Опыт эксплуатации рабочих кассет третьего поколения на блоке 4 Кольской атомной электростанции с реактором ВВЭР-440 (В-213)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кольская АЭС

Опыт эксплуатации рабочих кассет третьего поколения на блоке 4 Кольской АЭС с реактором ВВЭР-440 (В-213)

И.В. Маракулин

Н.В. Нигоренко

Очередным этапом по модернизации топливного цикла реактора ВВЭР_440, предпринимаемой с целью повышения безопасности реакторных установок и увеличения эффективности использования ядерного топлива, стала разработка и применение рабочей кассеты третьего поколения (РК-3), предназначенной для эксплуатации в реакторах ВВЭР-440.

Внедрение модернизированного топливного цикла с опытной эксплуатацией 12-ти рабочих кассет третьего поколения начато в 2010 году на блоке 4 Кольской АЭС. В настоящее время опытная партия кассет третьего поколения отработала две топливные кампании.

В период опытной эксплуатации рабочих кассет третьего поколения выполнялся:

- контроль нейтронно-физических и теплотехнических параметров;

- контроль герметичности оболочек твэлов пенальным методом;

- телевизионный осмотр.

1. Цели опытной эксплуатации.

Опытная эксплуатация проводится с целью подтверждения работоспособности РК-3 в течение 7-ми топливных циклов. При длительности топливного цикла около 300 эфф. суток применение данного ЯТ позволит увеличить кратность перегрузок до 6-7 и уменьшить подпитку до 42-48 РК при одновременном увеличении мощности реактора. Предполагается достижение глубины выгорания в РК-3 до 68 МBт.сут/кгU в кассете и 72 МВт.сут/кгU в твэле.

Первоначально планируется использование только 12 опытных РК-3, при этом предполагается их размещение симметрично РК-2 повышенного до 4.87% обогащения, с целью сопоставления их характеристик для различных типовых положений в активной зоне.

Подтверждение проектных параметров топливных загрузок по результатам эксплуатации позволит корректно оценить его экономические характеристики. По результатам опытной эксплуатации возможен массовый переход на использование данных кассет в реакторах ВВЭР-440.

2. Результаты сопоставления экспериментальных и расчетных данных по энерговыделению.

В первом топливном цикле РК-3 установлены на периферии активной зоны совместно по 3 шт. в 4-х секторах. В каждом из 4-х секторов симметрично РК-3 установлены РК-2 повышенного до 4.87% обогащения. В оставшихся 2-х секторах симметрии 60 град установлены также РК-2 обогащением 4.87%. Данная конфигурация позволит получить сравнительные нейтронно-физические и теплофизические характеристики РК-2 и РК-3 одинакового обогащения. В следующих топливных циклах будет применена подобная конфигурация, но с размещением РК-3 в центре активной зоны с максимальной энергонапряженностью (2 цикл), рядом с рабочей группой СУЗ (3 цикл) и другие возможные режимы эксплуатации. (Рис. 1).

Для определения истинной мощности РК-3 по температурным измерениям может иметь большое значение влияние межкассетных и внутрикассетные перетечек теплоносителя. В смешанной активной зоне, состоящей из разных типов кассет - с чехлом и без чехла, расход через разные группы может отличаться от проектного. Оценка влияния отсутствия чехла кассеты на показания термопар важна для безопасной эксплуатации, т. к. основными исходными данными о состоянии активной зоны в ВВЭР-440 остаются показания температурных датчиков, расположенных на выходе из кассет.

В НИЦ «Курчатовский институт» выполнены расчеты детальных характеристик теплоносителя для фрагмента активной зоны, состоящего из 3-х РК 3-го поколения в окружении РК-2, и аналогичного фрагмента активной зоны содержащего только РК-2 по программе SC-1 [5]. Анализировалось различие результатов расчетов относительных мощностей твэлов в ТВС 3-го поколения, полученных по программе ПЕРМАК-3D [6] с использованием средних по сечениям слоев ТВС значений температуры и плотности теплоносителя и по комплексу ПЕРМАК-3D/SC-1. Результаты расчетов показали, что неучет взаимной обусловленности НФХ и ТГХ в кассетах 3-го поколения слабо влияет на относительную мощность твэлов. Максимальная разница в значениях мощности отдельных твэлов, полученных с учетом и без учета взаимосвязи НФХ и ТГХ, не превышает 0.5 % [7]. Т.е. применение обычных версий программ БИПР-7А[8] и ПЕРМАК-А[9] для расчета энерговыделения и выгорания топлива в РК-3 возможно без их существенной модернизации.

В работе [10] на основе расчетного моделирования определены основные факторы, влияющие на тепломассобмен в РК-3 и РК-2 и показания кассетных термопар в различные периоды эксплуатации. Расчеты показали, что из-за отсутствия чехла кассеты поток теплоносителя, который может участвовать в съеме тепла с твэлов РК-3 на 10% больше, чем соответствующий поток для РК-2. Среднесмешанное значение температуры теплоносителя на выходе из топливного пучка в условиях отсутствия чехла кассеты характеризует мощность кассеты лишь приближенно.

Конструктивные особенности РК-3 определяют характер изменения потвэльного энерговыделения в данных кассетах, по сравнению с симметричными им РК-2. Данное обстоятельство может быть использовано для проверки результатов расчетного моделирования тепломассообмена, интерпретации показаний кассетных термопар. Из-за особенностей расположения РК-3 и РК-2 обогащением 4.87% в активной зоне возможен их совместный анализ без привлечения данных термоконтроля остальных термопар.

Основной смысл сопоставления относительного энерговыделения в группе из 3-х кассет - выделить эффект перемешивания теплоносителя от факторов, влияющих на показания кассетных термопар: различие в расходах РК-3 и РК-2, изменение энерговыделения при выгорании РК. В группе из 3-х кассет близкого обогащения, находящихся рядом и имеющих одинаковое окружение, кассеты будут иметь одинаковое относительно друг друга энерговыделение на начальном этапе выгорания. При более высоких выгораниях соотношение в группах РК-3 и РК-2 изменится, эффект перемешивания будет оцениваться путем сопоставлении с расчетными данными.

Существующие разность и неопределенности в расходе теплоносителя через РК-2 и РК-3 могут быть не приняты в рассмотрение, т.к. основную информацию о характере тепломассообмена несет различие показаний термопар в группе кассет 2-го или 3-го поколения в процессе выгорания топлива. В группе из 3-х кассет (как 2-го так и 3-го поколений) все кассеты имеют существенно разное энерговыделение и темп выгорания. Из-за наличия выгорающего поглотителя характер изменения потвэльного энерговыделения индивидуален для каждой кассеты.

Для сопоставления в первом переходном топливном цикле использовались средние значения, полученные для групп РК-3 и, всех симметричных им, групп РК-2. На рис. 2 видно, что эффект перемешивания т/н есть в первом переходном топливном цикле, но достаточно мал. В группе РК-3 кассета с наименьшим энерговыделением имеет повышенный относительный подогрев т/н по сравнению с расчетом и подогревом в РК-2. Для РК-3 с более высоким энерговыделением - расчетный подогрев выше экспериментального. Для группы чехловых РК-2 подобное не наблюдается. Разумеется, эффект может быть обусловлен увеличением шага расположения твэлов в РК-3, способствующим сглаживанию температур на выходе из пучка. Но в этом случае экспериментальный подогрев скорее бы уменьшился, за счет более холодного т/н с периферии активной зоны.

К сожалению в симметричных касеетах 2-го поколения с условным номером 1 и 2 во второй переходной топливной загрузке (рис. 3) термоконтроль возможен лишь одной термопарой для кадого из условных номеров. Результаты могут быть не представительны, т.к. оценить достоверность показаний данных термопар нельзя. Тем не менее кассеты 1 и 2 расположены симметрично, имеют примерно равное расчетное энерговыделение и средний подогрев в них практически соответствует расчетному. Эффект перемешивания т/н в данном случае не наблюдается, т.к. все 3 кассеты имеют примерно близкое энерговыделение.

На показания термопары могут влиять не все твэлы в кассете, а только некоторая часть центральных. Все эти эффекты требуют дополнительного анализа. На рис. 4 приведены значения энерговыделения в кассете с наибольшим энеговыделением в группе для 6, 60 и 126 твэл полученные по программе ПЕРМАК-А для первого топливного цикла. Расчетные данные показали, что динамика изменений относительного энерговыделения в группе из 3-х РК-3 или симметричных им РК-2 за счет выгорания твэг практически не наблюдается - изменения расчетных значений относительного энерговыделения части твэлов в кассете хорошо соответствуют тренду среднего расчетного значения, полученному по программе БИПР-7А.

К концу первого переходного топливного цикла рассматриваемые кассеты 2 и 3-го поколений достигли выгораний ( 2-е поколение: 7.3, 9.8, 10.9. 3-е поколение: 7.9, 10.5, 11.7 МВт*сут/кгU), когда выграющий поглотитель перестает оказвывать влияние на размножающие свойства кассеты. Поэтому во втором топливном цикле данный эффект не рассматривается.

Исследования влияния перемешивания теплоносителя на показания термопар будут продолжены по мере накопления опыта совместной эксплуатации кассет 2-го и 3-го поколений.

3. Сопоставление нейтронно-физических характеристик с расчетом.

Результаты экспериментов на МКУ первой и второй загрузки с РК-3 (табл. 1) подтверждают заявленную погрешность программы БИПР-7А. Тем не менее, точность определения эффективности аварийной защиты может быть значительно повышена (рис.6) при помощи 3-х мерных динамических моделей активной зоны типа NOSTRA [11].

На рис. 7 и 8 приведены общие эксплуатационные данные, включая расчетную и экспериментальную концентрацию поглотителя в реакторе - борной кислоты - в течение 1 и 2-го топливного цикла. Совпадение данных хорошее.

4. Фактические характеристики топливных циклов и возможные пути его модификации.

При выборе проекта внедрения РК-3 и РК-2 были учтены особенности работы Кольской АЭС в энергосистеме. В настоящий момент возможна эксплуатация АЭС с неполной нагрузкой. Учитывая время ежегодного останова на ППР, каждый из энергоблоков может работать не более 300 - 320 календарных суток.

Длительность работы первого топливного цикла - 297.8 эфф. сут. практически соответствовала проектной. Выполнена опытная эксплуатация работа реактора в течение 100 суток на мощности 107% N ном. Дальнейшая эксплуатация РУ на повышенной мощности пока не предусматривается. Это связано как получением дополнительной лицензии (после событий в Японни на АЭС Фукусима), так и с ограничениями энергосистемы.

Во втором переходном топливном цикле удалось отработать только 252 эфф. сут на номинальной мощности. Прогноз энерговыработки на следующий год также меньше проектного - 265 эфф. суток. Данное обстоятельство вынуждает снизить количество кассет подпитстки до 42 шт. РК и 6 ТВС АРК ежегодно. В таком режиме работы через несколько лет возможно появление кассет оставляемых на 8 год эксплуатации. Необходимо предусмотреть такую возможность и, при необходимости, откорректровать эксплуатационную документацию. Разрешенная глубина выгорания в этом режиме не будет превышена, т.к. суммарное время нахождения кассет в активной зоне 8 циклов по 260 = 2080 эфф.сут меньше чем 7 циклов по 300 = 2100 эфф. суток.

Формирование топливных загрузок с энергоемкостью ниже проектного значения, в определенной степени ограничено рамочными параметрами обоснованными в проекте. При снижении количества свежих кассет, естественно меняется их расположение в активной зоне, а следовательно и такие параметры, как эффективность аварийной защиты и интегральная эффективность рабочей группы. Оптимальный вариант компоновки активной зоны с точки зрения теплотехнической надежности с минимальными коэффициентами неравномерности, может быть не доступен из-за необходимости выполнения других проектных ограничений. При разработке документов обосновывающих безопасность эксплуатации необходимо учесть возможность более широких вариаций топливного цикла.

В случае увеличения требований энергосистемы, или вывода из эксплуатации 2-х энергоблоков 1 очереди Кольской АЭС, будет безусловно актуальным переход энергоблоков 3 и 4 на повышенный, 107% ном уровень мощности. В этом случае повышение обогащения топлива до 4.87% позволит сохранить компоновку активной зоны in-in-...out, и избежать увеличения общего числа кассет подпитки, уменьшения глубины выгорания. Применение только РК-3 позволит дополнительно повысить эффективность использования ядерного топлива. Дополнительные возможности совершенствования топливного цикла в данных условиях изложены в работе[12].

Заключение.

Описаны цели опытно-промышленной эксплуатации и особенности внедрения топлива повышенного до 4.87% обогащения. Получены экспериментальные характеристики активной зоны реактора ВВЭР-440 с топливом 2-го и 3-го поколения с повышенным до 4.87% обогащением. В целом экспериментальные данные подтверждают проектные характеристики кассет и топливных загрузок в пределах расчетной погрешности.

Список литературы

1. Троянов В.М., Лавренюк П.И., Молчанов В.Л. «Ядерное топливо: состояние и перспективы». - Бил. Росэнергоатома, 2008, №5, с. 22-27.

2. Гагаринский А.А., Сапрыкин В.В., Лизоркин М.П., Проселков В.Н. «Топливные циклы ВВЭР-440 на основе кассет с увеличенной загрузкой урана и повышенным обогащением», Атомная энергия, т. 108, вып. 3, март 2010. УДК 621.039.56.516.4

3. Адеев В.А., Панов А.Е. «Основные характеристики активной зоны ВВЭР-440 с топливом 3-го поколения». Материалы конференции НТК-2010 «Ядерное топливо нового поколения для АЭС. Результаты разработки, опыт эксплуатации и направления развития». ОАО «ВНИИНМ», 17-19 ноября 2010 г.

4. Аdeev V.A., Panov А.Е (the Kola NPP, Russia). «Operational result of 3-rd generation WWER-440 nuclear fuel in initial period.». 9-th International Conference on WWER Fuel Performance, Modelling and Experimental Support, 19 -23 2011, Helena Resort, Bulgaria.

5. Л.Л.Кобзарь, Д.А.Олексюк. Описание программы SC-1, предназначенной для поячейкового теплогидравлического расчета активных зон реакторов типа ВВЭР. Отчет РНЦ "Курчатовский институт", инв. № 32/1-80-498, 1998.

6. П.А.Болобов. Программа ПЕРМАК-3D. Описание алгоритма. Описание применения. Отчет РНЦ КИ инв.№32/1 - 61 - 103 от 21.03.2003 г.

7. А.Н. Брик, Д.А. Олексюк. Проведение расчетного анализа влияния межкассетных перетечек теплоносителя в активных зонах с РК-3 ВВЭР-440 на показания датчиков термоконтроля. Отчет РНЦ КИ инв. №32/1-4-107, 2007.

8. Программа БИПР-7А (версия 1.5) Аттестационный паспорт программного средства. Регистрационный номер ПС в ЦЭП при РНК КИ № 613 от 31.07.2006. Регистрационный номер паспорта аттестации ПС № 241 от 23.09.2008. Федеральная служба РФ по экологическому, технологическому и атомному надзору, М., 2008.

9. С.С. Алешин и др. Программа ПЕРМАК-А (версия 1.5) (аттестационный паспорт №240 от 23.09.08)

10. А.Н. Брик, Д.А. Олексюк. Расчетный анализ влияния межкассетного и внутрикассетного перемешивания теплоносителя на показания кассетных термопар с учетом загрузки 12 РК-3 и 6 ТВС 4.87%. Отчет РНЦ КИ инв. №32/1-169-409, 2009.

11. Цыганов С.В., Шишков Л.К. Измерение эффективности органов регулирования ВВЭР. Атомная энергия, т. 96, вып. 3, март 2004.

12. А.А. Гагаринский, Е.Г. Соловьева, М.П. Лизоркин, В.Н. Проселков (НИЦ Курчатовский институт). В.А. Адеев (Филиал ОАО Концерн Росэнегоатом Кольская АЭС), «Топливные циклы ВВЭР-440 на основе кассет с увеличенной загрузкой урана и повышенным обогащением». Материалы 6-го российско-финско-венгерского научно-технического семинара «Опыт изготовления, эксплуатация и перспектив соврешенствования топлива и топливных циклов АЭС с реакторами ВВЭР-440». 18-19 апреля 2012 г., Финляндия, г. Эспо.

Приложение

Рис. 1. Картограмма расположения РК-3 в активной зоне в течение 7-ми топливных циклов

Рис. 2. Относительный подогрев теплоносителя в группе из 3-х кассет в первом переходном топливном цикле в зависимости от эффективного времени работы реактора (эфф.сут). Точками представлены экспериментальные данные, линиями расчетные. Цвет красный - кассеты 3-го поколения обогащением 4.87%, синий - кассеты 2-го поколения обогащением 4.87%. реакторный ядерный топливо нейтронный

Рис. 3. Относительный подогрев теплоносителя в группе из 3-х кассет во втором переходном топливном цикле в зависимости от эффективного времени работы реактора (эфф.сут). Точками представлены экспериментальные данные, линиями расчетные. Цвет красный кассеты 3-го поколения обогащением 4.87%, синий - кассеты 2-го поколения обогащением 4.87%.

Рис. 4. Относительный подогрев теплоносителя в группе из 3-х кассет в первом топливном цикле в зависимости от эффективного времени работы реактора (эфф.сут). Точками представлены экспериментальные данные, линиями расчетные. Цвет красный -кассеты 3-го поколения обогащением 4.87%, синий - кассеты 2-го поколения обогащением 4.87%.

Табл. 1 Значения измеренных и расчетных характеристик активной зоны реактора. (Кольская АЭС, блок № 4, топливный цикл № 23)

Рис. 5 Результаты сопоставления расчетной и экспериментальной эффективности аварийной защиты 23-й топливной загрузки блока 4 Кольской АЭС с учетом и без учета пространственных эффектов реактивности [ в эфф. ].

Табл. 2 Значения измеренных и расчетных характеристик активной зоны реактора. (Кольская АЭС, блок № 4, топливный цикл № 24)

Рис. 6 Результаты сопоставления расчетной и экспериментальной эффективности аварийной защиты 24-й топливной загрузки блока 4 Кольской АЭС с учетом и без учета пространственных эффектов реактивности [ в эфф. ].

Рис. 7. Расчетная и экспериментальная концентрация поглотителя -борной кислоты в 1 контуре в процессе выгорания в 1-м топливном цикле.

Рис. 8. Расчетная и экспериментальная концентрация поглотителя -борной кислоты в 1 контуре в процессе выгорания во 2-м топливном цикле.

Размещено на Allbest.ru