В странах СНГ эксплуатируются два типа водоохлаждаемых реакторов: РБМК и ВВЭР. Намечен пуск еще одного типа реактора, охлаждаемого водой, для атомных станций теплоснабжения: АСТ-500. Подобные же реакторные установки PWR и BWR нашли доминирующее распространение в США, Франции, Японии, Германии и других странах. Во всех перечисленных реакторах применяются однотипные стержневые твэлы с топливным сердечником в виде спеченных таблеток из диоксида урана (в отдельных случаях из смешанного уран-плутониевого диоксида) и оболочкой из циркониевого сплава.
Отечественный реактор ВВЭР-1000 является одним из самых энергонапряженных в мире. Поэтому принципиальные решения такого подхода могут быть полностью перенесены и на твэлы других водоохлаждаемых реакторов.
Выбору основных параметров конструкции твэла предшествует детальный анализ условий его эксплуатации, установление и обоснование пределов, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики и ресурс работы твэла, а также его приемлемое состояние при реализации различных аварийных ситуаций, включая аварии с разгерметизацией первого контура. К числу наиболее важных из перечисленных следует Отнести этап исследований по установлению предельного состояния оболочки, в соответствии с которым определяется ресурс работы твэла. В зависимости от условий работы твэла, степени изученности внутритвэльных процессов, протекающих при эксплуатации и являющихся ответственными за накопление повреждений в оболочке, свойств материала оболочки и их изменения при накоплении ресурсного флюенса, а также с учетом принятой степени консервативности подхода при оценке ресурса работы твэла за предельное состояние оболочки могут быть приняты:
- предельно допустимая неупругая деформация;
- появление растягивающих напряжений в оболочке;
- превышение напряжений допустимого уровня;
- накопление длительных квазистатических или усталостных повреждений;
- длительная прочность материала оболочки при близкой к реальной истории нагружения.
При выборе того или иного предельного состояния оболочки необходимо обязательно учитывать, что эксплуатация твэла происходит при наличии во внутритвэльной среде чрезвычайно химически агрессивных по отношению к конструкционному материалу продуктов деления (I, Cs, Те, Cd и др.). Это обстоятельство является очень важным и принципиальным. По сути дела оно требует нетрадиционного специфического подхода к оценке прочности конструкции. Прогнозирование ресурса работы твэла без учета этого обстоятельства приведет к существенному завышению ресурсных возможностей оболочки.
Накопленный в нашей стране к настоящему времени опыт работ по созданию твэлов для водоохлаждаемых реакторов позволяет сформулировать следующие критерии, по которым на данном этапе осуществляется их проектирование.
- Запас мощности до плавления топлива. Определяется как отношение удельной нагрузки, при которой плавится топливо, к максимальной удельной нагрузке, снимаемой с твэла. Значение этого критерия должно быть не менее 1,3.
- Давление гелия и ГПД к концу кампании не должно превышать давления теплоносителя.
- Прорастание трещины в оболочке твэла по механизму коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) не должно превышать 10 мкм, поскольку установлено, что для сплава Zr +1 % Nb трещина в 60 мкм является критической, а предельный технологический дефект при производстве труб составляет 50 мкм.
- При расчете потери устойчивости оболочки от перепада, давления по стенке предельным состоянием считается достижение напряжений предела текучести (с учетом напряжений от изгибающего момента для оболочки с исходной или накопленной эллипсностью).
- В качестве критерия приемлемой эксплуатационной надежности твэлов принимается 1-й проектный критерий ОПБ-82.
- В качестве критерия приемлемого состояния твэла при МПА принимается 2-й проектный критерий ОПБ-82.
- В качестве критерия предельного состояния твэла в условиях аварии с резким выбегом реактивности принимается достижение в твэле энтальпии, не превышающей 200 кал/г.
Разумеется, что по мере дальнейшего более глубокого изучения внутритвэльных процессов, более детального исследования влияния облучения на свойства топливных и конструкционных материалов, дальнейшего совершенствования методов прогнозирования прочности конструкционных материалов при наличии химически агрессивной среды, а также по мере получения новых данных по физическим и физико-химическим процессам и явлениям, протекающим в активной зоне при нормальных режимах эксплуатации и в условиях различных аварий, указанные критерии могут уточняться и дополняться.
Одна, из основных стадий начального этапа разработки конструкции твэла заключается в проведении расчетных исследований, целью которых является получение данных по эксплуатационным характеристикам твэлов, их изменению по кампании, определение ресурса работы твэлов, анализ состояния твэла при различных аварийных ситуациях. Причем, объем расчетных исследований должен быть достаточным для сопоставления полученных результатов с перечисленными выше критериями надежной работы твэла. Расчеты проводятся на основе математических моделей, базирующихся на фундаментальных физических законах, детального изучения процессов и явлений, протекающих как в активной зоне, так и во внутритвэльной среде, данных об изменении всего комплекса свойств топливных и конструкционных материалов при эксплуатации. Изучение последних осуществляется в реакторном эксперименте, проводимом в условиях, максимально приближенных к штатным.
Расчетные исследования включают две главные части: теплофизический расчет и расчет кинетики напряженно-деформированного состояния (НДС) компонентов твэла. Целью теплофизического расчета является определение температурных полей в твэле и их изменения по кампании, образования и выделения из топлива ГПД, а также установление структурных и объемных изменений в топливном сердечнике.