Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Влияние переходных режимов при эксплуатации базовых АЭС на тепловыделяющие сборки

Накопленный опыт эксплуатации активных зон водоохлаждаемых реакторов и изучение проблем, связанных с надежностью, позволили установить, что наиболее серьезной причиной, лимитирующей работоспособность твэлов, является термомеханическое взаимодействие топливного диоксидного сердечника с оболочкой из циркониевого сплава, возникающее при переходных режимах эксплуатации реакторных установок.

Переходные режимы являются неотъемлемой частью полной номенклатуры проектных эксплуатационных режимов АЭС, работающих в базовом графике нагрузок. Сильная чувствительность эксплуатационной надежности твэлов к переходным режимам эксплуатации, несмотря на высокую пластичность циркониевых сплавов даже после набора значительного флюенса, обусловлена склонностью циркониевых сплавов в диапазоне рабочих температур к хрупкому коррозионному разрушению при наличии растягивающего напряжения и химически агрессивной среды. При эксплуатации твэлов такая среда создается за счет осколочных продуктов деления (I, Cs, Cd, Те), определяющую роль среди которых играет иод, мигрирующий в паровой фазе в виде соединения Csl к оболочке. Количество образующихся летучих агрессивных продуктов деления зависит от глубины выгорания, а их поступление к оболочке от уровня и градиента температуры в топливе и зазоре оболочка-сердечник, т.е. от удельных нагрузок, снимаемых с твэла.

ТВЭЛ

Для прогнозирования повреждаемости и разрушения оболочек в нашей стране была разработана методика и проведены исследования характеристик прочности сплава Zr + 1 % Nb на базе примерно до 1000 ч при растягивающем напряжении, характерном для переходных режимов эксплуатации, и при концентрации иода в пересчете на внутреннюю поверхность образцов 0,1-0,2 мг/см2. Получены также данные о длительной прочности, характеризующие накопление коррозионных повреждений оболочкой в зависимости от времени. Установлено, что в этих условиях оболочки разрушаются по механизму коррозионного растрескивания: малая пластическая деформация (около 3-5 %), трещины характеризуются незначительным раскрытием по сравнению с глубиной и ориентированы под углом около 90 градусов к направлению действия растягивающего напряжения.

Современные и качественные насосные агрегаты и станции для ТЭС и АЭС от ведущего российского производителя ГидроМаш. Насосы для различных транспортируемых сред и параметров.

Для разработки прикладной модели зарождения и развития трещин при коррозионном растрескивании были проведены эксперименты на оболочках с искусственными дефектами в виде продольных надрезов глубиной 60 и 100 мкм, нанесенных на внутренней поверхности. Поскольку искусственные дефекты лишь приближенно имитируют острую трещину (радиус закругления в вершине надреза составлял около 10 мкм), то в качестве основной экспериментальной характеристики принималось время прорастания трещины от 60 до 100 мкм как разница времени разрушений образцов с дефектом 60 и 100 мкм при одинаковых температуре и напряжении, а не время до разрушения. Тем самым в максимальной степени исключалась погрешность, связанная с процессом зарождения трещины в вершине искусственного дефекта.

Исследования процесса разрушения оболочек показали, что развитие трещины носит резко нелинейный характер. Медленное развитие трещины на стадии инициации и первоначального подрастания зарожденной трещины сменяется лавинообразным процессом разрушения. Этот факт подтверждается также исследованиями, выполненными при изучении процесса коррозионного растрескивания методом акустической эмиссии. Динамика развития трещины в гладкой оболочке и оболочке с исходной трещиной глубиной 50 мкм. Критическая глубина трещины, выше которой наступает ее ускоренное развитие, составляет около 60 мкм.

На основании этих исследований в качестве основного критерия надежной работы твэла было выбрано предельное состояние оболочки, при котором трещина прорастает до критического значения.

В специальных экспериментах с использованием γ-радиоактивных 131L и 137Cs были получены еще некоторые важные результаты, позволившие более детально понять взаимосвязь внутритвэльных процессов с эксплуатационной надежностью твэлов, в том числе и в нестационарных режимах работы.

Было установлено следующее:

  1. Свободный иод из термодинамически устойчивого в обычных условиях соединения Csl образуется не только в результате химических реакций с участием кислорода, но и при у-радиолизе. С увеличением дозы γ-облучения и температуры выход иода возрастает. Таким образом, даже и при низком кислородном потенциале в твэле источником свободного иода под оболочкой является иодид цезия.
  2. В изотермических условиях при наличии на внутренней поверхности оболочки дефекта в нем преимущественно накапливается иод: примерно до 95 % иода, выделившегося при γ-радиолизе, концентрируется в дефекте. При растягивающем напряжении это приводит к ускоренному разрушению оболочек.
  3. В условиях даже сравнительно невысокого температурного градиента (около 30-40 °С) иод и цезий накапливаются на участке с меньшей температурой.
  4. С повышением под оболочкой давления инертного газа (гелия) скорость процесса радиационно-термического разложения иодида цезия увеличивается. Причем, линейная зависимость в диапазоне температуры до 350 °С сменяется резким возрастанием накопления иода при 360-380 °С. Этот результат объясняется влиянием ионно-молекулярной перезарядки на разложение Csl в присутствии гелия.

Все переходные режимы по степени воздействия на твэлы можно подразделить на три основных вида:

  1. Скачок мощности, когда повышение мощности следует за продолжительным периодом эксплуатации реакторной установки на пониженном уровне со скоростью, намного большей скорости релаксации напряжения в топливном сердечнике за счет ползучести диоксидного урана. Этот режим реализуется при условии, что длительность работы реактора на промежуточном уровне больше или равна времени «приработки» топливного сердечника и оболочки, т.е. времени, достаточного для того, чтобы зазор между сердечником и оболочкой и трещины в топливе успели закрыться в результате процессов, протекающих при эксплуатации. Эти процессы: распухание топлива, заполнение зазора легколетучими продуктами деления, осаживание оболочки под воздействием перепада давления и др. Скачок мощности реализуется также и при локальном всплеске энерговыделения на твэлах по тем или иным причинам.
  2. Циклирование, которое характеризуется изменением мощности в одних и тех же пределах с небольшим по времени (меньшим времени приработки) и одинаковым периодом.
  3. Восстановление мощности после кратковременной работы (меньше времени приработки) на пониженном уровне или после остановки реактора.

Степень механического взаимодействия топливного сердечника с оболочкой в процессе увеличения мощности зависит как от параметров самого переходного процесса (величина и скорость изменения мощности), так и от предыстории эксплуатации твэла (снижение тепловых нагрузок по мере выгорания топлива, условия контакта оболочки и сердечника). Наиболее неблагоприятной является ситуация, когда между топливом и оболочкой зазор отсутствует, и полное термическое расширение сердечника передается на оболочку, в результате чего в ней возникают высокие растягивающие напряжения. Снижение скорости нагружения до уровня, сопоставимого со скоростью релаксационных процессов, обусловленных ползучестью топлива и оболочки, приводит к уменьшению напряжений в оболочке и благоприятно сказывается на работоспособности твэла.

При достаточно медленном повышении мощности реактора уровень растягивающих напряжений в оболочках твэла можно свести до совершенно безопасной величины. Однако для выполнения этого условия средняя скорость повышения нагрузки на твэлах типа ВВЭР-1000 не должна превышать 1,5-2,0 % номинальной нагрузки в час. При такой скорости заметно снижается коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) АЭС и она не всегда оказывается приемлемой по соображениям физики реактора. Кроме того, эксплуатация АЭС может сопровождаться отдельными переходными режимами, в которых приемлемый уровень напряжений в оболочках не удается обеспечить за счет снижения скорости подъема мощности реактора. Поэтому для реактора ВВЭР-1000 было рекомендовано увеличить среднюю скорость подъема мощности приблизительно в 3-5 раз по сравнению с указанной безопасной, а эксплуатационную надежность твэла обеспечить за счет следующих мероприятий: ограничения общего количества наиболее опасных переходных режимов за кампанию твэлов; дифференцированного подхода к допустимой скорости подъема энерговыделения на различных уровнях мощности реактора, а также ряда других специальных мер, о которых будет сказано ниже.

Можно отметить следующие особенности в эксплуатационных характеристиках. В течение всего первого года облучения зазор между топливом и оболочкой остается открытым. Приблизительно через 8000 эф. ч эксплуатации топливо вступает в контакт с оболочкой, что приводит к постепенному росту контактного давления до равновесной величины, определяемой скоростью распухания топлива и скоростями ползучести топлива и оболочки.

Наиболее жесткими для твэлов являются режимы, в которых реализуются скачки мощности. Если не принять специальных мер, то оболочки могут разрушаться в таких режимах даже в случае единичного их срабатывания. К таким режимам относятся подключение петли, наброс электрической нагрузки, повышение мощности реакторной установки после подключения петли, восстановление мощности реактора после длительной работы на пониженном уровне. Опасность таких режимов можно проиллюстрировать на примере подключения одной петли к трем работающим. Если не принять специальных мер, то однократная реализация этого режима на третьем году облучения твэлов может привести к их разрушению .

В этом режиме в момент подключения петли вследствие поступления относительно холодной воды в холодном секторе активной зоны происходит всплеск реактивности с соответствующим кратковременным (около 20 с) повышением энерговыделения, что и приводит к возникновению растягивающего напряжения в оболочке. Это обстоятельство обусловливает необходимость дополнительного снижения мощности реактора (примерно 30 % номинальной и менее) для подключения петли. В случае подключения петли с мощностью 30 % WH0M оболочка сохраняет целостность с небольшим накоплением повреждений. Такое решение реализуется в практике эксплуатации ВВЭР-1000. При подключении двух петель мощность реактора рекомендуется снижать до уровня 20 % WH0M.

Результаты расчетных исследований выполнены по отечественной программе СТАРТ-2, разработанной во ВНИИНМ. Программа комплексно учитывает процессы, протекающие в твэле при эксплуатации: вязко- и упруго-пластическую деформацию оболочки, анизотропию пластических свойств циркониевых оболочек, термическое напряжение в оболочке, вязко- и упруго-пластическую деформацию топливного сердечника, перестройку структуры топливного сердечника, распухание топливного сердечника, трещино-образование в топливном сердечнике, изменение механических свойств материалов под облучением, процесс накопления коррозионных повреждений в оболочке при наличии растягивающего напряжения, нестационарность поля температуры.

В режимах циклирования и восстановления мощности степень механического взаимодействия топливного сердечника с оболочкой зависит от условий контакта оболочки и сердечника (наличие или отсутствие зазора между ними) и частичной блокировки образующихся при расхолаживании трещин в топливе, которую учитывают в расчетах напряженно-деформированного состояния введением эффективного коэффициента блокировки. Численно значение этого коэффициента было определено на основании математической обработки французского эксперимента КОНТАКТ-1, в котором проводили внутриканальные измерения диаметра твэла в режиме остановка-пуск. Значение коэффициента блокировки было получено равным примерно 0,45. Это означает, что эффективная ширина образующихся в топливе трещин уменьшается приблизительно в 2,2 раза. Физически это объясняется неполным смыканием шероховатых поверхностей трещин вследствие относительного перемещения фрагментов топливной таблетки.

При разгрузке энергетического реактора на несколько часов вследствие перемещения органов регулирования изменяется высотное распределение энерговыделения, в результате которого возбуждаются ксеноновые колебания. Особое значение этого явления заключается в том, что диапазон изменения локальных нагрузок может быть больше диапазона изменения мощности всей реакторной установки. Кроме того, после восстановления номинальной мощности реактора при неконтролируемых ксеноновых колебаниях может происходить периодическое изменение локальных нагрузок в активной зоне в широком диапазоне, в результате чего эти нагрузки могут значительно превышать стационарный уровень. При этом по скорости нарастания локальной нагрузки этот процесс классифицируется как скачок мощности и существенно влияет на условия эксплуатации твэлов. Поэтому важным фактором, влияющим на условия эксплуатации твэлов в переходных режимах, является способ регулирования активной зоны, определяющий степень нарушения стационарного поля энерговыделения.

В процессе ксеноновых колебаний попеременно увеличивается мощность то в верхней, то в нижней половинах активной зоны. Поэтому для управления распределением энерговыделения используют органы регулирования как с полной, так и частичной длиной поглотителя. При выборе алгоритма подавления ксеноновых колебаний наряду с требованиями надежной эксплуатации твэлов должна обеспечиваться безопасность реактора в целом. Для ВВЭР-1000 с учетом конкретных характеристик системы контроля и управления реактором наиболее просто реализуемыми являются импульсный алгоритм и алгоритм, при котором минимизируется отклонение аксиального офсета (отношения разности мощностей нижней и верхней половин активной зоны к их сумме) от стационарного значения.

Однако обеспечение таким путем минимальных искажений полей энерговыделения в активной зоне ядерного реактора заметно усложняет управление ядерной реакторной установкой в целом. При этом на время реализации переходного процесса приходится снижать мощность энерговыделения в активной зоне до 20% номинальной с целью обеспечения условий надежной эксплуатации твэлов. Это приводит к нежелательным энергопотерям. Поэтому ведутся интенсивные исследования иных алгоритмов управления подавлением ксеноновых колебаний полей энерговыделения, исключающих заметные локальные выбросы. К настоящему времени системы управления полями энерговыделения и контроля за уровнем их отклонений на реакторах типа ВВЭР существенно усовершенствованы.

Для исключения вероятности самопроизвольного увеличения реактивности, сопровождающего случайное падение органов управления с частичной длиной поглотителя, они используются только для выравнивания ,поля в нижней половине активной зоны. При этом у таких органов регулирования возможны всего два положения: над активной зоной и в крайнем нижнем положении. Для выравнивания поля в верхней половине используются органы регулирования с полной длиной поглотителя, погружаемые в активную зону до ее середины.

Минимизация отклонения аксиального офсета от стационарного значения наиболее эффективна при использовании органов управления с частичной длиной поглотителя, которые могут перемещаться по всей высоте активной зоны. Однако в этом случае не может быть гарантировано полное исключение самопроизвольного увеличения реактивности. Поэтому в отечественной практике разрешается минимизировать отклонение аксиального офсета от стационарного значения только с помощью органов управления с полной длиной поглотителя, что существенно снижает эффективность управления при росте мощности в нижней половине активной зоны. Для преодоления этой трудности в инструкции по эксплуатации реакторной установки оговорены условия, при которых должны использоваться органы управления с частичной длиной поглотителя, и рекомендован режим их работы — импульсный с поштучным погружением в крайнее нижнее положение и последующим полным удалением из активной зоны.

Так как при подобном управлении эффективность его ограничена, сразу же после снижения мощности принимаются меры по минимизации амплитуды ксеноновых колебаний. Для этого в начальной стадии процесс нестационарного ксенонового отравления компенсируется извлечением рабочей группы регулирующих стержней вплоть до возврата ее в допустимый диапазон. Далее реактивность, включая возврат к исходной мощности, компенсируется системой борного регулирования. В результате описанных мер по выравниванию поля энерговыделения обеспечивается подавление ксеноновых колебаний с максимальным отклонением аксиального офсета от стационарного значения на номинальной мощности не более 0,09, что экспериментально подтверждено данными первого блока Южно-Украинской АЭС. При таких отклонениях аксиального офсета Ксуз не превышает 1,09.

Читайте также:

Updated: 19.08.2015 — 13:57
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.