Материал: Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000
между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °С, а по толщине самой трубки 23 °С. Температура наружной поверхности трубки твэл при этом составляет около 350 °С. Удельный тепловой поток через эту поверхность в среднем около 0,6 103 кВт, а линейный тепловой поток –17 кВт/м трубки.
При номинальной мощности давление гелия под оболочкой твэла составляет 80–100 атм. Топливный сердечник твэла при этом удлиняется от нагрева на 30 мм.
Содержание урана-235 в массе топливных таблеток составляет от 4,4 % в начале работы до 0,8–1,0 % перед выгрузкой из реактора через три года работы. Около 5 % осколков деления урана представляют собой газообразные вещества, которые увеличивают давление газов под оболочкой твэла до 100 атмосфер в конце кампании в горячем рабочем состоянии. После охлаждения топлива парциальное давление этих газообразных осколков деления в оболочке твэла составляет около 20 атм. Конструкция твэла должна удовлетворять следующим наиболее важным требованиям:
-сохранение герметичности оболочек твэлов в различных эксплуатационных режимах в течение требуемого ресурса работы;
-конструкция и технология изготовления твэлов должна быть недорогая и простая (для автоматизации);
-материалы, входящие в состав твэла, должны быть совместимы между собой, обладать хорошей коррозионной, радиационной стойкостью, т.е. в минимальной степени изменять свои свойства;
-конструкция и технология изготовления должна обеспечивать отсутствие локальных перегревов и концентрации напряжений, которые могут быть причиной разрушений; применяемые в твэлах материалы должны иметь низкое сечение паразитного захвата нейтронов, а их объемная доля должна быть минимальной; в интервале рабочих температур топливный материал не должен иметь фазовых превращений с большими объемными изменениями;
-объемное содержание воспроизводящего материала должно быть высоким для воспроизводства вторичного ядерного топлива;
-топливные и конструкторские материалы должны обеспечить условия для последующего хранения, транспортировки и радиохимической переработки твэлов.
161
Конструкция ТВС должна удовлетворять следующим наиболее важным требованиям:
-обеспечение условий для надежного охлаждения всех твэлов в сборке не только при нормальных условиях эксплуатации, но и при различных аварийных ситуациях, включая МПА;
-обеспечение возможности независимого осевого термического
ирадиационного удлинения и возможного изменения формы твэла без их существенных изгибов, нарушения дистанционирования;
-обеспечение возможности размещения ОР СУЗ и их свободного перемещения в процессе эксплуатации.
Втабл. 7.3 приведены основные требования к конструкции твэ-
ла.
|
Таблица 7.3 |
|
Основные требования к конструкции твэла |
||
|
|
|
Часть |
Требования |
|
конструкция |
||
|
||
Зазор между таблет- |
Минимальный допустимый зазор выбирается |
|
кой и оболочкой |
из условий распухания топлива (при распухании |
|
|
таблетки увеличивается взаимодействие с оболоч- |
|
|
кой топлива при МПА) и автоматической загрузки |
|
|
таблеток в оболочку. Минимальный зазор для |
|
|
ВВЭР равен 150 мкм. Максимальный допустимый |
|
|
зазор выбирается из условий МПА, так как боль- |
|
|
шой зазор приводит к ухудшению теплопередачи |
|
|
между топливом и оболочкой, что приводит к |
|
|
росту температуры топлива и к большому количе- |
|
|
ству запасенного тепла в таблетке, что опасно при |
|
|
МПА. Максимальный зазор равен 260 мкм. Зазор |
|
|
должен обеспечивать требуемую для физических |
|
|
характеристик активной зоны массу топлива в |
|
|
твэле |
|
Овальность оболочки |
В реальной конструкции оболочка твэла не яв- |
|
твэла |
ляется идеально круглой. Она имеет некоторую |
|
|
начальную «технологическую» овальность и ма- |
|
|
териал оболочки характеризуется достаточно вы- |
|
|
сокой скоростью ползучести при нагрузках и тем- |
|
|
пературах, соответствующих условиям эксплуата- |
|
|
ции |
|
|
162 |
|
Часть |
Требования |
|
конструкция |
||
|
||
Высота таблеток |
При уменьшении высоты уменьшается взаи- |
|
|
модействие с оболочкой. Из этих соображений |
|
|
выбирается Нмакс. Нмин выбирается из условий |
|
|
автоматической загрузки твэла таблетками, чтобы |
|
|
таблетки не перевертывались и не заклинивали, |
|
|
поэтому Н/D > 1. Обычно Н/D = 1.2 |
|
Форма таблеток |
Наличие центрального отверстия приводит к |
|
|
уменьшению температуры, появляется дополни- |
|
|
тельный объем для газообразных продуктов деле- |
|
|
ния. Уменьшение фасок приводит к уменьшению |
|
|
количества осколков и крошек, а значит, к умень- |
|
|
шению разрывов топливного столба |
Для ВВЭР-1000 плотность топлива принята 10,4–10,75 г/см3. Повышенное содержание влаги и водорода приводит к сильному коррозионному воздействию на циркониевую оболочку при росте температуры вследствие образования гидрида циркония (как правило, в локальных местах с концентрацией напряжений). Места, подвергшиеся гидрированию, охрупчиваются, что может привести под воздействием напряжений к разрушению оболочки твэла.
По этой причине допустимое содержание влаги в таблетках ограничивается значением 5–7 10-4 %, а плотность более 10,3 г/см3. Таблетки дополнительно сушатся. Взаимодействие топлива с оболочкой – основная причина разгерметизации твэл.
Важная характеристика таблетки – термическая стабильность (сохранение их размера, особенно диаметра при повторном нагреве). Таблетки в первые десятки часов эксплуатации доспекаются, диаметр таблетки и высота уменьшаются, зазор между оболочкой и таблеткой увеличивается и может превысить допустимую величину с точки зрения безопасности при МПА.
Важной характеристикой является требование о допустимой величине разрывов между таблетками в топливном столбе в твэле.
Эксперименты и расчеты в НИИАР показали, что:
- при разрыве топливного столба на 15 мм тепловой поток увеличивается на 3–4 %, а температура в центре таблетки, граничащей с разрывом, увеличивается на 70 градусов;
163
-при разрыве 15–20 мм всплеск температуры наблюдается не только в данном твэле, но и в соседних твэлах.
Условия работы оболочек твэлов:
-мощное радиационное воздействие всех видов облучения; высокая температура топлива, достигающая в центре 2100–2500 °С (при авариях); высокое давление теплоносителя;
-коррозионное воздействие теплоносителя с внешней стороны,
атоплива и газовых продуктов деления с внутренней;
-плотный контакт оболочки с топливом вследствие его распухания;
-длительность кампании твэла 3–5 лет.
Из перечисленных условий работы вытекают основные требования к материалу оболочки. Надо помнить, что материал оболочки должен иметь минимальное сечение захвата тепловых нейтронов, а сама оболочка – идеально круглой.
Лучше других этим требованиям удовлетворяет цирконий. Но цирконий необходимо очистить от постоянного его спутника – гафния, обладающего большим сечением захвата нейтронов. Допустимое содержание гафния должно быть не более 0,01–0,05 % (в руде составляет 2–2,5 % от содержания циркония).
Чистый цирконий не удовлетворяет требованиям по механическим и коррозионным свойствам, поэтому его используют в виде сплавов.
В табл. 7.4 приведены основные свойства циркония.
|
Таблица 7.4 |
|
Основные свойства циркония |
|
Свойство |
Zr |
|
Нелегирован- |
Чистый Zr непригоден, так как: |
- недостаточна коррозионная стойкость в высоко- |
|
ный |
температурной воде; |
-недостаточна прочность
ВВВЭР-1000 используется сплав Zr + 1 % Nb. Ниобий Легированимеет небольшое сечение захвата, снижает поглощение
ный |
водорода цирконием, обеспечивает высокую пластич- |
|
ность, коррозионную стойкость и прочность |
|
164 |
Взаимодействие циркониевых сплавов с водой при высоких температурах приводит к окислению с образованием оксидной пленки и наводораживанию с появлением гидридной фазы в структуре сплавов.
В табл. 7.5 приведены факторы, приводящие к разрушению твэлов.
Таблица 7.5
Факторы, приводящие к разрушению твэл
Факторы |
Следствие |
|
Выход ГПД (Хе, Kr) приводит к увеличению дав- |
|
ления внутри и к увеличению растягивающих на- |
|
пряжений в оболочке. Выход ГПД резко увеличи- |
Образование газо- |
вается при всплесках мощности. I и Cs более вред- |
образных продуктов |
ны, они мигрируют в направлении градиента тем- |
деления (ГПД) |
ператур и могут откладываться в холодных зонах |
|
оболочки в виде соединений ураната или иодида |
|
цезия, последний может разлагаться с выделением |
|
свободного I, что приводит к увеличению коррозии |
|
циркониевой оболочки. |
|
Коэффициент термического расширения у UO2 в |
|
1,5 раза выше, чем у Zr , что приводит при резком |
Распухание топлива |
повышении линейного энерговыделения к значи- |
тельным знакопеременным напряжениям. При |
|
|
достижении контакта топлива и оболочки и при |
|
механическом воздействии на оболочку может |
|
наблюдаться разрушение оболочки. |
Исследования показали, что устойчивость оболочек обеспечивается при диаметре твэла 9,1 мм и толщине стенки более 0,85 мм. Однако толщина 0,85 мм ухудшает физику реактора, поэтому было решено твэлы заполнять гелием под давлением, при этом выбор давления определился скоростью выхода ГПД из топливного сердечника, так как она определяет перепад давления теплоносителя по стенке оболочки в процессе эксплуатации.
На основе исследований было выбрано давление 2,0 МПа. Такое давление обеспечивает:
165