Развитие ТВСА ВВЭР-1000. Расчетно-экспериментальное обоснование перемешивающих решеток

О.Б. Самойлов, В.Б. Кайдалов, А.И. Романов, А.А. Фальков

ОАО «ОКБМ Африкантов», г. Н.Новгород, Россия

В.Л. Молчанов, В.Б. Ионов

ОАО "ТВЭЛ", г. Москва, Россия

А.Д. Ефанов, Р.С. Пометько

ГНЦ РФ ФЭИ, г. Обнинск, Россия

ТВСА с жестким уголковым каркасом успешно эксплуатируются на 17 блоках ВВЭР-1000 Калининской АЭС, АЭС Украины и Болгарии. Достигнуты высокие ресурсные показатели ТВСА: 31 сборка проработала 5-7 лет с достижением выгорания по твэлам 72 МВтсут/кгU и ресурса 2075 эфф. сут. [1, 2].

Уголковая конструкция ТВСА имеет теплогидравлические положительные качества - невысокое гидравлическое сопротивление и более оптимальное для охлаждения твэлов распределение расхода по ячейкам за счет меньшего диаметра НК и наличия уголков жесткости, вытесняющих часть байпаса расхода из ненагруженного межкассетного пространства в ячейки ТВСА [3-5].

Проводится совершенствование ТВСА в целях повышения технико-экономических показателей и конкурентоспособности российского топлива для ВВЭР-1000.

Развитием базовой конструкции ТВСА является ТВСА-PLUS с удлиненным топливным столбом на 150 мм, укороченным хвостовиком и головкой, позволяющая реализовать 18 месячные циклы с повышением мощности энергоблока.

Разработаны усовершенствованные модификации ТВСА с перемешивающими решетками-интенсификаторами: топливная сборка нового поколения ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т для АЭС «Темелин».

Выполнен комплекс расчетно-экспериментальных исследований в обоснование эффективности перемешивающих решеток (ПР). Результаты исследований свидетельствуют об эффективности конструкции ПР по интенсивности перемешивания и повышению критического теплового потока. Применение ПР приводит к выравниванию температуры по сечению сборки, снижению локального паросодержания, повышению запасов до кризиса теплоотдачи и обеспечивает возможность повышения мощности активной зоны.

ТВСА-PLUS является развитием базовой конструкции ТВСА и позволяет повысить ураноемкость и создать потенциал для увеличения мощности активной зоны. Конструкция обоснована результатами эксплуатации прототипов в течение 5 лет на Калининской АЭС. Конструктивные решения ТВСА-PLUS:

· 15 дистанционирующих решеток «арочного» типа высотой 20 мм;

· оптимизация расположения опорных втулок в составе каркаса;

· антивибрационный нижний узел;

· укороченный концевые детали - головка и хвостовик;

· унифицированный твэл с увеличенном на 150 мм топливным столбом;

· обогащение по U235 - до 4,95%;

· разборность и ремонтопригодность конструкции;

· антидебрисный фильтр.

Успешно реализован прототип ТВСА-PLUS - модификация ТВСА-У с удлиненным топливным столбом на 150 мм. Две сборки ТВСА-У отработали и планово выгружены после 5 лет эксплуатации на 1 блоке Калининской АЭС с достижением максимального выгорания по сборке - 49,5 МВт·сут/кгU.

Разработан технический проект ТВСА-PLUS. Постановка на производство ТВСА-PLUS и изготовление комплекта подпитки для блока №3 КлнАЭС будет осуществлена в 2009 году. На базе ТВСА-PLUS планируется перевод блоков № 2 и 3 КлнАЭС в 18 месячные топливные циклы с работой на мощности 104% от номинальной.

Конкурентоспособная топливная сборка ТВСА-АЛЬФА с увеличенной ураноемкостью, меньшей материалоемкостью и улучшенными теплотехническими характеристиками является результатом эволюционного развития базовой конструкции ТВСА. Конструктивные решения ТВСА-АЛЬФА:

· 8 дистанционирующих решеток «арочного» типа высотой 35 мм;

· отказ от опорных втулок в составе каркаса;

· антивибрационный нижний узел;

· твэлы повышенной ураноемкости (топливная таблетка 7,8/0мм и 7,6/1,2 мм);

· обогащение по U235 - до 4,95%;

· разборность и ремонтопригодность конструкции;

· антидебрисный фильтр (опция);

· применение перемешивающих решеток (опция).

Конструкция ПР ТВСА-АЛЬФА - пластинчатая решетка с дефлекторами потока без функции дистанционирования твэлов. ПР устанавливается между основными ДР в верхней части активной зоны (рисунок 1).

Технические решения ТВСА-АЛЬФА соответствуют мировым тенденциям совершенствования топлива и подтверждены реакторными испытаниями модификаций ТВСА и опытом эксплуатации ТВСА-АЛЬФА. В настоящее время работают более 100 ТВСА-АЛЬФА различной длительности эксплуатации. Достигнуто выгорание 47 МВт·сут/кгU по ТВС и 53 МВт·сут/кгU по твэлам.

Благодаря меньшему количеству ДР ТВСА-АЛЬФА имеет меньшую материалоемкость и меньшее количество сварных точек.

В ТВСА-АЛЬФА сохраняются все эксплуатационные и теплогидравлические положительные качества ТВСА. ТВСА-АЛЬФА характеризуется низким гидравлическим сопротивлением и имеет резерв на постановку ~4-6 перемешивающих решеток-интенсификаторов.

Тепловыделяющая сборка ТВСА-Т для АЭС «Темелин»

В рамках контракта на поставку топлива для АЭС «Темелин» (Чехия) разработана тепловыделяющая сборка ТВСА-Т на основе отработанных решений ТВСА-АЛЬФА.

Рис.1. Перемешивающая решетка-интенсификатор

перемешивающий решетка топливный теплоотдача

Конструкция ТВСА-Т по сравнению с ТВСА-АЛЬФА характеризуется применением комбинированных решеток и удлинением топливного столба на 150 мм, основанным на отработанных решениях ТВСА-У.

Комбинированная двухярусная решетка состоит из ячейковой ДР и пластинчатой перемешивающей решетки типа ПР ТВСА-АЛЬФА, расположенных в одном ободе. Комбинированные ДР обеспечивают выравнивание гидравлического сопротивления с референсными ТВС в смешанной активной зоне и перемешивание теплоносителя по сечению ТВС. Основные характеристики ТВСА-Т и параметры активной зоны представлены в таблице 1.

Рис.2. Комбинированная решетка ТВСА-Т

Таблица 1

Основные характеристики и параметры ТВСА-Т

Характеристики ТВСА-Т обеспечивают эксплуатацию в условиях гибкого топливного цикла с уменьшенной утечкой нейтронов с возможностью изменения длительности кампании в пределах 230-500 эфф. сут. Референсный топливный цикл для ТВСА-Т - 5-годичный цикл с 36 ТВС подпитки длительностью 320 эфф. Сут.

Работы по обоснованию ТВСА-Т включали теплогидравлические испытания и исследования, комплексные механические, вибропрочностные и ресурсные испытания.

Основные работы по проекту включали разработку нейтронно-физической и теплогидравлической частей проекта, проекта твэла, механического проекта топливной сборки и разработку отчета по анализу безопасности в объеме главы 4 и 15 SAR.

Обоснования проекта и анализ аварий выполняется с использованием Методик, которые основываются на применяемой в России методологии обоснования безопасности ВВЭР, нормативных документах Ростехнадзора с учетом выполнения требований нормативных документов Чехии.

Выполнен большой объем расчетных и экспериментальных исследований в обоснование перемешивающих решеток-интенсификаторов в рамках проектов ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т.

Работы по обоснованию ПР включали теплогидравлические испытания и исследования, комплексные механические, вибропрочностные и ресурсные испытания.

Теплогидравлическое обоснование ПР ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т выполнялось совместно ОКБМ, ФЭИ и НГТУ и включало:

- гидравлические испытания на фрагментах и полномасштабном макете;

- исследование смесительных свойств на крупномасштабной
57-стержневой модели методом пропанового трассера в НГТУ;

- исследование теплогидравлики и кризиса теплоотдачи на 19-стержневых моделях в ОКБМ и ФЭИ;

- обоснование корреляции критического теплового потока (КТП) для ТВСА с ПР. Верификация в составе ячейкового кода КАНАЛ.

Коэффициенты гидросопротивления ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т, включая ДР, комбинированную ДР и ПР определены по результатам гидравлических испытаний полномасштабных макетов ТВС на стенде РГС при натурных параметрах теплоносителя.

Рис. 3. Поперечное сечение моделей ТВСА с радиальной неравномерностью энерговыделений

ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т имеют одинаковую конструкцию ПР, и выполненные исследования по двум проектам дополняют друг друга и служат дополнительным подтверждением эффективности ПР.

Исследования теплогидравлических характеристик и кризиса теплоотдачи проводились на 19-стержневых моделях ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т на двух водяных теплофизических стендах - на стенде Л-186 ОКБМ и стенде СВД-2 ФЭИ.

Дополнительно проводились поддерживающие и оптимизационные эксперименты на 19-стержневых моделях ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т на фреоновом стенде ФЭИ.

База экспериментальных данных по кризису теплоотдачи содержит результаты исследований на 7 моделях ТВСА-АЛЬФА с ПР типа «закрутка» (~400 экспериментальных точек) и 8 моделях ТВСА-Т (5 моделей ОКБМ и 3 модели ГНЦ РФ-ФЭИ - 940 экспериментальных точек) и включает модели, учитывающие особенности теплогидравлических ячеек сборки (стандартная ячейка, ячейка НК, уголковая ячейка), и модели с радиальной и аксиальной неравномерностью энерговыделения.

Исследованные модели ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т включают:

- модель со стандартными ячейками, равномерное радиальное поле;

- модели со стандартными ячейками, неравномерное радиальное поле типа «купол»;

- модели со стандартными ячейками, неравномерное радиальное поле типа «ступенька»;

- модель с ячейками вблизи уголка, равномерное радиальное поле;

- модель с НК, неравномерное радиальное поле типа «купол».

Вид поперечного сечения моделей ТВСА с неравномерным распределением энерговыделений по сечению представлены на рисунке 3.

Исследованы модели с неравномерными аксиальными профилями энерговыделения: типа “косинус” и с максимумом на высоте 0,8 Наз.

Проведены также исследования на модели ТВСА-Т укороченной длины, что позволило получить экспериментальные данные по критическим тепловым потокам в области отрицательных балансных паросодержаний до ~ -0,4.

Получены экспериментальные данные по критическим тепловым потокам (КТП) в следующем диапазоне параметров:

давление 9,7 18 МПа;

массовая скорость 500 5000 кг/(м2·с);

относительная энтальпия -0,4 +0,4.

Исследования оптимизированных ПР. Проведены оптимизационные проработки и исследования с целью повышения эффективности ПР ТВСА-АЛЬФА - оптимизация размера, угла наклона и размещения дефлекторов. Выполнена оптимизация ПР с размещением дефлекторов по так называемой схеме порядная «прогонка».

Выполнен комплекс экспериментальных исследований теплогидравлических характеристик и кризиса теплоотдачи на теплофизическом стенде на 19-стержневых моделях ТВСА-АЛЬФА с ПР с размещением дефлекторов по схеме «порядная прогонка», включая модели со стандартной ячейкой и НК с различным количеством ПР и радиальными и аксиальными эпюрами энерговыделения (~900 режимов). Исследованы аксиальные профили энерговыделения типа косинус и с максимумом в верхней части сборки.

По результатам выполненных исследований показана более высокая эффективность ПР типа «порядная прогонка» по значениям коэффициента перемешивания и эффекту увеличения критического теплового потока по сравнению с ранее исследованной ПР с размещением дефлекторов по схеме «закрутка» вокруг твэла.

Сопоставление экспериментальных результатов по кризису теплоотдачи на моделях ТВСА-АЛЬФА с ПР с различным размещением дефлекторов показано на рисунке 4. Применение ПР типа «прогонка» приводит к увеличению критической мощности сборки на 10-15% (повышению критических тепловых потоков до ~40%).

Рис. 4. Результаты исследований КТП на моделях ТВСА-АЛЬФА с ПР (P = 15,7 МПа, Tвх = 290°С)

Исследование межъячейкового обмена и эффективности перемешивания теплоносителя при использовании ПР проведено по заказу ОКБМ на аэродинамическом стенде НГТУ методом пропанового трассера [6] на 3 масштабных моделях (рисунок 5):

- 19-стержневая модель ТВСА;

- 61-стержневая модель ТВСА;

- 57-стержневая модель фрагмента активной зоны, включающая сегменты трех соседних топливных сборок и межкассетное пространство.

Экспериментальные модели выполнены с соблюдением полного геометрического подобия пучков твэлов, дистанционирующих и перемешивающих решеток. Выполнены исследования влияние геометрии дефлекторов ПР на интенсивность перемешивания.

На основе анализа результатов исследования эффективности перемешивания на моделях ТВСА трассерным методом, а также распределения температуры на 19-стержневых моделях на теплофизическом стенде выполнено обоснование коэффициентов межъячейкового перемешивания.

Рис. 5. Схемы 61-стержневой и 57-стержневой моделей

Для определения средней эффективной величины коэффициента межъячейкового обмена в ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т с комбинированными решетками проводились расчеты экспериментальных режимов по коду КАНАЛ при различных значениях коэффициента перемешивания. Эффективный коэффициент межъячейкового обмена определялся исходя из обеспечения минимального отклонения расчетных и экспериментальных значений локальных параметров для всей серии экспериментальных режимов.

Для оценки эффективности межъячейкового обмена используется также безразмерный коэффициент тепловой диффузии TDC (Thermal Diffusion Coefficient), определяемый как TDC = w/w0,

где w - скорость теплоносителя в поперечном направлении, м/с,

w0 - скорость теплоносителя в аксиальном направлении, м/с.

По результатам выполненных исследований для ТВСА-АЛЬФА с ПР типа «закрутка» минимальное значение коэффициента тепловой диффузии с учетом погрешностей определения составляет TDC = 0,06, что соответствует увеличению среднего значения коэффициента межъячейкового перемешивания в ~ 5,0 раз по сравнению со значением для пучков твэлов без смесительных элементов.

Исследования перемешивания теплоносителя в ТВСА с ПР типа "закрутка" и "порядная прогонка" на моделях с увеличенным числом имитаторов твэлов подтвердили результаты, полученные ранее на 19-стержневых моделях.

Для ТВСА с ПР типа "порядная прогонка" зафиксирован перенос массы из межкассетного зазора внутрь соседних ТВСА на 2-3 ряда ячеек, что свидетельствует об интенсификации межкассетного обмена.

Разработка и обоснование корреляции для расчета КТП

На основе анализа результатов исследования кризиса теплоотдачи разработана корреляция CRT-1 для расчета критического теплового потока по локальным параметрам в ТВСА-Т с комбинированными решетками:

qcr = Q(P, сW, x)* FSC * FF

где FSC - поправочный коэффициент, учитывающий геометрические характеристики ячеек,

FF - форм-фактор для учета аксиальной неравномерности энерговыделения имеет вид:

,

где C - эмпирический коэффициент, 1/м,

q(zCHF) - тепловой поток в расчетном сечении,

q(z) - тепловой поток в сечении с координатой z,

zCHF - координата расчетного сечения.

Область применения корреляции CRT-1 разделена на основную и расширенную область параметров. Основная область параметров выбрана на основе опыта анализа безопасности и соответствует важным режимам по условиям DNBR - давление 1317 МПа, массовая скорость 10004000 кг/(м2·с), относительная энтальпия -0,1+0,3.

Рис. 6. Сопоставление экспериментальных значений КТП для моделей ТВСА-Т с расчетом по корреляции CRT-1

Рис.7. Сопоставление КТП для моделей ТВСА-АЛЬФА с ПР типа «закрутка» с расчетом по корреляции Безрукова Ю.А.

По результатам статистического анализа для основной области параметров среднеквадратичная погрешность расчета КТП по корреляции CRT-1 в составе ячейкового теплогидравлического кода КАНАЛ составляет 10%.

Сопоставление результатов расчета критических тепловых потоков по коду КАНАЛ с использованием корреляции CRT-1 с экспериментальными данными для моделей ТВСА-Т показано на рисунке 6.

Сопоставление экспериментальных значений критических тепловых потоков для моделей ТВСА-АЛЬФА с ПР типа «закрутка» с расчетом по корреляции Безрукова Ю.А. приведено на рисунке 7. Результаты сопоставления показывают, что увеличение КТП за счет ПР при одинаковых локальных параметрах составляет ~15% в условиях близких к режиму работы на номинальной мощности.

На основе обширной базы экспериментальных данных по кризису теплоотдачи, полученной на 19-стержневых моделях, разрабатывается корреляция для расчета КТП по локальным параметрам в ТВСА-АЛЬФА с ПР типа «прогонка».

Рис. 8. Сопоставление корреляций для расчета КТП при P=15,7 МПа

На рисунке 8 представлено сопоставление корреляций для расчета КТП. Видно, что корреляции для ТВСА с ПР имеют более слабую зависимость от паросодержания, чем корреляция Безрукова Ю.А., применимая для сборок с сотовыми ДР без турбулизаторов. Это дает для ТВСА с ПР дополнительный эффект увеличения запаса до кризиса теплообмена (DNBR) в режимах ННЭ и аварийных режимах, сопровождающихся увеличением паросодержания.

Теплотехнические характеристики активной зоны на базе ТВСА-АЛЬФА с ПР. Наличие ПР приводит к выравниванию подогревов теплоносителя, снижению локального паросодержания, увеличению DNBR, позволяет реализовать эффективные топливные циклы с увеличенным энерговыделением твэлов и дает возможность дополнительного повышения мощности активной зоны.

Эффект применения ПР в ТВСА-АЛЬФА в активной зоне ВВЭР-1000 характеризуется:

- снижением максимального локального паросодержания на ~3%;

- увеличением минимального DNBR на ~20-30%.

Снижение локального паросодержания за счет использования ПР является важным фактором для обеспечения высокой ресурсной надежности твэлов с учетом применения твэлов повышенной ураноемкости с утоненной оболочкой.

Дополнительный эффект ПР - более слабая зависимость критического теплового потока от паросодержания, дает дополнительное увеличение DNBR в режимах нарушения нормальной эксплуатации и аварийных режимах, определяющих теплотехническую надежность активной зоны.

В рамках задачи повышения мощности для действующих блоков N = 104%Nном применение ТВСА-АЛЬФА с ПР позволит улучшить условия работы твэлов, повысить эксплуатационную надежность топлива в эффективных топливных циклах с высоким выгоранием.

На основе результатов выполненных исследований характеристики ТВСА-АЛЬФА с ПР дают возможность повышения мощности активной зоны энергоблоков ВВЭР-1000 до 110% при обеспечении допустимых энерговыделений твэл Krmax =1.63 (для реализации эффективных топливных циклов).

ТВСА-АЛЬФА с увеличением числа ПР и удлинением активной части твэлов дает возможность повышения мощности активной зоны в соответствии с требованиями АЭС-2006 с обеспечением высокой допустимой максимальной мощности твэлов.

Оценка основных теплотехнических характеристик активной зоны из ТВСА-АЛЬФА с ПР для проекта АЭС-2006 представлена в таблице 2. При этом характеристики ТВСА приняты на базе ТВСА-АЛЬФА с удлинением активной части твэлов и оптимизацией размещения перемешивающих (комбинированных) решеток.

Таблица 2

Основные теплотехнические характеристики активной зоны из ТВСА-АЛЬФА с ПР для проекта АЭС-2006

Заключение

Обоснована конструкция ПР для ТВСА ВВЭР-1000, обладающая необходимой эффективностью. Разработаны проекты ТВСА с ПР - ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т для АЭС «Темелин». ТВСА-АЛЬФА с ПР установлены в 2008 г. на реакторные испытания на 1 блоке Калининской АЭС.

Характеристики ТВСА с ПР дают возможность повышения мощности активной зоны до 110% при обеспечении допустимых энерговыделений твэл Krmax =1.63 (для реализации эффективных топливных циклов), включая повышение мощности для энергоблоков АЭС«Темелин» и обеспечение параметров активной зоны для проекта АЭС-2006(с повышением КПД энергоблока и тепловой мощности до 3300 МВт).

Решение задачи повышения мощности активной зоны может быть обеспечено на базе проектов ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т с оптимизацией количества и размещения ПР.

Конструкция ТВСА характеризуется высокими показателями по эксплуатационной надежности, выгоранию и ресурсу топлива, обеспечивает конкурентные преимущества российского топлива и позволяет обеспечить высокие технико-экономические характеристики перспективных ВВЭР.

Список литературы

О.Б.Самойлов, В.Б.Кайдалов, А.И.Романов, А.А.Фальков, В.Л.Молчанов, В.Б.Ионов, В.И.Аксенов, М.Ю.Канышев, А.Н.Лупишко. Технические характеристики и результаты эксплуатации ТВСА ВВЭР-1000. Сб. трудов 5-й Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 2007.

О.B. Samoylov, V.B. Кaydalov, А.I. Romаnov, А.А. Falkov, V.L. Моlchanov, V.B. Iоnov, А.B.Dolgov, I.V. Petrov, P.М. Аksenov, Е.А. Мinayshikina. TVSA VVER-1000 design. Operation experience and further developments. International Topical Meeting «VVER-2007», Oct 15-18, 2007, Prague, Czech Republic.

О.Б.Самойлов, А.А.Фальков, Д.Л.Шипов, В.Г.Богряков, Н.М.Сорокин С.М.Дмитриев. «Теплогидравлические и гидродинамические исследования характеристик ТВС альтернативной конструкции ВВЭР-1000». ВАНТ, сер. Физика ядерных реакторов, 2004, вып. 2, с. 47-55.

В.С.Кууль, О.Б.Самойлов, А.А.Фальков, Д.Л.Шипов, В.Г.Богряков. Исследование теплогидравлических характеристик ТВСА ВВЭР-1000. Сб. трудов 3-й научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 2003.

A.A. Falkov, O.B. Samoilov, A.V. Kupriyanov, V.E. Lukyanov, O.N. Morozkin, D.L. Shipov. Experimental investigation and analysis of thermal-hydraulic characteristics of WWER-1000 alternative FA. 6th International Conference on WWER Fuel Performance, Modeling and Experimental Support. 19-23 Sept 2005, Albena, Bulgaria.

С.С. Бородин, С.М. Дмитриев, М.А. Легчанов, А.Е Хробостов, О.Б. Самойлов, А.А. Фальков. Исследования эффективности перемешивания и массообмена потока теплоносителя в ТВСА реакторов ВВЭР при использовании перемешивающих решеток типа «закрутка вокруг твэла». Межведомственный семинар «Теплогидравлические аспекты безопасности активных зон, охлаждаемых водой и жидкими металлами (Теплофизика-2008)», Обнинск, 15-17.10.2008.

Размещено на Allbest.ru