Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Эксплуатационные режимы маневренных АЭС

Увеличение доли АЭС в общем производстве электрической энергии определяет необходимость их участия в обеспечении переменного графика нагрузок электросетей. Требования к маневренным характеристикам блоков АЭС предусматривают возможность ежесуточного снижения и повышения мощности со скоростью около 2-3% в минуту. При этом регулирование в будничные дни необходимо осуществлять в диапазоне от 100 до 50% от номинальной нагрузки, а в субботние, воскресные и праздничные дни от 100 до 30 % от номинальной нагрузки. Из сказанного ясно, что переходные режимы у маневренных АЭС должны занимать существенную долю общего времени эксплуатации. Преобладать будут переходные режимы типа «циклирование мощности» и «восстановление мощности» после кратковременного ее снижения или остановки реакторной установки. В этих условиях поддержание стабильной формы энерговыделения в активной зоне имеет особенно важное значение. Метод и алгоритм управления активной зоной, определяющие степень искажения поля энерговыделения в процессе регулирования мощности и предотвращения ксеноновых колебаний, имеют решающее значение в обеспечении допустимых условий эксплуатации твэлов маневренных АЭС с сохранением их работоспособности.

Из результатов расчетных исследований, следует, что при Ксуз = 1,3 оболочки в середине третьего года разрушаются уже на седьмом цикле; при Ксуз = 1,09 напряжения в оболочках твэла в цикле не превышают 43 МПа в середине второго и 114 МПа в середине третьего года эксплуатации. Расчет повреждаемости оболочки при таком Ксуз, выполненный последовательно для 300 циклов во втором году и 300 циклов в третьем году, показал, что зарождение и развитие трещин не происходит. Стойкость твэлов была подтверждена и аналогичным расчетом для оболочки с исходным дефектом глубиной 50 мкм: за 600 циклов дефект подрастал до 50,4 мкм.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что при способе регулирования активной зоны (Ксуз = 1,09) суточное изменение мощности в одних и тех же пределах с циклом 100 % Wном — 50 % Wном (8 ч) — 100 % Рном не является лимитирующим фактором для стойкости твэлов маневренных АЭС. Стабильное напряжение остается ниже порогового значения. Однако эти расчетные исследования выполнены без учета накопления дополнительной повреждаемости оболочки при жестких переходных режимах эксплуатации. Кроме того, для реальных условий эксплуатации маневренных АЭС трудно ожидать абсолютной регулярности циклических режимов. Всякие изменения в регулярности циклического режима как по времени, так и амплитуде изменения мощности будут приводить к появлению дополнительного напряжения в оболочках твэлов, а при продолжительных перерывах (превышающих время приработки) из-за скачка удельной нагрузки это напряжение будет приводить к серьезному накоплению повреждений. Поэтому дальнейшее улучшение стабильности поля энерговыделения в переходном режиме будет способствовать дальнейшему повышению стойкости твэлов.

Проблема работоспособности твэлов в жестких переходных режимах (подключение петли, повышение мощности реактора или наброс электрической нагрузки после длительного перерыва в суточном регулировании и др.) для маневренных АЭС оказывается более актуальной, чем для базовых, по следующим причинам:

  1. Снижение КИМ до 0,5-0,6 у маневренных АЭС приведет к увеличению времени пребывания твэлов в активной зоне до 5-6 лет. Очевидно, что в этом случае возрастает и общее количество жестких переходных режимов, связанных с отказами оборудования (насосы, турбина, срабатывание БАЗ с последующим выходом на мощность выше предшествующей и др.).
  2. Для маневренных АЭС оказывается неприемлемой скорость повышения мощности, рекомендованная для базовых АЭС и позволяющая заметно снизить накопление повреждений в переходном режиме. Поэтому при однократном прохождении того или иного жесткого переходного режима оболочка твэла маневренной реакторной установки будет повреждаться сильнее.
  3. При наличии в оболочках повреждений, накопленных в жестких переходных режимах эксплуатации, циклические напряжения, возникающие при суточном регулировании, даже при относительно приемлемом способе регулирования (Ксуз = 1,09 и менее) будут снижать работоспособность твэла.

Необходимо остановиться ка одном важном обстоятельстве, связанном с эксплуатационными особенностями маневренных АЭС. Для наиболее типичных переходных режимов таких АЭС характерным является возникновение в оболочках достаточно высокого растягивающего напряжения. Время воздействия напряжений, определяемое процессом релаксации за счет ползучести топлива, в среднем составляет 9-12 ч. Очевидно, что при большом количестве таких режимов оболочка будет эксплуатироваться в течение значительного времени при растягивающем напряжении. Это обстоятельство может отразиться на коррозионной стойкости циркониевых сплавов со стороны водного теплоносителя. С повышением выгорания эта проблема усугубляется, поскольку но мере накопления газообразных продуктов деления стационарными напряжениями в оболочке становятся растягивающие, а их уровень постепенно приближается к значению, определяемому равновесием процессов распухания топлива и скорости ползучести топлива и оболочки. Поэтому для кардинального решения вопроса обеспечения надежности активных зон реакторных установок типа ВВЭР-1000, рассчитанных на глубокое выгорание топлива и эксплуатацию в маневренном режиме, необходимо дальнейшее совершенствование конструкции твэлов.

В отечественной и зарубежной практике работа проводится в двух основных направлениях: использование для твэлов оболочек с повышенной стойкостью по отношению к коррозионному растрескиванию и снижение механических нагрузок на оболочку. Но первому направлению эффективным является применение для оболочек биметаллических труб с внутренним слоем из чистого или слаболегированного циркония толщиной около 100 мкм. Коррозионная повреждаемость таких труб ниже, и их прочность приближается к прочности обычных труб при испытании в среде, не содержащей химически агрессивных компонентов.

При рассмотрении микроструктуры биметаллических труб следует обратить внимание на отсутствие второй фазы во внутреннем слое, которая обычно является источником зарождения микротрещин, и диффузионное сцепление иодидного слоя с трубой из сплава Zr+ 1 % Nb. Имеется и другая особенность в механических характеристиках таких труб. Из-за более низкого предела текучести у чистого или слаболегированного циркония (110-120 МПа) напряжения на внутренней поверхности оболочки биметаллических труб существенно ниже (в 1,5-1,6 раза) предела коррозионного растрескивания сплава Zr + 1 % Nb. Кроме того, из-за высокой пластичности иодидного циркония и с учетом характера нагружения оболочки в переходном режиме (нагружение твердым телом — таблеткой) напряжения во внутреннем слое быстро релаксируют. При этом концентратор напряжения в виде зародившейся микротрещины будет устраняться за счет пластической деформации. Указанные особенности биметаллических труб и приводят к повышению работоспособности твэлов с оболочками из таких труб в переходных режимах эксплуатации.

По второму направлению перспективным представляется применение оксидного топлива, обладающего повышенными характеристиками пластичности и ползучести. В нашей стране были проведены исследования влияния на механические свойства UO2 легирования различными простыми оксидами железа, кремния, алюминия, ниобия и их комбинациями.

При испытаниях на кратковременное сжатие при скорости деформации 1 мм/мин легирование снижает температуру хрупком пластического перехода. Наряду с изменением механических характеристик, легирующие добавки увеличивают размер зерна топливных таблеток примерно до 20 мкм и более. Следует отметить, что эти конструкторские и технологические решения рассматриваются как перспективные и для базовых АЭС на стадии дальнейшего увеличения выгорания топлива.

Читайте также:

Updated: 19.08.2015 — 12:14
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.
Adblock detector