Влияние аварийных режимов на состояние твэлов водоохлаждаемых реакторов

Исследование поведения твэлов в условиях аварии является одной из главных задач общего анализа безопасности АЭС. В настоящее время в нашей стране и за рубежом достаточно полно; определен перечень событии для АЭС, которые могут быть причинами наиболее серьезных аварийных ситуаций. В данный перечень входят события, приводящие к изменению реактивности, нарушению расхода теплоносителя, разгерметизации первого контура и др. В соответствии с требованиями ИБЯ РУ АЭС-89 в качестве максимальной проектной аварии (МПА) рассматривается авария с первоначальным событием — мгновенным разрывом трубопровода большого диаметра: для ВВЭР-1000 — диаметр 800 мм, для РБМК-1500 и РБМК-1000 — диаметр 950 мм. Эта авария является самой опасной проектной аварией.

В процессе МПА давление теплоносителя быстро падает, температура оболочек твэлов возрастает и может достигнуть критического уровня 1200 °С. Твэлы до повторного залива водой из системы аварийного охлаждения находятся в среде водяного пара. Если для реакторов типа ВВЭР давление теплоносителя падает в течение нескольких секунд, то для РБМК из-за большой протяженности трубопроводов темп падения давления существенно ниже.

Сразу же после начала МПА срабатывает аварийная защита реактора, энерговыделение в топливе снижается, и активная зона начинает заливаться водой из емкостей САОЗ (система аварийного охлаждения зоны). С момента аварии до полного залива активной зоны проходит около 120 с. Именно за это время в активной зоне развиваются наиболее высокие температуры. Причем уровень температур прямо зависит от аккумулированного топливом тепла, т.е. от тепловых нагрузок, при которых эксплуатируются твэлы. Поэтому при прочих равных условиях в реакторных установках ВВЭР-1000 и РБМК-1500 в условиях МПА уровень температур компонентов активной зоны будет существенно выше, чем в реакторах ВВЭР-440 и РБМК-1000. Поскольку скорости всех физико-химических и физико-механических процессов при МПА, а также и степень повреждений твэлов и других элементов активной зоны зависят от температуры, то проблема МПА для реакторных установок ВВЭР-1000 и РБМК-1500 оказывается более сложной.

Твэлы в условиях МПА подвергаются нестационарному температурно-силовому нагружению. При этом могут происходить следующие процессы:

1. деформирование и разрыв оболочки твэла;
2. химическое взаимодействие материала оболочки с водяным паром;
3. химическое взаимодействие материала оболочки с UO2;
4. взаимодействие материала оболочки с материалом дистанционирующих решеток;
5. взаимодействие водяного пара с UO2.Ниже эти процессы рассматриваются более подробно.

В аварийных ситуациях с высокими уровнями температуры оболочек (более 600 °С) под воздействием избыточного внутреннего давления оболочки твэлов деформируются с образованием вздутий различной протяженности. В результате деформирования толщина стенки уменьшается, и оболочки могут разорваться с образованием достаточно протяженных трещин. При этом наступает прямой контакт топлива с теплоносителем. В случае медленного падения давления теплоносителя, характерного для МПА на РБМК, оболочка испытывает действие избыточного наружного давления. При этом она теряет устойчивость, сминается на топливный столб, очень плотно обжимает таблетки. Если в топливном столбе имеются разрывы либо топливная таблетка имеет значительные сколы, то возможна разгерметизация твэла. Деформирование оболочки в виде вздутия, либо обжатия оболочкой топливного столба зависит также от давления газообразных продуктов деления внутри твэла, т.е. от выгорания топлива к моменту начала аварии. Вздутие оболочек приводит к уменьшению проходного сечения для теплоносителя в активной зоне и может затруднить’ процесс повторного залива активной зоны.

При температуре выше 650-700 °С сплавы на основе циркония начинают взаимодействовать с водяным паром.

С повышением температуры интенсивность протекания паро-циркониевой реакции возрастает, и выделяемое при экзотермической реакции тепло становится соизмеримым с остаточным тепловыделением топлива.

При температурах выше температуры α → β аллотропического превращения для циркония и выше температуры α + β → β превращения для циркониевых сплавов водяной пар взаимодействует с β-цирконием с образованием поверхностного слоя Zr02 и промежуточного слоя α-циркония, стабилизированного кислородом. Эта температура для сплава Zr + 1 % Nb при равновесных условиях составляет 880—910 °С. Для сплава циркалой-2 она равна примерно 960 °С. Слой а-циркония, стабилизированного кислородом, по сравнению с основным материалом оболочки обладает повышенной твердостью и хрупкостью. При разгерметизации оболочки реакция циркония с водяным паром происходит и на внутренней поверхности оболочки.

Установлено, что коррозия циркониевых сплавов при высокой температуре происходит за счет диффузии ионов кислорода по анионным вакансиям через слой ZrO2 на границу раздела оксид/металл. Наряду с процессом образования ZrO2 происходит проникновение кислорода в сплав с образованием твердого раствора. Этим объясняется, с одной стороны, фиксация низкотемпературной фазы α-циркония в твердом растворе (например, Zr-Nb-O), а с другой — охрупчивание оболочки твэла. Именно эти процессы охрупчивания оболочки, выделения тепла и водорода, происходящие особенно интенсивно при высоких температурах, оказывают существенное влияние на безопасность АЭС.

Эксперименты Бэйкера и Джаста проводились на сплавах типа циркалой-2 в интервале температур от 1000 до 1850 °С. Соотношение рекомендовано Комиссией ядерного регулирования США (NRC) для лицензионных расчетов активных зон реакторов PWR и BWR и считается наиболее консервативным приближением.

При экспериментальных исследованиях было установлено, что при температурах ниже 900 °С кривые привеса имеют перегиб, время наступления которого меняется от 7,5 до 2 ч в зависимости от температуры, а в диапазоне температур 900—1000 °С наблюдаются многократные перегибы на кривых привеса. Перегибы объясняются растрескиванием и отслаиванием оксидной пленки. Верхняя температурная граница области существования многократных перегибов лежит в интервале температур 1050-1100 °С, и отслаивание наступает после достижения критической толщины оксидной пленки, равной 10-25 мкм.

Металлографические исследования показали, что оксидная пленка, образовавшаяся на образцах, которые испытывались в области температур, где наблюдаются многократные перегибы, имеет ярко выраженную слоистую структуру. Отсутствие перегибов при более высоких температурах (более 1100 °С) объясняется увеличением пластичности оксидной пленки с ростом температуры. Наличие многократных перегибов приводит к общему ускорению пароциркониевой реакции в данном диапазоне температур.

Следует отметить, что существуют еще факторы, которые в ряде практически реализуемых ситуациях могут оказывать влияние на кинетику окисления оболочек твэла при МПА. К таким факторам в первую очередь следует отнести уровень растягивающих напряжений в оболочках, который зависит от предыстории облучения твэла и типа разгерметизации первого контура реакторной установки (МПА, некомпенсируемая малая течь и др.). Среди других факторов можно отметить еще и следующие: давление пара, попадание в пар воздуха или азота (в емкостях САОЗ вода находится под давлением азота), количество водорода в паре и др. В настоящее время проводится систематизация влияния этих факторов. Хорошо обоснованных количественных закономерностей пока не имеется. Однако на основании имеющихся к настоящему времени отечественных экспериментальных данных можно отметить, что напряженное состояние существенно влияет на скорость окисления циркониевых сплавов. Достаточно серьезно влияет на кинетику реакции и наличие азота в паре.

В случае контакта топлива с оболочкой происходит химическое взаимодействие диоксида урана с материалом оболочки. При этом в зоне контакта образуются диффузионные слои а-циркония, стабилизированного кислородом, и сплава уран-цирконий. Таким образом, даже без разгерметизации оболочки, но при условии контакта топлива с оболочкой, материал оболочки на внутренней поверхности достаточно серьезно охрупчивается.

Оболочки твэлов контактируют также и с материалом дистанционирующих решеток, изготовленных из нержавеющей стали. С повышением температуры в местах контакта образуются легкоплавкие эвтектики: цирконий-никель, цирконий-железо, цирконий-хром. В бескислородной среде материал оболочки реагирует с нержавеющей сталью уже при температуре 950 °С. Образующаяся расплавленная эвтектическая фаза вызывает разгерметизацию твэла. При наличии окислительной среды (образования защитного оксидного слоя на поверхности оболочки) начало реакции взаимодействия материалов переходит в область более высоких температур (близко к температуре плавления нержавеющей стали 1455 °С).

Взаимодействие водяного пара с UO2 приводит к окислению последнего. Интенсивность реакции существенно зависит от температуры, доли .водорода в водяном паре, наличия циркония. В целом можно сказать, что интенсивное окисление диоксида урана начинается при температуре 1000 °С, причем с увеличением доли водорода в смеси водяной пар — водород скорость окисления существенно уменьшается. Принципиальным для окисления UO2 является попадание воздуха в активную зону. В этом случае скорость процессов будет резко возрастать.

Рассмотренные процессы во время МПА находятся в сложной взаимосвязи. Так, охрупчивание оболочки вследствие диффузии кислорода существенно сказывается на механических свойствах материала оболочки и, следовательно, оказывает влияние на деформирование оболочки.

Отдельным и очень важным вопросом,также, как и настроить бойлер косвенного нагрева, является исследование состояния твэлов при заливе активной зоны из систем аварийного расхолаживания. По существу, в этом случае твэлы испытывают тепловой удар. При больших степенях окисления стенки оболочки могут хрупко разрушаться с образованием поперечных сквозных трещин, а в отдельных случаях с фрагментацией твэлов.

Исходя из предотвращения массовых разрушений твэлов (в том числе и с фрагментацией) во время залива или дальнейшего обращения с твэлами (выгрузка, транспортировка) в нормативно-технических документах (например, ПБЯ РУ АЭС-89) существуют ограничения на характеристики послеаварийного состояния твэла. К ним относится требование непревышения толщины эквивалентного слоя диоксида циркония значения 18 % (требования NRC 17 %) первоначальной толщины стенки оболочки твэла. Кроме того, второй проектный предел устанавливает ограничения на температуру оболочки твэлов (не более 1200 °С) и на долю прореагировавшего циркония (не. более 1 % его массы в активной зоне). В ПБЯ РУ АЭС-89 также содержатся требования возможности выгрузки ТВС из реактора после МПА, недопустимости расплавления твэлов. Критерий допустимого окисления оболочки при МПА отражен в нормативно-технических документах нашей и других стран из-за необходимости сохранения определенной остаточной пластичности у оболочки твэлов, которая должна обеспечить отсутствие фрагментации твэлов при заливе активной зоны холодной водой.

Расчетно-экспериментальные исследования по поведению твэлов в проектных аварийных режимах направлены как на глубокое изучение отдельных процессов, происходящих в твэлах и их влияния на состояние твэлов, так и на проверку выполнимости требований ПБЯ РУ АЭС-89. В таблице ниже приведены результаты расчетов состояния максимально теплонапряженного твэла для реакторов ВВЭР-1000 (серийный) и РБМК-1500. Для примера взяты МПА для свежего топлива* ВВЭР-1000 и для режима установившихся нагрузок РБМК-1500.

Расчетные параметры состояния твэлов в условиях МПА

Расчеты проводились по отечественной вычислительной программе РАПТА. В этой программе моделируются взаимосвязанные вышеперечисленные процессы, используются высокотемпературные свойства компонентов твэла, а также данные о поведении имитаторов твэла в условиях, моделирующих аварийные. Главной особенностью вычислительной программы РАПТА является совместный расчет термомеханических параметров твэла и теплогидравлических процессов в активной зоне.

Можно утверждать, что в рассмотренных примерах МПА разгерметизации твэлов из-за взаимодействия материала оболочек с материалом дистанционирующих решеток не будет, поскольку на оболочке образуется оксидная пленка, препятствующая такому взаимодействию. Для МПА на РБМК-1500 продолжительность пребывания оболочки твэла в условиях высокой температуры ограничено 16 секундами. За такой малый промежуток времени химическое взаимодействие материала оболочки. с диоксидом урана не вызовет сколько-нибудь существенного охрупчивания материала оболочки. Для ВВЭР-1000 такое взаимодействие практически исключено, поскольку топливо и оболочка не контактируют во время МПА. Ввиду малой продолжительности рассмотренных примеров МПА взаимодействие водяного пара и UO2 также крайне незначительно.

В настоящее время для реактора РБМК-1500 в качестве проектной аварии рассматривается МПА с одновременным отказом одного пассивного элемента в системах безопасности. В качестве отказа пассивного элемента принято незакрытие обратного клапана в одном раздаточном групповом коллекторе. Протекание такой аварии существенно отличается от обычной МПА для РБМК-1500 в сторону повышения уровня температуры твэлов и увеличения продолжительности аварии. В этом случае температура оболочек может достигать примерно 1300-1500 °С, а продолжительность высокотемпературной (более 600 °С на оболочке) стадии аварии может составлять до 5 ч. В таких условиях будет наблюдаться массовая разгерметизация твэлов.