ
ГП, РНЦ КИ и ВНИИНМ был разработан и использован при обос-
новании четырехгодичной кампании комплексный подход, объеди-
няющий в рамках единого интерфейса потвэльные нейтронно-физи-
ческие расчеты режимов нормальной эксплуатации и нарушений
нормальной эксплуатации с учетом реальной работы систем управле-
ния и подавления ксеноновых колебаний и расчеты прочности твэл.
Применение данного подхода позволило более точно определить ре-
альные запасы в прочности твэл и прогнозировать высокую готов-
ность топлива к работе как при сверхглубоких выгораниях в базовом
режиме, так и в маневренных режимах.
В табл. 8.4 приведены основные нейтронно-физические характе-
ристики реактора ВВЭР-1000 в его проектных топливных циклах. Из
рассмотрения показателя удельного расхода природного урана вид-
но, что последовательный переход от начальной двухгодичной актив-
ной зоны к ее современному четырехгодичному варианту привел к
повышению эффективности топливного цикла более, чем на 26%,
что позволило в настоящее время вплотную приблизиться к характе-
ристикам реакторов PWR.
Результаты выполненных нейтронно-физических расчетов служат
основой для проводимых в настоящее время модернизаций кассет
ВВЭР-1000, направленных на повышение экономичности и безопас-
ности.
К ним можно отнести:
• увеличение высоты топлива в модернизированной кассете, позво-
ляющее примерно на 4% снизить линейные нагрузки на твэл и на
столько же увеличить длительность топливной кампании без уве-
личения обогащения подпитки;
155
восьмая
Таблица 8.4. Нейтронно-физические характеристики ВВЭР-1000
в проектных топливных циклах
Характеристика Топливный цикл
двухгодичный трехгодичный четырехгодичный
Количество кассет подпитки, шт. 79/84 54 48 42
Выгорающий поглотитель — СВП УГТ УГТ
Среднее обогащение подпитки, % 3,3 4,31 3,92 4,26
Длительность топливной загрузки, эфф.сут 292 290 297 293
Среднее выгорание топлива в кассете, МВтсут/кг 27,0 40,2 43,0 48,4
Удельный расход природного урана, г/МВтсут 0,268 0,243 0,203 0,198
Максимальное линейное энерговыделение, Вт/см 448 448 448 448
Коэффициент неравномерности мощности по твэл 1,5 1,5 1,5 1,5
Температурный коэффициент реактивности, 10“5/°С Эффективность рабочей группы, % >0 0,85 <0 0,69 <0 0,79 <0 0,76
Эффективность аварийной защиты, % 6,2 5,5 6,4 6,2
• проработка варианта со снижением содержания гафния в оболоч-
ках твэл, что должно снизить вредное поглощение нейтронов и
увеличить длительность выгорания.
156
Проектные основы нейтронно-физических характеристик активных зон
В числе вариантов совершенствования активной зоны находится
рассмотрение введения в кассетах торцевых бланкетов. Использова-
ние бланкетов в кассетах ВВЭР-1000 реализовано фирмой Вестинга-
уз в проекте АЭС Темелин в Чехии. Уменьшение обогащения в блан-
кетах требует его увеличения в остальной части топлива для сохране-
ния проектной длительности кампании, что, в свою очередь, приво-
дит к повышению неравномерности энерговыделения в активной зо-
не. Поэтому решение этой задачи связывается также и с задачей по-
вышения точности измерений с помощью системы внутриреактор-
ного контроля.
В заключение следует отметить, что ряд важных отличий от зару-
бежных проектов, ограничивающих возможности для совершенство-
вания активной зоны ВВЭР-1000, было заложено еще на стадии раз-
работки проекта и диктовалось объективными причинами техничес-
кого состояния того времени:
• наличие высокой энергонапряженности активной зоны, превы-
шающей примерно на 10% зарубежные аналоги. В связи с этим
требуется более высокое обогащение и поэтому более дорогое
топливо, а при одинаковой длительности кампании достигаются
более высокие выгорания, что предъявляет более жесткие условия
для работы топлива. Высокая напряженность активной зоны оп-
ределяется ее размерами, которые, в свою очередь, были ограни-
чены размерами корпуса реактора;
• размещение ПЭЛ в центральной части кассеты, что было обуслов-
лено конструктивными возможностями, вместо равномерного
размещения по сечению кассеты, как это рекомендовалось ней-
тронно-физическими расчетами. Данное решение приводит к са-
моэкранировке ПЭЛ и уменьшению их эффективности, в связи с
чем, необходимая эффективность аварийной защиты была до-
стигнута за счет увеличения количества ОР СУЗ при соответству-
ющем увеличении их приводов.
157
Основные теплогидравлические характеристики
активных зон реакторов ВВЭР* 1000
9.1
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Первый спроектированный в России реактор ВВЭР-1000 (В-187),
введенный в эксплуатацию в 1980 г. на 5-м блоке Нововоронежской
АЭС, имеет активную зону, составленную из 151 чехловой кассеты.
Чехлы кассет имеют перфорацию по всей высоте активной зоны. По-
следующие серии реакторов ВВЭР-1000 (малая серия В-302, В-338 и
большая серия В-320) имеют активную зону, составленную из 163
бесчехловых кассет.
Теплогидравлические характеристики активной зоны рассматри-
ваются и обосновываются в проекте во взаимосвязи с параметрами и
конструктивными особенностями реактора, который как часть про-
точного тракта теплоносителя и удерживающая активную зону кон-
струкция формирует условия ее работы.
Основные проектные параметры и теплогидравлические характе-
ристики для всех серий реакторов ВВЭР-1000 практически унифици-
рованы в пределах проектных допусков (табл. 9.1). Поэтому обосно-
вание теплогидравлических характеристик активной зоны и выпол-
нение требований нормативно-технической документации по на-
дежности и безопасности в части теплогидравлики активной зоны
рассмотрены в обобщенном виде для всех реакторов ВВЭР-1000.
Согласно нормативному документу Правила ядерной безопаснос-
ти реакторных установок атомных станций, ПБЯ РУ АЭС-89 к актив-
ным зонам, в частности, предъявляется следующее требование — при
нормальной эксплуатации эксплуатационный предел повреждения
твэлов за счет образования микротрещин с дефектами типа газовой
неплотности оболочки не должен превышать 0,2% твэл и не больше
158
Основные теплогидравлические характеристики активных зон
Таблица 9.1. Основные проектные параметры и теплогидравлические
характеристики РУ и реактора ВВЭР-1000
в стационарном режиме работы на четырех ГЦН
(номинальные значения и проектные отклонения)
Характеристика
Тепловая мощность реактора, МВт
Давление в первом контуре абсолютное
(на выходе из реактора), МПа
Давление во втором контуре, МПа
Расход теплоносителя через реактор, м3/ч
Температура теплоносителя на входе в реактор, °C
Температура теплоносителя на выходе из реактора,
Значение
3000+120
15,7±0,3
6,28±0,2
84800tX°c
290t25
320±5
0,02% твэл с прямым контактом ядерного топлива с теплоносителем.
Необходимым условием для выполнения указанных нормативных
требований с точки зрения теплогидравлических аспектов работы ак-
тивной зоны является обеспечение надежного охлаждения элементов
активной зоны и их длительной работоспособности в потоке тепло-
носителя с учетом воздействия эксплуатационных факторов в тече-
ние проектного срока службы. Требования надежного охлаждения
активной зоны в стационарном режиме работы конкретизируется в
виде ряда проектных критериев, проверка и обоснование которых яв-
ляются целью расчетно-экспериментального обоснования активной
зоны в части теплогидравлики.
Для нормальных условий эксплуатации в теплогидравлическом
проекте активной зоны обосновывается выполнение следующих теп-
лотехнических и гидромеханических критериев и требований:
• отсутствие кризиса теплоотдачи на поверхности наиболее тепло-
напряженных твэлов с доверительной вероятностью не менее
95%;
• обеспечение температурных условий работы элементов активной
зоны, при которых работоспособность и надежность этих элемен-
тов сохраняется в течение заданного ресурса работы. В частности,
159
Глава девятая
для оболочек тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 установле-
на предельно допустимая (длительно) температура наружной по-
верхности 352 °C, температура топлива — не выше температуры
плавления топлива с учетом выгорания (2600—2800 °C);
• в соответствии с результатами нейтронно-физических расчетов и
проектным обоснованием твэл установлены ограничения на мак-
симальную мощность твэла и на максимальную линейную нагруз-
ку с поверхности твэл — 448 Вт/см на нижней половине высоты
активной зоны со снижением допустимой нагрузки на верхней
половине активной зоны по линейному закону с реперной точкой
360 Вт/см на высоте 80% Наз; для твэл — 360 Вт/см на высоте
0-80% Наз, на высоте 80—100% Наз по аналогии с ограничениями
на твэл;
• должно быть обеспечено надежное удержание кассет и ОР СУЗ от
всплытия под действием гидродинамических усилий от потока
теплоносителя;
• конструктивные характеристики ОР СУЗ и НК и организация по-
тока теплоносителя через НК должны обеспечивать теплоотвод
радиационных энерговыделений от ПЭЛ и СВП и обеспечивать
время введения ОР СУЗ в активную зону в проектных пределах
1,2—4,0 с при срабатывании аварийной защиты;
• расход теплоносителя через реактор при работе 4 ГЦН должен
быть не менее минимального проектного расхода и не более мак-
симального проектного расхода. Минимальный проектный рас-
ход теплоносителя используется в анализе надежности охлажде-
ния активной зоны. Максимальный проектный расход теплоно-
сителя используется при определении гидравлических нагрузок
на ТВС и при обосновании рабочего ресурса ТВС;
• в стационарных режимах поток теплоносителя должен быть гид-
равлически устойчивым. Внутрикорпусные устройства реактора
должны обеспечивать достаточно равномерное и стабильное рас-
пределение потока теплоносителя по активной зоне при работе
различного количества ГЦН;
• температура (теплосодержание) и скорости теплоносителя в ак-
тивной зоне определяются в зависимости от мощности реактора и
расхода теплоносителя и учитываются при расчетах запасов до
кризиса теплоотдачи.
160
Основные теплогидравлические характеристики активных зон
9.2
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ПОДХОДЫ К ОБОСНОВАНИЮ
ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Основной задачей теплогидравлического расчета является определе-
ние тепловых и гидравлических характеристик реактора и активной
зоны и обоснование надежного охлаждения активной зоны в стацио-
нарных режимах нормальной эксплуатации без нарушения эксплуа-
тационного предела повреждения твэл, т.е. обеспечение выполнения
критериев и требований раздела 9.1.
Расчетный анализ теплогидравлических характеристик выполня-
ется как при номинальных проектных параметрах, так и при откло-
нениях основных параметров (мощности реактора, температуры на
входе в реактор, расхода и давления теплоносителя в первом контуре)
от номинальных значений в пределах, обусловленных работой сис-
тем контроля и регулирования, а также возможными отклонениями
характеристик оборудования первого контура в процессе эксплуата-
ции.
Проектные номинальные значения основных параметров и про-
ектные отклонения параметров, учитываемые в теплогидравличес-
ком расчете, приведены в табл. 9.1
При обосновании теплотехнической надежности охлаждения твэ-
лов учитывается наиболее неблагоприятная комбинация отклонений
параметров:
• тепловая мощность реактора 104% номинала;
• расход теплоносителя через реактор — минимальный проектный;
• отклонение давления в первом контуре от номинала — минус
0,3 МПа;
• отклонение температуры теплоносителя на входе в реактор +2 °C
от номинала (с учетом отклонения давления пара по второму кон-
туру и влияния состояния теплообменных трубок в парогенерато-
рах);
• распределение энерговыделения в активной зоне — с предельны-
ми значениями мощности твэл и предельной линейной нагрузкой
с поверхности твэл.
161
Глава девятая
Теплогидравлический расчет включает в себя несколько этапов.
На первом этапе определяются теплогидравлические характеристики
первого контура (расходы теплоносителя по петлям и через реактор,
температуры теплоносителя на входе и на выходе из реактора, пере-
пады давлений на участках тракта первого контура). По результатам
гидравлического расчета первого контура определяется номиналь-
ный проектный расход теплоносителя через реактор при номиналь-
ных значениях напорной характеристики ГЦН и номинальных про-
ектных значениях КГС первого контура. Номинальный проектный
расход через реактор составляет 84800 м3/ч, с учетом проектных от-
клонений напорной характеристики ГЦН, проектных отклонений
КГС первого контура и отклонений частоты в электросети в пределах
5О^1’о Гц определяются минимальный проектный и максимальный
проектный расходы теплоносителя через реактор, которые равны со-
ответственно 80000 и 84800 м3/ч.
Расход теплоносителя через активную зону, учитываемый при
расчете охлаждения твэл, уменьшается по сравнению с расходом че-
рез реактор на величину протечек мимо активной зоны. Эти протеч-
ки теплоносителя составляют примерно 4% общего расхода через ре-
актор и используются для охлаждения внутрикорпусных устройств
реактора и поглощающих элементов органов регулирования.
При расчете теплогидравлических характеристик в кассетах ак-
тивная зона рассматривается как система параллельно работающих
каналов-кассет (с различной мощностью энерговыделений и воз-
можными отличиями геометрических и гидравлических характерис-
тик), работающих под общим перепадом давления на активной зоне
и гидравлически взаимодействующих между собой в поперечном на-
правлении (при отсутствии чехлов на кассетах). В результате данного
расчета определяются расходы и подогревы теплоносителя по кассе-
там.
Для наиболее теплонапряженной области активной зоны (наибо-
лее теплонапряженной кассеты) проводится поячеечный расчет ло-
кальных теплогидравлических параметров (энтальпии, массовой
скорости, теплового потока с поверхности твэл, запаса до кризиса
теплоотдачи) по сечению и высоте пучка твэл.
Выбранная расчетная область в поперечном сечении разбивается
на ячейки, по высоте — на расчетные участки. В поперечном сечении
162
Основные теплогидравлические характеристики активных зон
имеются следующие типовые ячейки: межтвэльные ячейки, ячейки
около НК, ячейки в межкассетных зазорах. С учетом возможного ис-
кривления ТВС размеры ячеек в межкассетных зазорах принимают-
ся в зависимости от величины зазоров между ТВС.
Отсутствие кризиса теплоотдачи на поверхности твэл проверяется
по величине отношения критического теплового потока, определяе-
мого по локальным параметрам теплоносителя в пучке твэлов, к дей-
ствительному локальному тепловому потоку с поверхности твэл. На-
дежное охлаждение твэл считается обеспеченным с вероятностью не
менее 95%, если наименьшее значение отношения (называемое ко-
эффициентом запаса до кризиса теплоотдачи) отвечает
условию
(К,яп) = min
\ Ла11 /
9кр (1 - 5)
1,0,
где q — критический тепловой поток, рассчитанный по локальным
параметрам в ячейках пучка по соотношению ОКБ «Гидропресс [7],
полученному на основе экспериментальных данных для пучков
стержней при режимных и геометрических параметрах активных зон
реакторов ВВЭР. В соотношении учитывается влияние неравномер-
ности распределения энерговыделения по высоте на величину кри-
тического теплового потока;
8 — относительная погрешность соотношения ОКБ «Гидропресс,
равная 15% при доверительной вероятности не менее 95%;
q — действительный локальный тепловой поток с поверхности
твэл.
При определении коэффициента запаса до кризиса теплоотдачи
локальные тепловые потоки с твэл и локальные подогревы теплоно-
сителя в расчетных ячейках рассчитываются в соответствии с распре-
делениями энерговыделения по твэл и по высоте активной зоны и
дополнительно увеличиваются на величину инженерных коэффици-
ентов запаса по тепловому потоку и подогреву теплоносителя. Чис-
ленные значения инженерных коэффициентов по тепловому потоку
и подогреву теплоносителя равны каждый по 1,16.
163
Глава девятая
На основе локальных параметров в ячейках определяются коэф-
фициенты теплоотдачи от твэл к теплоносителю и температура на-
ружной поверхности оболочки твэл, а также рассчитывается темпе-
ратурный режим работы направляющего канала с ПЭЛ и СВП (тем-
пература теплоносителя в НК, температура наружной поверхности
ПЭЛ и СВП).
При анализе гидравлических нагрузок на кассету от потока тепло-
носителя учитывается максимально возможный перепад давления на
активной зоне (кассете), соответствующий максимальному проект-
ному расходу теплоносителя через реактор и максимальному значе-
нию КГС кассеты с учетом погрешности его значения. Значения КГС
кассеты и его погрешность получены по результатам эксперимен-
тальной проливки на стенде партии штатных кассет. Расчетный ко-
эффициент запаса до всплытия кассеты при нормальных условиях
эксплуатации с учетом отклонения частоты до 50,5 Гц составляет 1,4.
В режимах ННУЭ с отклонением частоты до 55 Гц гидравлические
выталкивающие усилия увеличиваются на 20%, при этом сохраняет-
ся запас до всплытия кассет.
Расчетные анализы статических расходно-напорных характерис-
тик кассет и субканалов (отдельных ячеек в пучке твэл), а также ис-
следования гидродинамики внутрикорпусного тракта реактора на
моделях в стендовых условиях и на блоках с ВВЭР-1000 в период
ПНР показывают, что в кассетах активной зоны расходы теплоноси-
теля стабильны во времени и распределение расходов по кассетам ус-
тойчивое. Косвенно о стабильности расходов по кассетам свидетель-
ствуют стабильные показания датчиков температур на выходе из кас-
сет на действующих блоках с ВВЭР-1000.
Исследованиями на моделях, на головных и серийных блоках
АЭС выявлена неравномерность распределения расхода теплоноси-
теля через хвостовики кассет, которая не превышает 15% среднего
164
____________________________________________________________________
/ Основные теплогидравлические характеристики активных зон
значения. Неравномерность обусловлена отличием условий входа
потока теплоносителя в центральные и периферийные опорные тру-
бы. Однако, как показали исследования в стендовых условиях на
сборке из семи кассет, происходит быстрое выравнивание расходов и
скоростей по сечению активной зоны на начальном участке пучка
твэл, длина которого не превышает 0,5 м. Анализ этих данных показы-
вает, что отклонение эквивалентного (усредненного по высоте актив-
ной зоны) расхода через кассету не превышает 3%. Указанное отклоне-
ние среднего расхода через кассету учитывается как одна из составля-
ющих в инженерном коэффициенте по подогреву теплоносителя.
Проектные значения основных теплогидравлических характерис-
тик реактора, активной зоны, кассет и наиболее горячей струи
(ячейки) в стационарном режиме работы реакторной установки
ВВЭР-1000 на четырех петлях по результатам расчетного обоснова-
ния представлены в табл. 9.2 (номинальные значения и проектные
отклонения от номинальных значений).
Представленные в табл. 9.2 характеристики подтверждают, что:
• проектные критерии по коэффициенту запаса до кризиса тепло-
отдачи, по температуре оболочки твэл и температуре топлива вы-
полняются; следовательно, обеспечивается надежное охлаждение
элементов активной зоны в стационарных режимах нормальной
эксплуатации;
• проектные значения по коэффициенту запаса до всплытия кассе-
ты гарантируют надежное удержание кассет в потоке теплоноси-
теля в режимах НУЭ и ННУЭ.
Фактически теплогидравлические характеристики реактора и ак-
тивной зоны по результатам измерений в период ПНР и при эксплу-
атации действующих блоков с ВВЭР-1000 находятся в основном в
пределах проектных значений согласно табл. 9.2.
165
девятая
Таблица 9.2. Проектные параметры и теплогидравлические
характеристики реактора и активной зоны
в стационарном режиме работы на четырех ГЦН
Характеристика
Тепловая мощность реактора, МВт
Давление в первом контуре абсолютное
(на выходе из реактора), МПа
Температура теплоносителя на входе
в реактор,°C
Температура теплоносителя на выходе
из реактора, °C
Расход теплоносителя через реактор, м3/ч
Расход теплоносителя через активную зону,
м3/ч
Расход теплоносителя через кассету, м3/ч
Перепад давления на активной зоне
(на кассете), МПа
Коэффициент запаса до всплытия кассеты,
не менее
Температура теплоносителя на выходе
из максимально теплонапряженной кассеты,
Значение
3000+120
15,7±0,3
2901.2
320±5
84800+_Ж
840001Х
515±55
0,142±0,025
1,4
336
166
Основные теплогидравлические характеристики активных зон
Таблица 9.2 (окончание)
Характеристика Значение
Массовое паросодержание на выходе из наиболее «горячей» струи (ячейки), не более 0,05
Средний линейный тепловой поток с твэл, Вт/см 166,2
Максимальный линейный тепловой поток с твэл, Вт/см 448
Максимальная температура наружной поверхности оболочки твэл, °C 352
Максимальная температура в топливном сердечнике твэл, °C 1800
Максимальная температура поверхности СВП и ПЭЛ, °C 355
Коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи с поверхности твэл, не менее 1,3
* Объемный расход теплоносителя указан при температуре на входе в реактор.
167
Динамические характеристики органов регулирования системы
управления и защиты активной зоны реактора ВВЭР-1000
ОР СУЗ представляют собой систему, включающую поглощающий
стержень, сцепленный со штангой привода ШЭМ и предназначен-
ный для регулирования и управления реактивностью и мощностью
реактора, а также для быстрого перевода активной зоны в подкрити-
ческое состояние.
В режиме регулирования ОР СУЗ перемещаются с рабочей скоро-
стью 2 см/с с помощью привода ШЭМ. В режиме срабатывания ава-
рийной защиты ОР СУЗ вводятся в активную зону за счет свободно-
го падения за проектное время 1,2—4,0 с. В конце падения в режиме
срабатывания АЗ обеспечивается демпфирование ОР СУЗ за счет
пружин подвески ПЭЛ и пружинного блока в головке ТВС.
Проверка и отработка механических и динамических характерис-
тик ОР СУЗ совместно с приводом ШЭМ и ТВС в режимах переме-
щения с рабочей скоростью и в режимах срабатывания АЗ проводят-
ся в период ресурсных испытаний в стендовых условиях при штатных
параметрах теплоносителя.
Расчеты динамических характеристик ОР СУЗ в режимах срабаты-
вания АЗ проводятся на стадии проектирования для обоснования и
выбора геометрических характеристик ПЭЛ, НК, дроссельных отвер-
стий в наконечниках НК, отверстий в штанге привода, характеристик
пружинного блока в головке ТВС. Расчеты проводятся по программе
КЛАСТ, которая апробирована и подтверждена результатами много-
численных испытаний ОР СУЗ на стендах и аттестована ГАН РФ.
В программе определяются следующие динамические характери-
стики ОР СУЗ на участке падения и демпфирования в режиме сраба-
тывания АЗ:
• пройденный путь (величина перемещения ОР СУЗ);
• время падения;
• скорость перемещения, в том числе скорость на подходе к головке
ТВС и в конце демпфирования;
168
Характеристики органов регулирования системы управления
• усилия, ускорение и текущие перегрузки, действующие на ОР СУЗ
на участке падения и демпфирования, как функции времени.
На действующих блоках АЭС с ВВЭР-1000 при использовании
ТВС с двухгодичной кампанией топлива не наблюдалось отступле-
ний фактических характеристик по времени падения ОР СУЗ в режи-
мах АЗ от проектных требований. С внедрением трехгодичного топ-
ливного цикла на блоках АЭС с ВВЭР-1000 стали фиксироваться на-
рушения в работе отдельных ОР СУЗ, заключающиеся в превышении
проектного времени падения ОР СУЗ и зависании отдельных ОР СУЗ
в нижней части активной зоны.
На основе анализа результатов специально проведенных исследо-
ваний на блоках АЭС и результатов дополнительных расчетов уста-
новлено, что основной причиной нарушения в работе ОР СУЗ явля-
лось повышенное механическое трение в каналах ОР СУЗ в связи с
повышенными искривлениями оси ТВС.
Для повышения надежности работы ОР СУЗ и выполнения про-
ектного требования по времени падения ОР СУЗ были разработаны и
внедрены мероприятия, предусматривающие:
• устранение причин повышенного искривления ТВС (уменьшение
рабочих усилий поджатия ТВС и увеличение запаса хода пружин
до соприкосновения витков в головках ТВС, увеличение попереч-
ной жесткости ТВС);
• утяжеление ОР СУЗ (сборки ПЭЛ и штанги привода);
• снижение гидравлических усилий на сборку ПЭЛ (за счет больше-
го дросселирования потока теплоносителя в наконечниках НК);
• снижение гидравлического усилия на штанге привода (за счет вве-
дения перфорации на штанге);
• увеличение количества пружин в головке ТВС, задействованных в
демпфировании падающих ОР СУЗ с одновременным уменьше-
нием их жесткости.
Указанные мероприятия реализовывались одновременно с внед-
рением в эксплуатацию ТВС с модернизированной головкой (ТВС-
М) и усовершенствованных ТВС (УТВС) и последующих модифика-
ций ТВС с повышенной жесткостью каркаса (ТВС-2).
В сравнительной табл. 10.1 приведены отличительные геометри-
1еские характеристики для серийных ОР СУЗ и ТВС ВВЭР-1000 и
169
Таблица 10.1. Основные геометрические и динамические характеристики различных
модификаций ОР СУЗ и ТВС
Характеристика Значение
Серийные ОРСУЗи серийная ТВС Утяжеленные ОР СУЗ и серийная ТВС Утяжеленные ОР СУЗ и ТВС-М Утяжеленные ОР СУЗ и УТВС (ТВС-2)
Масса сборки из 18 ПЭЛ с головкой, кг 16,0 18,5 18,5 18,5
Масса штанги привода ШЭМ, кг 13,0 15,3 15,3 15,3
Суммарная масса падающей системы (сборки ПЭЛ совместно со штангой привода), кг 29,0 33,8 33,8 33,8
Наружный / внутренний диаметр НК, мм 12,6/11,0 12,6/ 11,0 12,6/11,0 13,0/11,0
Наружный диаметр ПЭЛ, мм 8,2 8,2 8,2 8,2
Количество/диаметр отверстий на штанге привода, шт./мм — 2/7,0 2/7,0 2/7,0
Количество/диаметр боковых отверстий в наконечнике НК, шт./мм 4/2,0 4/2,0 4/1,5 4/2,0
Диаметр центрального отверстия в наконечнике НК, мм 4,5 4,5 2,0 2,5
Количество пружин в головке ТВС для демпфирования ОР СУЗ, шт. 1 1 16 16
Время падения ОР СУЗ в режиме
срабатывания АЗ при номинальных
параметрах, с
Скорость падения ОР СУЗ при
подходе к головке ТВС, м/с
Скорость падения ОР СУЗ после
демпфирования (ударная скорость
о каркас НК), м/с
Предельно допустимая величина
усилия механического трения
в канале ОР СУЗ из условия
непревышения времени падения
ОР СУЗ 4 с., Н
Разрешенная проектом величина
усилия механического трения
в канале ОР СУЗ, Н
Запас от разрешенной до предельно
допустимой величины усилия
механического трения в канале
ОР СУЗ, н
2,5—3,0
1,5
1,1
46
29
17
1,6
2,9
2,7
90
29
61
1,6 1,6
2,8 3,0
0 0
165 163
49 49
116 114
Глава десятая
последующих модификаций ТВС и ОР СУЗ (ТВС-М, УТВС, утяже-
ленные ОР СУЗ). В этой же таблице приведены основные результаты
расчетов динамических характеристик ОР СУЗ для сочетаний раз-
личных модификаций ТВС и ОР СУЗ, которые внедрены и эксплуа-
тируются в реакторах ВВЭР-1000 (серии В-320, В-302, В-338).
Анализ представленных данных позволяет отметить следующие
особенности условий работы различных модификаций ОР СУЗ и
ТВС:
• при нормальных проектных состояниях активной зоны все моди-
фикации ОР СУЗ и ТВС обеспечивают в режимах срабатывания
АЗ время введения ОР СУЗ в активную зону в проектных пределах
1,2-4,0 с;
• в серийных ТВС и серийных ОР СУЗ запас по усилиям механиче-
ского трения в канале ОР СУЗ недостаточен, чтобы компенсиро-
вать увеличение механического трения при повышенном искрив-
лении ТВС. Кроме того, в серийной ТВС демпфирование ОР СУЗ
одной центральной пружиной не обеспечивает полного гашения
скорости падающих ОР СУЗ, поэтому сохраняется ударная ско-
рость ОР СУЗ о каркас НК;
• использование 16-ти пружин в головках ТВС-М, УТВС и ТВС-2
для демпфирования ОР СУЗ обеспечивает полное гашение скоро-
сти падающих ОР СУЗ и исключает удар ОР СУЗ о каркас НК, т.е.
исключает ударные перегрузки на ОР СУЗ и ТВС;
• утяжеление ОР СУЗ, а также уменьшение гидравлических усилий
на сборке ПЭЛ и штанге привода позволили увеличить запас до
максимально допустимых усилий механического трения в канале
ОР СУЗ сверх проектного значения в несколько раз (от 17 Н в се-
рийных ТВС до 114—116 Н в ТВС-М и УТВС с утяжеленными ОР
СУЗ).
Таким образом, применение утяжеленных ОР СУЗ в ТВС-М,
УТВС и ТВС-2 обеспечивает надежное введение ОР СУЗ в активную
зону при срабатывании АЗ в режимах НУЭ и ННУЭ. Данные резуль-
таты расчетов подтверждены результатами стендовых испытаний, ре-
зультатами измерений и опытом эксплуатации модернизированных и
усовершенствованных ТВС на действующих блоках АЭС с
ВВЭР-1000.
172
Характеристики органов регулирования системы управления
По программе КЛАСТ проведены также расчеты динамических
характеристик ОР СУЗ в аварийных режимах разрыва трубопроводов
первого контура. Согласно результатам расчетов при всех модифика-
циях ОР СУЗ и ТВС в аварийных режимах после сигнала на срабаты-
вание АЗ ОР СУЗ перемещаются только вниз, время введения ОР
СУЗ в активную зону соответствует проектным требованиям, т. е. ме-
нее 4 с.
173
Экспериментальное обоснование конструкции
кассет реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000
В обоснование надежности принятых решений в конструкции кассет
и условий их эксплуатации были проведены многочисленные иссле-
дования на моделях, макетах и опытных кассетах (ТВС) на экспери-
ментальных стендах.
Из множества экспериментов (испытаний) основными являются:
ресурсные; транспортные; проверка собираемости активной зоны;
гидравлические (в том числе определение КГС); вибрационные ис-
пытания; исследование кризиса теплообмена; динамические испы-
тания ОР СУЗ с ТВС; исследования а.з. при аварии с потерей тепло-
носителя; исследования гидравлики проточной части кассет; испы-
тания на устойчивость и прочность.
11.1
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОНСТРУКЦИИ КАССЕТ ВВЭР-440
Экспериментальное обоснование конструкции кассет включало: вы-
бор конструктивных решений по ряду узлов; проверки надежности
конструкции в проектных условиях; функциональные исследования
и испытания [9] и [10].
В настоящем разделе кратко рассматриваются два первых из при-
веденных выше испытаний.
В связи с отсутствием аналогов, надежных расчетных методик при
разработке конструкции кассет реакторов малой и средней мощнос-
ти, конструкция ряда узлов кассет определялась экспериментальным
путем. К таким узлам следует отнести: чехол ТВС; дистанционирова-
ние пучка твэл; демпфирование кассеты АРК; крепление твэл в верх-
174
Экспериментальное обоснование конструкции кассет
ней части пучка и компенсационный зазор для пучка твэл; крепления
твэлов в нижней решетке; стыковка головки топливной сборки с по-
глощающей надставкой.
Выбор конструкции чехла
Для обоснования геометрических размеров шестигранного чехла из
циркониевого сплава проводилась проверка устойчивости шести-
гранного чехла при статическом и импульсном нагружении внешним
давлением в комбинации с продольной сжимающей силой. Исследо-
вания проводились шестигранных труб из сплава 125 размером под
«ключ» 144 мм и толщиной стенки 1,5 и 2,1 мм, а также натурных кас-
сет с теми же толщинами трубы. Проведенные исследования под-
твердили работоспособность труб при проектных статических и ди-
намических нагрузках, включая аварию с мгновенным разрывом
главного циркуляционного трубопровода Ду 500.
Дистанционирование пучка твэл
Проводились гидравлические испытания модели пучка стержней с
различными типами дистанционирующих решеток с целью выбора
конструкции. На испытания представлялись следующие типы дис-
танционирующих решеток: шестиярусная с четырьмя типами пла-
нок; четырехъярусная из пластин толщиной 1,5 мм, высотой 8 мм и с
радиусом скругления кромок 0,75 мм; одноярусная ячеистого типа.
При испытаниях выявлено, что наиболее приемлемыми по коэф-
фициентам гидравлического сопротивления являются дистанциони-
рующие решетки четырехъярусные и одноярусные.
Проводились испытания ячеистой дистанционирующей решетки
из нержавеющей стали с целью определения усилий при сборке пуч-
ка твэл на стержнях, имеющих по геометрическим размерам элемен-
ты пучка кассет с наиболее часто встречающимися дефектами, через
ячейки дистанционирующей решетки. Дефектные участки элемен-
тов имитировались увеличением диаметра части стержней до 9,5 и 10
мм, поверхность части стержня диаметром 10 мм была выполнена с
эксцентриситетом 0,31 мм по отношению к нормальной. Испытани-
ям были подвергнуты две дистанционирующие решетки.
175
Глава одиннадцатая
В процессе проведенных испытаний было измерено усилие при
прохождении стержней диаметров 9,5 и 10 мм, имитировавших де-
фектные элементы пучка кассет по геометрическим размерам, через
ячейки дистанционирующей решетки. Наибольшее усилие отмечено
у стержня диаметром 10 мм с переходной кромкой, выполненной под
углом 45°. Величина его не превышала 23 кгс.
При обосновании применения циркониевых дистанционирую-
щих и верхних решеток кассет реактора ВВЭР-440 проводились сле-
дующие работы: определение жесткости конструкции ДР; коррози-
онные испытания ЦДР; транспортные испытания кассет с ЦДР; ре-
сурсные испытания кассет с ЦДР; реакторные испытания кассет с
ЦДР; послереакторные исследования.
Получены следующие результаты.
1. При замене стали на циркониевый сплав сохраняется прочность
ДР и в 2,5—3 раза увеличивается диапазон упругих перемещений пук-
левок, увеличивается запас упругих перемещений пуклевки при
сборке пучка твэл, снижаются усилия при сборке.
2. Коррозионная стойкость ЦДР стабильная. Увеличение веса об-
разцов составило 17—18 млг/дм2, что не превышает критериев для
труб, идущих для изготовления твэл.
3. При нагрузках: вертикальной — 0,4g, продольной — 1,1g, боко-
вой - 0,3g, возникающих в процессе транспортных испытаний (же-
лезнодорожным транспортом по маршруту протяженностью около
двух тысяч километров) макеты кассет с ЦДР сохранили геометриче-
ские характеристики, люфтов и износа оболочек твэл в местах кон-
такта с ячейками ЦДР не возникло,-
4. При ресурсных стендовых испытаниях макетов кассет с ЦДР в
течение 5000 ч потертостей с изменением толщины оболочек твэл и
стенок ячеек, а также пластической деформации ДР не выявлено.
Усилия разрыва сварных соединений ячеек ДР после испытания на-
ходились в пределах 60—65 кгс.
5. Первая партия кассет с ЦДР загружалась в ППР-87 в 4-м блоке
НВАЭС. Из 349 кассет, проработавших один и два года, выявлены две
176
Экспериментальное обоснование конструкции кассет
негерметичные кассеты. При этом 126 кассет, проработавших три го-
да, сохранили герметичность. Кассеты с ЦДР, оставленные на пятый
год эксплуатации, также сохранили герметичность. По состоянию на
2003 год имеется опыт эксплуатации кассет с ЦДР в течение 6 лет.
6. Послереакторными исследованиями кассеты с ЦДР с выгора-
нием 29,4 МВт сут /кг урана показано:
• усилие извлечения твэл из пучка в среднем составило 8,6 кгс, при
максимальном —20 кгс и минимальном — 5 кгс;
• среднее значение жесткости ячеек составило 0,19 Мн/м, что в два
раза больше по сравнению с необлученными;
• среднее значение отрыва ячеек составило 1080 н;
• толщина ячеек не изменилась;
• толщина окисной пленки незначительна и составляет величину
менее 3 мкм;
• точечные сварные соединения ячеек сохранили свою целост-
ность, каких-либо существенных дефектов в местах их располо-
жения не обнаружено.
Проводились исследования поведения ЦДР в условиях аварии с
потерей теплоносителя.
После испытаний при температуре водяного пара 900 °C в течение
30 мин ячейки ЦДР имели блестящую темно-серую плотно прилега-
ющую пленку (условия средней течи).
При температуре испытаний в паровой среде (при 1200 °C и дли-
тельностью 36 с) в местах наиболее удаленных от мест контакта ЦДР
с оболочковой трубой микроструктура состоит из измельченных мар-
тенситных игл. Замена нержавеющих дистанционирующих решеток
на циркониевые при авариях с большой и малой течью главного цир-
куляционного трубопровода реакторной установки циркониевые
дистанционирующие решетки не ухудшают ситуацию.
Выбор конструкции демпфера
Для выбора конструкции демпфера кассеты АРК проводились испы-
тания их вариантов: демпфер высотой 560 мм с профилем, дающим
перегрузки не более 5g; демпфер высотой 380 мм с профилем, имею-
177
Глава одиннадцатая
щим постоянный кольцевой зазор 0,5 мм и с конусным участком в
конце демпфирования а = 12° на длине 100 мм.
Для каждого варианта демпфера снимались характеристики про-
цесса демпфирования для трех значений веса демпфируемой конст-
рукции Q = 100, 200 и 300 кг и трех значений высоты сбрасывания
груза Н = 0,5, 1,0 и 2,5 м. В процессе испытаний на участке демпфи-
рования определялись: перегрузка и путь, проделанный грузом в
функции от времени; перегрузка в функции от пути демпфирования.
Скорость движения демпфируемого тела определялась прибли-
женно как первая производная кривой перемещение — время. Луч-
шие показатели демпфирования имел демпфер высотой 560 мм.
С увеличением высоты сброса груза или увеличения веса груза
скорость в момент подхода стакана к поршню нарастает. Наибольшая
текущая перегрузка происходит на высоте демпфера 220—235 мм, у
демпфера высотой 380 м соответствует положению входа цилиндри-
ческой части стакана на цилиндрическую часть поршня. Наимень-
шее изменение скорости и перегрузки происходит на последних
— 100 мм перемещения стакана.
При сбросе груза Q = 300 кг с высоты Н = 2,5 м у демпфера высо-
той 560 мм:
• максимальная динамическая перегрузка 7g;
• максимальная ударная перегрузка 5,9g.
у демпфера высотой 380 мм:
• максимальная динамическая перегрузка 17,6g;
• максимальная ударная перегрузка 8,4g.
В конструкции кассет АРК принят демпфер высотой 380 мм, обес-
печивающий сохранность конструкции кассеты до 30g при аварийном
расцеплении кассеты АРК с динамическими нагрузками. Работоспо-
собность кассеты АРК обоснована на динамические нагрузки до 30g.
Крепление твэл в верхней части пучка
и компенсационный зазор для пучка твэл
Твэлы в верхней части закреплялись в фрезерованной решетке верх-
ними наконечниками. Компенсационный зазор для удлинения твэл
178
Экспериментальное обоснование конструкции кассет
составлял 8 мм в кассетах ВВЭР-1, ВВЭР-2, ВВЭР-3 и ВВЭР-440.
Этого было достаточно при невысоких проектных выгораниях. По
мере накопления опыта эксплуатации кассет в реакторах ВВЭР-440
стали увеличивать глубину выгорания топлива и возникла необходи-
мость увеличить компенсационный зазор до 25 мм. При этом крепле-
ние твэл в верхней решетке было выполнено с помощью дистанцио-
нирующей решетки сотового типа, закрепленной на головке кассеты.
Однако на энергоблоках АЭС «Ловииза» было зафиксировано разру-
шение верхней дистанционирующей решетки с отрывом ячеек. Для
исключения этого явления конструкция верхнего узла закрепления
твэл была изменена. Обод верхней решетки к головке кассеты не кре-
пился, но с целью фиксации пучка на чехле в верхней части были вы-
полнены пуклевки, которыми раскреплялся широкий обод верхней
решетки в радиальном направлении. В 1991—1992 гг. проводились ре-
сурсные стендовые испытания РК и кассеты АРК с новой конструк-
цией верхней решетки (не закрепленной относительно головки и
имеющей возможность осевого перемещения относительно чехла) в
объеме 3900 ч, за время ресурсных испытаний геометрические раз-
меры дистанционирующих решеток не изменялись. Сдвижки дис-
танционирующих и верхней решеток не отмечено. Износа оболочек
твэл в местах касания с ячейками решеток не обнаружено. Оболочки
сохранили герметичность в процессе всего времени испытаний. Из-
носа металла в местах контакта чехла и обода верхней решетки не
выявлено. Конструкция рабочей кассеты и ТВС кассеты АРК с но-
вым типом верхней решетки были рекомендованы к серийному из-
готовлению.
Крепление твэл в нижней решетке
Твэлы в нижней решетке закреплялись шплинтующей проволокой,
которая ограничивалась от осевого перемещения чехлом кассеты.
Однако при расходах теплоносителя через кассеты более проектного
на ряде блоков с реакторами ВВЭР-440 типа В-230 шплинтующая
проволока под действием вибрации перемещалась в направлении
своей оси и пробивала чехол. После выяснения этого явления
шплинтующая проволока закреплялась сваркой по торцам решетки.
179
Глава одиннадцатая
Однако закрепление твэл шплинтующей проволокой в нижней ре-
шетке не обеспечивает безлюфтовой посадки хвостовиков твэл. На ря-
де блоков типов В-179 и В-230 были выявлены негерметичные рабочие
кассеты из-за фреттинг-износа оболочек твэл в трех нижних дистанци-
онирующих решетках и разрушения наконечников твэл.
В связи с обнаружением этого явления были разработаны и про-
верены ресурсными испытаниями кассеты с безлюфтовой посадкой
наконечников твэл в нижней решетке без использования шплинтую-
щей проволоки. Эта конструкция наконечника твэл рекомендована к
использованию на всех типах реакторов ВВЭР-440.
Стыковка головки с поглощающей надставкой
При экспериментах на 4-м энергоблоке НВАЭС по изучению поведе-
ния топлива в маневренных режимах эксплуатации с помощью двух-
этажных кассет (кассета АРК выполнялась с двумя топливными час-
тями, верхней и нижней) было установлено, что подвергались разгер-
метизации рабочие кассеты, которые размещались в окружении кас-
сет АРК рабочей группы. Расчетами и экспериментом на физическом
стенде был подтвержден всплеск энерговыделений в периферийных
рядах твэл рабочих кассет, формирующих канал кассет АРК, из-за
переходной водяной зоны топливо-поглотитель.
В связи с выявленным фактом были разработаны ТВС кассет АРК
с размещенным в верхней части пучка твэл поглотителем нейтронов
в виде пластин из гафния. Эти кассеты прошли опытную эксплуата-
цию на 4-м энергоблоке НВАЭС и рекомендованы к распростране-
нию на все блоки ВВЭР-440.
Проверка всплытия топливной кассеты АРК
Проводилась экспериментальная проверка зависимости усилия, дей-
ствующего на кассету АРК, от величины перепада давления между
нижним и верхним торцами и величины всплытия топливной сборки
из крайнего нижнего и промежуточного положений под действием
импульсных перепадов давления.
Величина всплытия топливной сборки кассеты АРК из нижнего
положения (зоны гидравлического демпфера) при амплитуде им-
180
Экспериментальное обоснование конструкции кассет
пульса перепада давления АРсб = 7,2 ктс/см2 и его продолжительнос-
ти т = 5-10“2 с, составила Sc6 =1,6 мм.
Величина всплытия сборки из промежуточного положения при
параметрах импульса перепада ДРсб = 7,5 кгс/см2 и т = 3,5-10“2 с со-
ставила Sc6 = 4,3 мм.
11.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОНСТРУКЦИИ КАССЕТ ВВЭР-1000
В настоящем разделе кратко рассматриваются три вида испытаний в
обоснование конструкции кассет ВВЭР-1000. Теплогидравлические
и прочностные испытания приведены в [9] и [10].
Ресурсные испытания серийных кассет (макетов)
на стенде «горячей обкатки»
Целью испытаний является проверка механического состояния кас-
сеты в процессе ресурсных испытаний с исходными характеристика-
ми, имитирующими состояние кассеты в условиях с «выгоревшим
топливом (без облучения).
Критерием работоспособности и вибропрочности являются:
прочность элементов кассеты; отсутствие износа в местах контакта
элементов кассеты между собой; сохранение герметичности твэл за
срок службы кассеты.
Основные условия испытаний: испытания проводятся в колонке
стенда «горячей обкатки»; качество и химсостав воды в контуре стен-
да соответствует нормам.
Ресурсные испытания кассеты проводились при следующих пара-
метрах теплоносителя: расход воды через колонку — 590—610 м3/ч;
расход воды через кассету — 537± 10 м3/ч; температура воды на выхо-
де — 330—335 °C; давление воды на выходе — 160—161 кгс/см2; пере-
пад давления на кассете — 1,33 кгс/см2.
Глава одиннадцатая
Указанные условия испытаний имитируют режим работы кассеты
в центральной части реактора ВВЭР-1000. Испытания проводились в
сборе с опытным образцом привода для перемещения ОР СУЗ.
В процессе ресурсных испытаний в течение 3000 ч производится пе-
ремещение ОР СУЗ из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее
положение со скоростью 2 см/с, 500 двойных ходов в течение каждой
1000 ч. Перед окончанием испытаний (3000 ч) производится сброс ОР
СУЗ из крайнего верхнего положения 200 раз. Время падения 1,2—4 с.
Периодические осмотры кассеты проводятся через каждые 1000 ч.
При этом определяется отсутствие коррозионных и механических
повреждений (без разборки кассеты), проверяется усилие трения ОР
СУЗ, которое не должно превышать ±3 кг, снимаются характеристи-
ки пружин головки на предмет отсутствия релаксации.
После испытаний в течение 3000 ч проводится визуальный осмотр
кассеты и поглощающего стержня (ПС СУЗ) с контрольными заме-
рами и сравнение их фактического состояния с исходным. Особое
внимание при осмотре кассеты обращается на состояние ДР, оболо-
чек твэл в местах контакта с ячейками ДР.
Режим испытаний кассеты по условиям закрепления ее в колонке
(усилия прижатия пружин) устанавливается по результатам вибраци-
онных испытаний.
При проведении испытаний измеряются: расход через колонку;
температура на выходе из колонки; давление теплоносителя на выхо-
де; перепад давления на кассете.
Серийная бесчехловая кассета ВВЭР-1000 прошла ресурсные ис-
пытания на одноколоночном стенде в объеме 3000 ч. Разгерметиза-
ции твэл не обнаружено, поверхность твэл покрыта сплошной неот-
слаивающейся окисной пленкой темного цвета. Люфты твэл в ДР в
основном находятся в пределах требований чертежа. Геометрия пуч-
ка твэл за время испытаний меняется незначительно. Размер под
«ключ» ободов ДР находится в пределах допуска.
По результатам испытаний сделано заключение о коррозионно-меха-
нической стойкости кассеты. В дальнейшем ресурсные испытания были
продолжены на семикассетном стенде «горячей обкатки» в объеме 7000 ч.
При испытании модификаций серийной кассеты УТВС и ТВС-2,
сократив объем до 3000 часов, испытания стали проходить в два эта-
па по 1500 ч.
182
Экспериментальное обоснование конструкции кассет
В течение первого этапа выполнено: 8000 двойных ходов в зонах
7—8 (зоны регулирования), 2000 полных двойных ходов и 432 сброса
ОР СУЗ при перепаде 0,147 МПа; 63 сброса ОР СУЗ при перепадах
давлений (0-0,167) МПа.
В течение второго этапа проведены ресурсные испытания с пуль-
сатором давления теплоносителя: амплитуда пульсаций — 0,012 МПа;
частота 12 Гц, что соответствует наиболее преобладающим величи-
нам, характерным для потока теплоносителя первого контура реак-
торной установки; ОР СУЗ находится в верхнем положении.
Макет ТВС-2 испытывался в сборе с имитатором утяжеленного
ПС СУЗ и приводом СУЗ ШЭМ-3. Макет ТВС-2 после ресурсных ис-
пытаний в объеме 3000 ч (в том числе в течение 1500 ч с пульсатором
давления) также находился в удовлетворительном состоянии.
Ресурсные испытания подтвердили работоспособность макета
ТВС-2 в условиях, имитирующих эксплуатационные условия
ВВЭР-1000.
Транспортно-технологические испытания
бесчехловых кассет ВВЭР-1000
Назначение работы — обоснование вибропрочности и надежности
кассет при выполнении транспортно-технологических операций.
В качестве критериев транспортабельности кассет принималось
сохранение исходной геометрии, состояние кассет и топлива и гер-
метичность твэл.
Цель испытаний: определение влияния транспортно-технологи-
ческих операций на состояние кассет; определение характеристик
вибрационных нагрузок, действующих на кассету во время ее транс-
портировки по железной дороге.
Вибрационные измерения проводились в процессе транспорти-
ровки кассеты по железной дороге на грузовой платформе со спецте-
лежкой в составе товарного поезда по маршруту Новосибирск —
Москва — Новосибирск.
Для контроля и регистрации перегрузок на головке и хвостовике
исследуемой кассеты, а также на наружной поверхности упаковочно-
го комплекта были установлены акселерометры (датчики), обеспечи-
вающие измерения виброускорений по трем взаимно перпендику-
183
Глава одиннадцатая
лярным направлениям. Измерительная аппаратура располагалась в
вагоне, сцепленном с транспортной платформой.
Перед установкой кассеты в упаковочный комплект были прове-
дены следующие виды контроля: контроль люфтов твэл в ячейках ДР;
контроль зазоров между твэл; контроль входимости ПС СУЗ в НК;
измерение размера под «ключ» по трем парам граней ДР.
После транспортировки — контроль состояния кассеты по герме-
тичности твэл, после чего кассета разбиралась. В процессе разборки
проверяется наличие люфтов твэл в ДР; измеряются усилия извлече-
ния твэл; осматриваются твэлы в местах контакта с ячейкой ДР.
Получены магнитограммы ускорений, записанные на различных
участках пути и при различных режимах движения поезда.
Транспортно-технологические испытания подтвердили транспорт-
ную надежность конструкции кассеты ВВЭР-1000 при ее транспорти-
ровке железнодорожным транспортом на расстояние до 6000 км.
Полученные амплитудно-частотные характеристики вибрацион-
ного нагружения транспортной упаковки и кассеты могут быть ис-
пользованы при анализе вновь проектируемых кассет и транспорт-
ной упаковки на действия транспортных нагрузок, а также при необ-
ходимости — для выбора режимов нагружения при моделировании
транспортных нагрузок на вибростенде.
Экспериментальная отработка собираемости
активной зоны серийного реактора ВВЭР-1000
Так как кассеты серийного реактора ВВЭР-1000 в отличие от кассет
ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 (В-187) не имеют чехла, стал актуальным во-
прос возможности бездефектной загрузки и выгрузки активной зоны
с бесчехловыми кассетами, это потребовало экспериментальной про-
верки.
Стенд собираемости активной зоны, на котором проводились ис-
пытания, состоит из нижней и верхней плиты, координатной плиты,
соединенных каркасом. На нижней плите установлены имитаторы
верхней части опорных стаканов шахты реактора. Между верхней и
нижней плитой — выгородка. Стенд выполнен на 19 кассет.
Цель испытания: определение возможности сборки и разборки
зоны при различных вариантах ее загрузки; определение возможное-
184
Экспериментальное обоснование конструкции кассет
ти контакта твэл загружаемой кассеты с решетками соседних кассет;
определение усилия загрузки и выгрузки кассеты при различном ок-
ружении ее соседними кассетами; проверки установки, извлечения
ПС СУЗ из кассет; проверка собираемости активной зоны с кассета-
ми, имеющими максимальный проектный размер под «ключ» по ДР
S = 235,1 ±0,2 (получение этого размера обеспечено за счет наклеен-
ных пластин на гранях ДР).
Перемещение кассет относительно друг друга выполнялось со
скоростью 0,3 м/мин. При опускании кассеты в момент соприкосно-
вения ободов наблюдалась потеря веса опускаемой кассеты до
1200—1600Н, а при извлечении этих кассет — увеличение веса на
2000Н, что свидетельствует о зацеплении наклеенных пластин. После
извлечения кассет и их осмотра обнаружено, что все пластины нахо-
дятся на своих ободах ДР, но часть из них имеют задиры.
Проведенные испытания показали, что сборка-разборка зоны
прошла удовлетворительно, без повреждения ободов ДР и твэл. Пе-
рестановка ПС СУЗ прошла без замечаний.
185
Транспортно-технологическое оборудование
по обращению с кассетами ВВЭР-440
12.1
ОБОРУДОВАНИЕ УЗЛА СВЕЖЕГО ТОПЛИВА
Узел свежего топлива (УСТ) предназначен для приемки (с входным
контролем) свежего топлива на АЭС, хранения в закрытых и оплом-
бированных транспортных упаковочных комплектах — контейнерах
(ТУК), а также для подготовки свежего топлива к загрузке в реактор
и его передачи в зал обслуживания реакторного отделения.
Основное оборудование узла свежего топлива включает в себя: ТУК
для свежего ядерного топлива; поворотный стол; кантователь; стапель
с комплектом калибров; чехлы неплотные; захват для рабочих кассет;
захват ТВС; захват для герметичных пеналов; захват для чехлов.
ТУК для свежего ядерного топлива предназначены для транспор-
тировки свежих ТВС с завода-изготовителя на АЭС, а также при не-
обходимости для длительного хранения свежих ТВС в УСТ
ТУК представляет собой конструкцию, состоящую из четырех
труб, сваренных между собой трубными досками, образующими
стойки опор контейнера, и имеющую с торцов труб съемные крыш-
ки. Каждая труба имеет внутри деревянные шестигранные вкладыши
с резиновыми прокладками, предохраняющие размещенные в них
свежие ТВС от повреждения при транспортировке. Герметичность
внутренней полости каждой трубы обеспечивается резиновыми про-
кладками между крышками и фланцами труб.
Поворотный стол имеет грузоподъемность 70 т и предназначен
для подачи чехлов под люк УСТ для загрузки в них свежих РК и ТВС
кассет АРК или пеналов герметичных, либо под люк центрального
зала для транспортировки загруженных чехлов из узла свежего топ-
лива в реакторное отделение.
186
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-440
Поворотный стол состоит из поворотной плиты, на поверхности
которой расположено шесть штырей, сварной опорной рамы, шаро-
вого погона, который обеспечивает связь между опорной рамой и по-
воротной плитой и вращение поворотной плиты относительно рамы,
привода, пульта управления и конечных выключателей и неподвиж-
ной опорной рамы. Привод, укрепленный на раме, состоит из двух
открытых зубчатых пар, двух редукторов и электродвигателя.
Кантователь предназначен для перевода ТУК из горизонтального
положения в вертикальное для обеспечения извлечения краном све-
жих РК и ТВС кассет АРК из ТУК. Кантователь состоит из опорной
и поворотной рам, стоек, редуктора, зубчатого колеса, зажимов для
контейнера, привода и площадки обслуживания. В несущей раме
кантователя на двух стойках смонтирована на подшипниках сколь-
жения поворотная рама. Привод поворота рамы включает открытую
зубчатую пару, двухступенчатый первичный редуктор, электродвига-
тель и тормоз. По периметру несущая рама имеет ограждения, а для
обслуживания привода поворота рабочую площадку и лестницы. На
поворотной раме, для удержания кантуемого ТУК имеются винтовые
зажимы. Кантователь имеет концевые выключатели, колодчатое тор-
мозное устройство и блокировку на непревышение максимальной
грузоподъемности.
Стапель предназначен для входного контроля длины, отклонений
формы и расположения поверхностей топливных кассет. Контроль
РК или ТВС кассет АРК проводится при их опускании в вертикаль-
ном положении под действием собственного веса в шахту-калибр
стапеля (затирания не допускаются).
Стапель представляет собой металлоконструкцию с вертикаль-
ным калиброванным каналом и состоит из колонны, опоры, гнезда,
хвостовика и калибра.
Чехлы неплотные предназначены для временного хранения све-
жих кассет в УСТ, для транспортировки их из УСТ в приреакторный
БВ для последующей загрузки топлива в реактор, для размещения в
нем отработавшего топлива при межблочной транспортировке или
при отправке на завод регенерации. Чехол представляет собой ци-
линдрическую обечайку с днищем и двумя дистанционирующими
решетками. В отверстия верхней дистанционирующей решетки уста-
новлены шестигранные направляющие втулки с размером «под
187
Глава двенадцатая
ключ» 150 мм. В средней дистанционирующей решетке отверстия ди-
аметром 220 мм.
Захваты являются грузозахватными приспособлениями, навеши-
ваемыми на крюк крана узла свежего топлива, предназначаются для
транспортировки в пределах узла свежего топлива РК и ТВС кассет
АРК, пеналов герметичных и чехлов неплотных и чехлов для пеналов
герметичных.
Захваты состоят из трубчатых корпусов, на одном конце которых
расположены головки, соответствующие присоединительным узлам
транспортируемого оборудования, а на другом конце — вилки с ося-
ми под крюк крана у захвата для чехла, и скобы — у захватов для ТВС
и пенала герметичного. Для фиксации захватов предусмотрено под-
пружиненное кольцо, вывод которого из зацепления с кулачками го-
ловки чехла, пенала РК или ТВС кассет АРК производится путем
вертикального перемещения и разворота присоединенной к кольцу
тяги с рукояткой. Разворот захватов по углу в плане и перемещение
тяги подпружиненного кольца производится вручную.
12.2
ОБОРУДОВАНИЕ РЕАКТОРНОГО ЗАЛА
Оборудование по обращению с топливом в реакторном зале предназ-
начено для длительного хранения (до 3 лет) в бассейне выдержки
(БВ) отработавших РК и ТВС кассет АРК после их извлечения из ре-
актора, а также полной выгрузки активной зоны реактора в случае
необходимости. Хранение отработавшего топлива в течение не менее
3-х лет обеспечивает снижение активности продуктов деления и сня-
тие остаточных тепловыделений до допустимых значений.
Кроме того, система предназначена: для подготовки и отправки
ОЯТ на переработку; для временного хранения поглощающих над-
ставок; для обеспечения биологической защиты персонала; для ава-
рийной выгрузки в бассейн выдержки одной полной активной зоны
реактора на любой момент эксплуатации АЭС.
Основное оборудование системы:
• гнездо универсальное — кольцевая металлоконструкция с гори-
зонтальной посадочной поверхностью, заманом и фиксирующи-
188
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-440
ми пазами. Служит для установки чехла и контейнера для отрабо-
тавших ТВС;
• захват для чехла — трубчатая металлоконструкция, предназначен
для выполнения транспортно-технологических операций с чех-
лом для пеналов герметичных, чехлом для свежих ТВС и крышкой
транспортного контейнера для отработавшего топлива;
• машина перегрузочная, предназначенная для загрузки свежих и
выгрузки отработавших ТВС, транспортировки пеналов герме-
тичных. Машина перегрузочная состоит из моста, тележки, в цен-
тральной расточке которой установлена рабочая штанга с меха-
низмом перемещения. На поворотной площадке тележки уста-
новлена штанга с телевизионной камерой для контроля за опера-
циями с ТВС;
• стеллажи БВ, предназначенные для хранения ОТВС, а также для
размещения аварийной выгрузки активной зоны. Стеллажи со-
стоят из двух дистанционирующих плит и одной (нижней) опор-
ной плиты;
Рис .12.1. Система перегрузки
топлива ВВЭР-440:
1 — верхняя часть ТВС активной
зоны реактора; 2 — шахта реактора;
3 — бассейн выдержки со стеллажа-
ми для ТВС; 4 — ТВС; 5 — гидроза-
твор; 6 — перегрузочная машина;
7— кран; 8 — чехол; 9 — контейнер
для ОТВС; 10 — тележка
189
Глава двенадцатая
• пенал герметичный, предназначенный для хранения в нем ОТВС
с негерметичными твэлами. Пенал представляет собой цилиндри-
ческую сварную конструкцию, состоящую из корпуса с днищем и
пробки, служащей для герметизации внутренней полости пенала.
В центральной части РО, в непосредственной близости от реакто-
ра расположен бассейн выдержки.
БВ сообщается в верхней части с шахтой реактора перегрузочным
каналом, оборудованным гидрозатвором (рис. 12.1), предназначен-
ным для герметичного разделения объема бассейна выдержки от
шахты реактора и удержания уровня воды в бассейне при перегрузке.
12.3
ОПИСАНИЕ ОПЕРАЦИЙ С КАССЕТАМИ
Доставка свежих ТВС из УСТ в БВ производится в чехлах неплот-
ных, которые устанавливаются в универсальное гнездо контейнерно-
го отсека БВ. Доставка загруженных чехлов в БВ и отправка их обрат-
но после выгрузки производится краном грузоподъемностью 250/30т
с помощью штанги для чехлов (рис. 12.2).
Перегрузка ТВС из чехлов в реактор и стеллажи БВ выполняется
при помощи перегрузочной машины (ПМ). Технологическая схема
операций по перегрузке топлива включает в себя все работы, связан-
ные с работами с топливом в БВ.
Перегрузка реактора производится на остановленном блоке и на-
чинается со снятия защитного колпака и разуплотнения реактора.
После снятия верхнего блока и извлечения из реактора блока защит-
ных труб выполняются работы по перегрузке ядерного топлива. Пе-
регрузка реактора производится при помощи перегрузочной машины
под защитным слоем воды, содержащей борную кислоту, и предусма-
тривает замену выгоревшего ядерного топлива на «свежее и переста-
новку в активной зоне облученных ТВС.
Выгоревшие ТВС устанавливаются в ячейки стеллажей БВ. Све-
жие ТВС, предварительно установленные в чехле неплотном в КО
(контейнерном отсеке) БВ, переставляются в активную зону реакто-
190
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-440
02000
02250
Рис.12.2. Штанга для чехлов
191
Глава двенадцатая
150
Рис. 12.3. Захват для чехлов
0160
192
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-440
4570
193
Глава двенадцатая
Сталь 08Х18Н10Т
А —А
194,8
Рис. 12.5. Чехол неплотный
194
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-440
Рис. 12.6. Пенал герметичный
195
Глава двенадцатая
660
Рис. 12.7. Комплект упаковочный
196
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-440
ра. Облученные и выгоревшие ТВС, подлежащие проверке, проходят
контроль герметичности оболочек твэлов в пеналах КТО, находя-
щихся в БВ.
Для вывоза ОТВС с АЭС используется контейнер ТК-6, который
устанавливается в универсальное гнездо контейнерного отсека. Ис-
пользуемое оборудование при транспортно-технологических опера-
циях с ТВС представлено на рис. 12.1—12.7.
197
Транспортно-технологическое оборудование
по обращению с кассетами ВВЭР-1000
13.1
ОБОРУДОВАНИЕ УЗЛА СВЕЖЕГО ТОПЛИВА
Узел свежего топлива предназначен для выполнения транспортно-
технологических операций по приемке (с входным контролем) све-
жего топлива на АЭС и его хранения.
Проект системы хранения свежего топлива разработан исходя из
следующих положений и решений:
• УСТ размещается вне герметичной оболочки реакторного отделе-
ния энергоблока;
• свежее ядерное топливо доставляется на АЭС комплектно с пуч-
ками СВП или ПС СУЗ;
• размещение свежих ТВС при их хранении и транспортировке от-
вечает требованиям безопасности (К^ф < 0,95).
В УСТ расположен комплекс оборудования, используемого при
обращении со свежим топливом: кантователь; захват для ТВС; захват
для кластера; захват для чехла; чехол для свежих ТВС; чехол для пе-
налов; стапель.
Примечание: В тексте вместо принятых сокращений ПС СУЗ и
пучок СВП допущено применение термина «кластер», распространя-
ющегося на оба сокращения.
Кантователь предназначен для кантовки комплекта упаковочного
со свежим топливом или кластерами в вертикальное положение и
представляет собой металлическую платформу, имеющую возмож-
ность поворота на 90° относительно ее опорной оси электромехани-
ческим приводом.
198
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-1000
Захват для ТВС служит для извлечения ТВС из комплекта упако-
вочного, установки ТВС в чехол для свежих ТВС на хранение. Сцеп-
ление захвата с ТВС осуществляется вручную. Конструкция захвата
для ТВС не допускает самопроизвольного расцепления с ТВС и ис-
ключает передачу крутящего момента на головку ТВС при сцеплении
и расцеплении.
Захват для кластера предназначен для извлечения транспортиров-
ки ПС СУЗ и пучков СВП из комплекта упаковочного и транспорти-
ровки их в ХСТ. Сцепление захвата с ПС СУЗ или пучком СВП осу-
ществляется вручную и не допускает самопроизвольного расцепле-
ния.
Захват для чехла предназначен для транспортировки чехла для
свежих ТВС в помещении УСТ с помощью крана УСТ. Зацепление
осуществляется вручную и не допускает самопроизвольного расцеп-
ления с чехлом. Чехол для свежих ТВС предназначен для хранения в
нем свежих ТВС, а также каркасов с ПС СУЗ или пучками СВП в вер-
тикальном положении в ХСТ (хранилище свежего топлива) и защи-
ты их от внешних воздействий при транспортировке из УСТ в кон-
тейнерный отсек БВ. Чехол представляет собой сварную металлокон-
струкцию, состоящую из основания, крышки, дистанционирующих
решеток. Емкость чехла “18 ТВС.
Чехол для пеналов предназначен для размещения в нем порожних
пеналов герметичных в вертикальном положении с целью их транс-
портировки в реакторный зал, а также для хранения пеналов герме-
тичных в УСТ. Чехол представляет собой сварную цилиндрическую
металлоконструкцию с днищем и дистанционирующими решетками.
Емкость чехла для пеналов — 18 штук.
Стапель с вертикальным калиброванным шестигранным каналом
предназначен для входного контроля геометрии свежих ТВС в поме-
щении УСТ.
Каркас для кластеров предназначен для размещения в нем одного
свежего ПС СУЗ или одного пучка СВП и для их транспортировки в
чехлах из УСТ в реакторный зал, а также для временного хранения
отработавших ПС СУЗ и пучков СВП в стеллажах БВ.
Комплект упаковочный (КУ) является оборотной тарой и пред-
назначен для транспортировки свежих ТВС (кластеров) с завода-из-
готовителя на АЭС, а также для временного хранения их в УСТ.
199
Глава тринадцать
13.2
ОБОРУДОВАНИЕ РЕАКТОРНОГО ЗАЛА
В реакторном зале дня выполнения транспортно-технологических
операций с топливом используется следующее основное оборудова-
ние: машина перегрузочная; стеллажи бассейна выдержки; гнездо
универсальное; штанга; пенал герметичный.
Машина перегрузочная предназначена для проведения операций
с ТВС, ПС СУЗ, пучками СВП и пеналами герметичными, а также
для операций с пробками пеналов герметичных и пеналов СОДС.
Кроме того, МП позволяет контролировать высотное положение го-
ловок ТВС в реакторе с помощью специального устройства и ос-
мотреть посадочные места под ТВС.
Стеллажи бассейна выдержки предназначены для размещения и
длительного хранения отработавших ТВС, ПС СУЗ и пучков СВП,
пеналов герметичных в вертикальном положении, а также для вре-
менного хранения свежих ТВС перед их загрузкой в реактор. Стелла-
жи бассейна выдержки представляют собой металлоконструкцию,
состоящую из секций для ТВС и секций для пеналов герметичных.
Гнездо универсальное представляет собой кольцевую металлокон-
струкцию с горизонтальной посадочной поверхностью и фиксирую-
щими пазами. Гнездо универсальное смонтировано в контейнерном
отсеке БВ и предназначено для установки и ориентации в плане кон-
тейнера для отработавшего топлива, чехла для пеналов и чехла для
свежих ТВС.
Штанга предназначена для транспортировки чехлов для пеналов в
реакторном зале, для съема и установки крышек контейнера для от-
работавшего топлива и представляет собой трубчатую металлоконст-
рукцию, не допускающую самопроизвольного расцепления с захват-
ной головкой транспортируемого оборудования.
Пенал герметичный предназначен для изоляции и хранения в нем
ТВС с негерметичными твэлами, представляет собой цилиндричес-
кую сварную конструкцию, состоящую из корпуса с днищем и голо-
вкой и пробки с предохранительным клапаном.
Корпус выполнен в виде цилиндрической обечайки с днищем и
головкой, в которые вварены трубки охлаждения.
200
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-1000
13.3
ОПИСАНИЕ ОПЕРАЦИЙ С КАССЕТАМИ
Доставка с завода-изготовителя «свежих» ТВС на АЭС осуществляет-
ся в комплектах упаковочных.
Операции со «свежим» топливом УСТ проводятся в такой после-
довательности:
• КУ устанавливается на кантователь для перевода в вертикальное
положение и съема крышек;
• ТВС с помощью захвата вынимается из КУ и устанавливается в
стапель в УСТ;
• производится входной контроль ТВС;
• ТВС транспортируется и устанавливается в чехол для свежих ТВС.
Эту операцию производят до полной загрузки чехла свежими
ТВС.
Доставка чехла с ТВС в реакторное отделение производится в сле-
дующем порядке: чехол для свежих ТВС с помощью крана УСТ и за-
хвата для чехла устанавливается в гнездо платформы и транспортиру-
ется к реакторному отделению; с помощью крана и штанги чехол
поднимается в реакторный зал и устанавливается в гнездо универ-
сальное;
Аналогично осуществляется доставка в реакторное отделение чех-
ла с установленными в нем каркасами ПС СУЗ или пучками СВП.
Операции по перегрузке топлива реактора проводятся так:
• перегрузочной машиной в соответствии с картограммой перегруз-
ки отработавшие ТВС под защитным слоем воды по одной извле-
каются из реактора и устанавливаются в ячейки стеллажей БВ;
• производится перестановка ТВС и ПС СУЗ в реакторе;
• , затем МП из чехла для свежих ТВС, установленного в гнезде уни-
версальном, извлекается свежая ТВС, транспортируется к реакто-
ру или устанавливается в заданную ячейку стеллажа БВ.
В процессе перегрузки топлива может контролироваться герме-
тичность твэл, выгружаемых из реактора ТВС. При этом ТВС пооче-
редно, одна задругой с помощью МП устанавливаются в пеналы про-
201
Глава тринадцать
Рис. 13.1. Система перегрузки топлива ВВЭР-1000:
7 — кран круговой; 2—траверса контейнера для отработавшего топлива; 3— штанга для
контейнера; 4 — транспортный контейнер; 5- стеллажи бассейна выдержки; 6 — пере-
грузочная машина; 7— ТВС; 8— гидрозатвор; 9— активная зона реактора
боотборной части СОДС, размещенные в БВ. По результатам кон-
троля ТВС устанавливаются в реактор, либо в ячейку БВ, либо в пе-
нал герметичный.
Вывоз отработавших, выдержанных не менее трех лет ТВС из БВ,
проводится в следующем порядке:
• транспортный контейнер для отработавшего топлива с помощью
траверсы поднимается в вертикальном положении и устанавлива-
ется в гнездо универсальное;
202
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-1000
Ф230
Рис. 13.2. Захват для ТВС
203
Глава тринадцать
4800
А
Рис. 13.3. Комплект упаковочный
• машиной перегрузочной отработавшие ТВС, предназначенные
для вывоза, под защитным слоем воды извлекаются из стеллажей
БВ и устанавливаются одна за другой в транспортный контейнер
для отработавшего топлива;
• по окончании загрузки ТВС в транспортный контейнер для отра-
ботавшего топлива на него устанавливается крышка.
• с помощью траверсы реакторного отделения транспортный кон-
тейнер для отработавшего топлива поднимается из гнезда универ-
204
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-1000
5670
Рис. 13.4. Чехол для свежих ТВС
205
Глава тринадцать
Рис. 13.5. Стапель
сального, проводится герметизация крышки и при необходимос-
ти дезактивация контейнера;
• далее транспортный контейнер с отработавшим топливом транс-
портируется на завод регенерации топлива.
Используемое оборудование для транспортно-технологических
операций с ТВС и входного контроля представлено на рис. 13.1—13.6.
206
Транспортно-технологическое оборудование по обращению с кассетами ВВЭР-1 ООО
430
Рис. 13.6. Гнездо универсальное
207
Оценка технических решений активных зон >
реакторов ВВЭР по результатам разработки проектов
и эксплуатации на АЭС
Как показано выше, все активные зоны реакторов средней мощнос-
ти типа ВВЭР-440 и повышенной мощности типа ВВЭР-1000 полно-
стью подтвердили проектные характеристики (см. табл. 4.1 и 9.2). Од-
нако, в процессе эксплуатации всех типов реакторов возникали слу-
чаи выхода из строя кассет активных зон. Изучая опыт эксплуатации
активных зон, можно сделать вывод, что основная масса обнаружен-
ных дефектных кассет были связаны не с ошибками, заложенными в
утвержденном техническом проекте активной зоны и ее составных
частей, а с отклонениями от требований проекта при изготовлении,
условий эксплуатации, а также последующих изменений конструк-
ции и технологии изготовления кассет.
Примерами отклонений от условий эксплуатации могут быть уве-
личенные, выше допустимых проектом, расходы теплоносителя на
реакторах ВВЭР-440, приведшие к повышенным вибрациям кассет
АРК и их разрушению, а на реакторах ВВЭР-1000 - увеличенные
осевые нагрузки на кассеты активной зоны, создаваемые при сборке
реактора из-за отклонений геометрических размеров внутрикорпус-
ных устройств реактора (ВКУ) при изготовлении, и низкого уровня
проведения контрольной сборки реактора на заводе-изготовителе и
на монтаже. Повышенные осевые нагрузки на кассеты создали повы-
шенные искривления оси кассет, что в свою очередь создало повы-
шенные трения органов регулирования при движении в направляю-
щих каналах кассет, что привело к нарушению проектных характери-
стик по скорости ввода органов регулирования в активную зону по
сигналу аварийной защиты.
Необходимо отметить, что в основном выход из строя кассет ак-
тивных зон как ВВЭР-440, так и ВВЭР-1000 был связан с последую-
щими после утверждения техпроекта активных зон изменениями
конструкции и технологии изготовления кассет. Для ведения плано-
вой перегрузки всех действующих в настоящее время реакторов еже-
208
Оценка технических решений активных зон реакторов ВВЭР
Годно изготавливается около двух тысяч кассет ВВЭР-440 и около од-
ной тысячи кассет ВВЭР-1000. При таком большом серийном произ-
водстве возникает необходимость постоянного совершенствования
конструкции кассет с целью повышения безопасности, надежности,
технологичности и экономичности активной зоны.
Проводя изменения конструкции или технологии изготовления
кассет, часто рассматривая одну сторону необходимости изменения,
недостаточно анализируются другие аспекты, которые могут выте-
кать из принимаемых решений по изменению.
209
Этапы конструкторско-технологических
разработок по совершенствованию ТВС ВВЭР
15.1
КАССЕТЫ РЕАКТОРА ТИПА ВВЭР-440
Базовый проект кассеты, в котором применены сотовые дистанцио-
нирующие решетки, изготовлены из нержавеющей стали. Нижняя
опорная решетка и верхняя решетка пучка твэл в кассете закреплены
к хвостовику и головке кассеты. Твэлы закреплены в нижней опор-
ной решетке шплинтующей проволокой.
Шестигранная труба размером под «ключ» 144 мм и толщиной
стенки 2,1 мм соединена с хвостовиком и головкой кассеты по посад-
ке с гарантированным суммарным зазором 0—0,5 мм.
Проект кассеты с использованием циркониевых дистанциониру-
ющих решеток с теми же размерами, что и из нержавеющей стали. В
остальном конструкция соответствует базовой кассете.
Проект кассеты с исключением верхней фрезерованной решетки
пучка твэл, вместо которой в головке установлена фрезерованная ре-
шетка для стабилизации потока теплоносителя, а в пучке твэл уста-
новлена аналогичная остальным десятая циркониевая дистанциони-
рующая решетка сотового типа с дистанционированием по пуклев-
кам в шестигранной трубе. Линия контакта твэл — ячейка уменьшена
с 8-9 до 4—6 мм, а в последующем до 2-3 мм.
Проект разборной кассеты, в которой твэл в нижней опорной ре-
шетке крепятся с помощью цангового соединения без применения
шплинтующей проволоки.
Проект кассеты АРК, в которой между головкой и пучком твэл на
внутренней поверхности шестигранной трубы размещены листы из
гафния, обеспечившие снижение уровня тепловых нейтронов в сты-
ковочном узле кассеты АРК между ТВС и надставкой.
210
Этапы конструкторско-технологических разработок по совершенствованию ТВС ВВЭР
Внедрение высокоточной технологии при изготовлении оболочек
твэл, таблеток, дистанционирующих решеток и пучка твэл, внедре-
ние новых топливных циклов с целью повышения экономичности
использования топлива. Внедрены 4- и 5-годичные топливные цик-
лы. Подготавливается внедрение 6-годичного топливного цикла.
15.2
КАССЕТЫ РЕАКТОРА ТИПА ВВЭР-1000
Проект кассеты для 5-го блока НВАЭС, в котором по аналогии с кас-
сетами типа ВВЭР-440 пучок твэл размещен в перфорированной ше-
стигранной трубе. Дистанционирующие решетки пучка твэл выпол-
нены из нержавеющей стали, твэлы крепятся к нижней опорной ре-
шетке с помощью шплинтующей проволоки, нижняя решетка кре-
пится к хвостовику кассеты. С помощью 12 направляющих каналов
пучок твэл в верхней части дистанционируется в головке кассеты.
Хвостовик и головка кассеты крепятся винтами к шестигранной тру-
бе. Пучок ПС СУЗ включает 12 стержней. В качестве поглотителя
нейтронов применена окись европия.
В последующие годы эксплуатации реактора в кассетах сотовые
дистанционирующие решетки из нержавеющей стали заменены на
циркониевые с теми же геометрическими размерами. В качестве ма-
териала поглотителя принят карбид бора.
Проект бесчехловой конструкции кассеты принят для серийного
ВВЭР-1000. В данной конструкции кассеты отсутствует шестигран-
ная труба, вместо 12 направляющих каналов под ПС СУЗ принято 18
направляющих каналов, которые являются каркасом продольной и
поперечной жесткости кассеты. Направляющие каналы из нержа-
веющей стали закреплены к нижней несущей решетке пучка твэл и
верхней плите головки кассеты с помощью сварки. Дистанционирую-
щие решетки пучка твэл выполнены сотового типа из нержавеющей
стали. В качестве материала поглотителя принят карбид бора.
Проект усовершенствованной конструкции кассеты, в которой
направляющие каналы и дистанционирующие решетки выполнены
211
Глава пятнадцать
из циркония с теми же геометрическими размерами, что и из нержа-
веющей стали.
Конструкция усовершенствованной кассеты имеет ряд модифи-
каций, включающих: головку с уменьшенной жесткостью пружинно-
го блока; нижнюю несущую решетку уменьшенной толщины под
крепление твэл с помощью цангового соединения; часть дистанциони-
рующих решеток выполнена с пуклевками на ободах для обеспечения
более компактной упаковки кассет в активной зоне; съемную головку
для возможности дистанционной сборки-разборки ТВС; увеличенная
жесткость каркаса кассеты путем приварки всех дистанционирующих
решеток ко всем направляющим каналам; дистанционирующие решет-
ки увеличенного размера под «ключ» до 234,8^’7 мм; в стержнях ПС
СУЗ, в нижней части на высоте ~300 мм, внедрен титанат диспрозия.
Проект альтернативной кассеты, в основу которой положен про-
ект усовершенствованной конструкции кассеты, в котором все дис-
танционирущие решетки и хвостовик кассеты связаны между собой
уголками, выполненными из циркония. Кассеты дистанционируют-
ся между собой в активной зоне реактора по уголкам, размер под
«ключ» по которым, в среднем, близок 235 мм.
На всех реакторах ВВЭР-1000 внедрен 3-4-годичный топливный
цикл.
15.3
КАССЕТЫ РЕАКТОРА ТИПА ВВЭР-1500
Проект кассеты с тем же диаметром и количеством твэл, что и в кас-
сете ВВЭР-1000, но с увеличенной высотой топливного столба до
4200 мм. Направляющие каналы также приняты аналогичного с
ВВЭР-1000 поперечного размера, но количество их в пучке твэл уве-
личено с 18 у кассет ВВЭР-1000 до 24 у кассет ВВЭР-1500. Дистан-
ционирующие решетки сотового типа из циркония с тем же шагом
размещения, что и в УТВС.
212
Заключение
По проектам, разработанным ФГУП ОКБ «Гидропресс», в 2003 г. в
эксплуатации находились 27 энергоблоков с реакторами типа
ВВЭР-440 и 23 энергоблока с реакторами типа ВВЭР-1000.
К 2003 г. в этих реакторах успешно отработали:
• в реакторах типа ВВЭР-440 — около 70000 кассет;
• в реакторах типа ВВЭР-1000 — около 20000 кассет.
В кассетах типа ВВЭР-440 достигнуто максимальное выгорание
топлива в твэл до 50 МВт-сут/кг урана, удельный расход топлива со-
ставил 0,196 кги/МВт-сут.
В кассетах типа ВВЭР-1000 достигнуто максимальное выгорание
топлива в твэл до 55 МВт-сут/кг урана, удельный расход топлива со-
ставил 0,198 кги/МВт-сут.
Благодаря отдельным оригинальным решениям топливо ВВЭР
существенно отличается по конструкции от топлива всех остальных
зарубежных производителей. Причем, как по качеству проектов, так
и по надежности оно не уступает лучшим мировым показателям. Та-
кие решения, как сотовая конструкция пучка (шестигранная форма),
соответствующая форма и конструкция ДР практически исключили
случаи фреттинг-коррозии оболочек твэл в ДР. Обеспечены благо-
приятные условия работы ПС СУЗ, что исключает возможность из-
носа оболочек ПЭЛ.
213
1. Ананьев Ю.А., Богачев Г.А. Расчет поля энерговыделения в ше-
стигранных кассетах (программа шестигранник). Препринт
ИАЭ-2417, М., 1974.
2. Новиков А.Н., Пшенин В.В. и др. Система программ физрасче-
тов и некоторые вопросы совершенствования топливных циклов
ВВЭР. Сб. «Вопросы атомной науки и техники». Серия «Физика
ядерных реакторов». Вып. 1, М., 1992.
3. ВАНТ. Серия «Физика ядерных реакторов». Вып. 1, М., 1991.
4. Руководящий документ. Номенклатура эксплуатационных ней-
тронно-физических расчетов и экспериментов для топливных загру-
зок ВВЭР-440. РД 95.027.01-96. № ИФР 95.027.01-96. М., 1996.
5. Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных
станций ПБЯ РУ АЭС, ПНАЭ Г-1-024-90, М., Энергоатомиздат, 1990.
6. Решетников Ф.Г. и др. Проблемы создания твэл ВВЭР-1000 для
работы в условиях маневренных АЭС и повышенного выгорания.
Атомная энергия. Том 64. Вып. 4, М., 1988.
7. Астахов В.И., Безруков Ю.А. и др. Исследование влияния про-
филя тепловыделения по длине на кризис теплообмена в пучках
стержней. Сборник докладов. Семинар ТФ-78, Будапешт, 1978.
8. Денисов В.П., Драгунов Ю.Г. Реакторные установки ВВЭР для
атомных электростанций, М., ИздАТ, 2002.
9. Логвинов С.А. и др. Экспериментальное обоснование теплоги-
дравлической надежности реакторов ВВЭР.
10. Дранченко Б.Н. и др. Экспериментальные исследования на-
пряженного состояния и прочности оборудования ВВЭР.
11. Samoilov О.В., Kajdalov V.B., Panyushkin А.К., Kurskov V.S.,
Molchanov V.L. Alternative fuel for WER-1000. Concept. Design. Trial
operation results. Report to the 3d int. Seminar «Utilization, modeling sup-
port of fuel for WER», Oct. 4-8 1999, Pamporovo, Bulgaria.
12. Samoilov O.B., Kuul V.S., Panyushkin A.K., Zhele V.M.,
214
Список литературы
Molchanov V.L. Results of alternative fuel assembly development and oper-
ation in WER-1000 at Kalinin NPP and tasks for fuel cycle improvement.
Report to int. conf. «WER — technical innovation for the next century».
April 17—20 2000, Prague, Czech Republic/
13. Councill D.N., Tolev T.L. Development of a new WER-440 fuel
design. 8th AFR Symposium on WER Reactor Physics and Reactor Safety,
Czech Republic, September 1988.
14. Евдокименко В.В., Юременко В.П. Аттестация программного
комплекса Micro Fe в Госатомнадзоре России. Труды 2-й Всероссий-
ской научно-технической конференции «Обеспечение безопасности
АЭС с ВВЭР», г. Подольск: ОКБ Гидропресс, 2001., т. 1.
15. Хмелевский М.Я. и др. Конечно-элементный программный
комплекс FEMINA (двумерная термомеханика). Программная доку-
ментация и верификация. Препринт ФЭИ-2602, Обнинск, 1997.
16. Семишкин В.П., Воронцов А.Н., Пузанов Д.Н., Шарый Н.В.
Расчетное моделирование изгиба ТВС с учетом особенностей ло-
кального взаимодействия твэлов с ДР. Труды 3-й Всероссийской на-
учно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с
ВВЭР», Подольск: ОКБ «Гидропресс», 2003.
17. Троянов В.М., Лихачев Ю.И., Фоломеев В.И. Метод расчета
продольно-поперечного изгиба бесчехловой ТВС ВВЭР-1000 при
эксплуатационных нагрузках // Известия вузов. Ядерная энергетика.
2002, №2.
18. Данилов В.Л., Зарубин С.В., Семишкин В.П. и др. Расчетно-
теоретический анализ напряженно-деформированного состояния
тепловыделяющей сборки ВВЭР-1000. Труды 2-й Всероссийской на-
учно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с
ВВЭР», г. Подольск, 2001, т. 3, с. 292—296.
19. Троянов В.М., Лихачев Ю.И., Фоломеев В.И. Общая поста-
новка исследований термомеханического поведения активной зоны
ВВЭР-1000 // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2002, №2. С.
33-43.
20. Данилов В.Л., Зарубин С.В., Семишкин В.П., Шарый Н.В.
Расчетный анализ деформирования тепловыделяющей сборки
ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации. Труды 3-й Всероссийской науч-
но-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с
ВВЭР», г. Подольск: ОКБ «Гидропресс», 2003, т. 4.
215
Список литературы
21. Троянов В.М., Лихачев Ю.И., Фоломеев В.И. Метод расчета на
сейсмическое воздействие активной зоны ВВЭР-1000 // Известия ву-
зов. Ядерная энергетика. 2002, №3. С. 26—33.
22. Троянов В.М., Лихачев Ю.И., Фоломеев В.И. Расчетное
моделирование термомеханического поведения активной зоны
ВВЭР-1000 в авариях с потерей теплоносителя // Известия вузов.
Ядерная энергетика. 2002, №3. С. 19—26.
В книге использованы проектные материалы по реакторным уста-
новкам ВВЭР, разработанные ОКБ «Гидропресс».
216
Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ............................................ 3
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ........................... 5
—L
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ............................................... 6
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ АКТИВНЫХ ЗОН РЕАКТОРОВ
ТИПА ВВЭР-440 ......................................... 8
2.1. Общие требования к разработке активной зоны ... 8
2.2. Поиск схемных и конструктивных решений
по кассетам....................................... 9
2.3. Размер и форма кассет ....................... 12
2.4. Способ крепления концевых деталей к каркасу
кассеты......................................... 12
2.5. Конструкционные материалы кассет ............. 13
2.6. Создание конструкции твэл..................... 16
2.7. Выбор типа и конструкции дистанционирую-
щих решеток...................................... 18
2.8. Способ крепления пучка твэл .................. 21
2.9. Конструкция кассет реактора ВВЭР-1 ........... 23
2.10. Конструкция кассет реактора ВВЭР-2
(АЭС «Райнсберг», ГДР)............................ 31
2.11. Конструкция кассет реактора ВВЭР-ЗМ
(2-й блок НВАЭС) ................................ 35
2.12. Конструкция кассет серийного реактора ВВЭР-440 37
217
Оглавление
Глава 3
ПРОЕКТНЫЕ ОСНОВЫ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНЫХ ЗОН РЕАКТОРОВ
ТИПА ВВЭР-440 ........................................ 44
Глава 4
ПРОЕКТНЫЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНЫХ ЗОН РЕАКТОРОВ
ТИПА ВВЭР-440 ................................. . 66
4.1. Требования к теплогидравлическим характеристикам
активных зон ................................ 66
4.2. Основные положения расчетного обоснования
теплогидравлических характеристик............ 69
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАССЕТ
РЕАКТОРОВ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ.................... 72
5.1. Опыт эксплуатации кассет реактора ВВЭР-1....... 72
5.2. Опыт эксплуатации кассет реактора ВВЭР-2....... 75
5.3. Опыт эксплуатации кассет реактора ВВЭР-ЗМ .... 77
5.4. Опыт эксплуатации кассет реакторов ВВЭР-440 ... 80
5.5. Модернизация конструкции кассет и топливных
циклов........................................... 83
Глава 6
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ КАССЕТ РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000 .......... 94
6.1. Предпосылки для разработки..................... 94
6.2. Конструкция активной зоны, кассеты
и ПС СУЗ ВВЭР-1000 (В-187) 5-го блока НВАЭС .. 94
6.3. Конструкция активной зоны, кассет и ПС СУЗ
серийного реактора ВВЭР-1000 ................... 100
6.4. Технологические особенности производства
и сборки кассет ............................... 109
6.5. Основные эксплуатационные показатели.......... 111
Оглавление
6.6. Обеспечение надежности серийных ТВС
на действующих блоках......................... 115
6.7. Конструкция модернизированной гибридной
кассеты ВВЭР-1000 ............................ 116
6.8. Предпосылки для разработки УТВС.......... 119
6.9. Альтернативная тепловыделяющая сборка
реактора ВВЭР-1000 ........................... 127
6.10. Создание кассеты ТВС-2 .................. 128
6.11. Создание кассет повышенной мощности
для реактора ВВЭР-1500 ........................ 133
ПРОЕКТНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
КАССЕТ АКТИВНОЙ ЗОНЫ РЕАКТОРОВ
ВВЭР-440 И ВВЭР-1000 ............................ 140
Глава 8
ПРОЕКТНЫЕ ОСНОВЫ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНЫХ ЗОН РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000 . 146
♦
ОСНОВНЫЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
АКТИВНЫХ ЗОН РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000................. 158
9.1. Общие положения.......................... 158
9.2. Основные задачи и подходы к обоснованию
теплогидравлических характеристик.............. 161
Глава 10
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРГАНОВ
РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ
АКТИВНОЙ ЗОНЫ РЕАКТОРА ВВЭР-1000................. 168
219
Оглавление
Глава 11
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
КАССЕТ РЕАКТОРОВ ВВЭР-440 И ВВЭР-1000........... 174
11.1. Экспериментальное обоснование конструкции
кассет ВВЭР-440 .............................. 174
11.2. Экспериментальное обоснование конструкции
кассет ВВЭР-1000 ............................. 181
Глава 12
ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ПО ОБРАЩЕНИЮ С КАССЕТАМИ ВВЭР-440............... 186
12.1. Оборудование узла свежего топлива....... 186
12.2. Оборудование реакторного зала........... 188
12.3. Описание операций с кассетами .......... 190
Глава 13
ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ПО ОБРАЩЕНИЮ С КАССЕТАМИ ВВЭР-1000 ............. 198
13.1. Оборудование узла свежего топлива....... 198
13.2. Оборудование реакторного зала........... 200
13.3. Описание операций с кассетами........... 201
Глава 14
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ АКТИВНЫХ ЗОН
РЕАКТОРОВ ВВЭР ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАЗРАБОТКИ ПРОЕКТОВ
И ЭКСПЛУАТАЦИИ НА АЭС........................... 208
Глава 15
ЭТАПЫ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК
ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТВС ВВЭР................... 210
15.1. Кассеты реактора типа ВВЭР-440 ......... 210
15.2. Кассеты реактора типа ВВЭР-1000 ........ 211
15.3. Кассеты реактора типа ВВЭР-1500 ....... 212
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................... 213
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................... 214
220
Научное издание
Шмелев Владимир Дмитриевич
Драгунов Юрий Григорьевич
Денисов Владимир Павлович
Васильченко Иван Никитович
АКТИВНЫЕ ЗОНЫ ВВЭР
ДЛЯ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Редактор В.П. Репнева
Художник Л. С Скороход
Дизайнер обложки А.А. Зернов
Компьютерный дизайн и верстка О.Д. Эшлиман