Основные факторы, определяющие работоспособность твэлов

Накопленный к настоящему времени опыт эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах, а также экспериментальные исследования, проведенные как в исследовательских реакторах, так и непосредственно в активных зонах демонстрационных и полупромышленных реакторных установках, позволил установить основные факторы, влияющие на ресурсные характеристики твэлов при глубоких выгораниях топлива (10 % тяжелых атомов и более).

Среди этих факторов наиболее важными являются следующие:

1. Распухание конструкционных материалов, снижение их длительной прочности и пластичности (радиационное охрупчивание) при больших дозах нейтронного облучения.

2. Влияние нейтронного облучения на характеристики ползучести конструкционных и топливных материалов.

3. Коррозионное растрескивание конструкционных материалов в условиях агрессивной внутритвэльной среды (наличие под оболочкой продуктов деления (Те, Cs, I и др.) с зарождением и развитием микротрещин при определенном уровне растягивающих напряжений.

4. Физико-химическое взаимодействие продуктов деления с оболочкой при глубоких выгораниях топлива.

При оценке влияния указанных факторов на работоспособность твэла необходимо учитывать, что диапазон рабочих температур оболочки твэла энергетического реактора на быстрых нейтронах достаточно широкий — от 350 до 700 °С. При этом температура оболочки может уменьшаться по кампании на 30-40 °С за счет снижения подогрева теплоносителя в ТВС. Это обстоятельство является очень важным, поскольку каждый из перечисленных факторов является определяющим для работоспособности твэла только в определенном температурном интервале.

Поэтому выбору основных решений при конструировании твэла, установлению приемлемости тех или иных рабочих характеристик твэла, прогнозированию ресурса конструкции должен предшествовать комплекс экспериментальных исследований по изучению влияния каждого из факторов в температурном интервале, в котором он может лимитировать ресурс работы твэла.

В настоящее время для твэлов с оксидным урановым и уран-плутониевым топливом на основании многочисленных исследований, выполненных отечественными и зарубежными специалистами, общепринятым считается следующий подход к определению приемлемости принятых конструкторских решений по твэлу и прогнозированию ресурса его работы.

Для высокотемпературной части твэла (более 600 °С) определяющим является длительная прочность материала оболочки, т.е. ее жаропрочность. Расчеты напряженно-деформированного состояния в этой части по длине твэла производятся по «газовой модели». При этом учитывается возрастание напряжений в оболочке твэла в зависимости от выхода ГПД из топлива и изменение температуры оболочки по кампании в зависимости от снижения тепловых нагрузок по мере выгорания топлива.

Перегрузка ТВС реакторов на быстрых нейтронах в водный бассейн выдержки осуществляется через промежуточное внутри-реакторное хранилище (ВРХ), т.е. отработавшие ТВС дополнительно в течение как минимум одной микрокампании, находятся в среде жидкого натрия при максимальной температуре, достигающей 600-650 °С. В этих условиях в оболочке твэла происходит дальнейшее накопление повреждений. Поэтому при оценке ресурса работы твэлов и выборе соответствующих коэффициентов запаса прочности необходимо учитывать и это обстоятельство.

Другим важным фактором, ограничивающим достижение в твэлах глубоких выгораний, является различие в формоизменении пучка твэлов и чехла ТВС. Это различие является следствием одной из следующих причин.

1. Сильная зависимость радиационного распухания сталей, используемых в качестве конструкционных материалов для оболочек и чехлов ТВС, от температуры. Поэтому даже незначительное отличие в температуре (20-25 °С) для одной и той же марки стали приводит к существенному различию в объемных изменениях твэлов и чехлов ТВС. При работе ТВС температурные поля по длине оболочек и чехлов ТВС не совпадают: оболочки твэлов эксплуатируются при более высоких температурах. В областях, прилегающих к центру активной зоны, где флюенс нейтронов максимальный, это различие может достигать 25-30 вС. Уровень напряжений от перепада давления теплоносителя по толщине стенки чехла ТВС и оболочки твэла также существенно неодинаков. К тому же в оболочках твэлов напряжения изменяются в течение кампании, т.е. деформации, накапливаемые вследствие радиационной и термической ползучести чехлов ТВС и оболочек твэлов, тоже различаются. Однако следует отметить, что эти деформации в существенно меньшей степени влияют на деформационную несовместимость лучка твэлов и чехла ТВС.

2. Использование для чехлов ТВС и оболочек твэлов сталей разных марок. В этом случае наихудшие условия для ресурсных характеристик твэлов реализуются при применении для чехлов ТВС практически нераспухающих сталей ферритного или феррито-мартенситного класса, а для оболочек твэлов — сталей аустенитного класса. Однако такое конструкторское решение, принятое, в частности, для реакторов БН-600 и БН-350, позволяет практически полностью уйти от серьезных трудностей, связанных с перегрузкой отработавших ТВС, особенно при малых расстояниях между ними, и обеспечить геометрическую стабильность активной зоны на протяжении всей кампании топлива. Это решение является на данном этапе компромиссным и пригодно, как показывает опыт и расчетные исследования, по-видимому до флюенсов, соответствующих накоплению повреждений в оболочках, не более 100-110 с.н.а.

Деформационная несовместимость могла бы быть достаточно просто устранена при использовании для оболочек твэлов сталей ферритного или феррито-мартенситного класса. Однако реализации такого решения должен предшествовать комплекс исследований, направленный на разработку новых или усовершенствование существующих сталей этого класса с целью существенного повышения их жаропрочности, а также на обеспечение надежного хранения отработавших ТВС в водных бассейнах выдержки без заметного накопления коррозионной повреждаемости оболочек.

Процесс деформирования пучка твэлов и его взаимодействие с чехлом ТВС при эксплуатации можно разделить на три стадии: устранение сборочных (исходных) зазоров; возрастающий во времени силовой контакт через проволоку между соседними твэлами и между чехлом и пристеночными твэлами; контакт чехловой трубы непосредственно с оболочками прогнутых твэлов.

На второй стадии из-за неодинаковой скорости распухания оболочек и шестигранного чехла и смещения по высоте активной зоны положений максимумов формоизменения пучка твэлов и чехла ТВС происходит совместное их деформирование. При этом в местах контакта оболочки с дистанционирующей проволокой на внутренней поверхности оболочек твэлов возникают постепенно возрастающие окружные растягивающие напряжения, являющиеся причинами овализации оболочек и накопления в ней дополнительных повреждений, в том числе и по механизму коррозионного растрескивания в присутствии химически агрессивных продуктов деления.

Непосредственной причиной разрушения оболочек при интенсивном механическом взаимодействии пучка твэлов с чехлом ТВС может стать либо исчерпание деформационной способности материала, либо коррозионное растрескивание оболочки в местах возникновения локальных растягивающих напряжений в присутствии агрессивных продуктов деления (иод, цезий, теллур и др.).

В качестве обобщенной характеристики, определяющей ресурс работы твэла в таких условиях, отечественными специалистами рекомендуется принимать предельное значение локального вдавливания (вмятия) оболочки от действия контактных сил, передаваемых через дистанционирующую проволоку. Принятие предельно допустимого локального вдавливания как критерия прочности твэла, является удобным, поскольку его можно достаточно точно определить на основании специально поставленных экспериментальных работ или по результатам облучения опытных ТВС непосредственно в активной зоне реактора. В последнем случае предельное состояние оболочки можно связать и с предельно допустимой повреждающей дозой. В частности, на основании накопленного опыта эксплуатации и послереакторных исследований штатных и опытных твэлов и ТВС в горячих лабораториях были найдены предельные повреждающие дозы для различных конструкционных материалов в условиях работы твэлов в реакторе БН-600.

Предельные повреждающие дозы для различных конструкционных (во результатам испытаний в реакторе БН-600)

Характер и степень повреждаемости оболочки в условиях стесненной деформации пучка твэлов можно проиллюстрировать экспериментальными результатами. С этой целью рассмотрим экспериментальные данные послереакторных исследований твэлов одной из ТВС, облученной в реакторе БН-600 до повреждающей дозы около 74 с.н.а. Исследования были выполнены в горячей лаборатории ФЭИ. ТВС была изготовлена с использованием следующих конструкционных материалов: сталь 08Х16Н11МЗТ х.д. (чехол ТВС) и сталь 08Х16Н15МЗБ х.д. (оболочки твэлов). Указанные конструкционные материалы являлись штатными для реактора БН-600 до 1986 г. Типичные закономерности их формоизменений при эксплуатации представлены в гл. 15. Анализируя эти закономерности, можно отметить следующее.

Среднее положение максимального радиационного формоизменения твэлов смещено примерно на 120-130 мм ниже центра активной зоны и соответствует температуре около 440-450 °С.

Максимальная овализация оболочек наблюдается в этих же сечениях по высоте твэла. Данные по распуханию материала оболочек, полученные электронно-микроскопическим методом на участках максимального увеличения, диаметра твэлов, показывают, что вклад радиационной ползучести в общее увеличение диаметра твэла незначителен. Максимум радиационного распухания материала чехла находится ниже центра активной зоны на 40-50 мм и соответствует температуре около 430-450 °С.

За счет несколько большей скорости распухания материала оболочек твэлов по сравнению с материалом шестигранного чехла и смещения по высоте активной зоны положений максимумов формоизменения пучка твэлов и чехла ТВС происходит взаимное деформирование пучка твэлов и шестигранного чехла, что и приводит к овализации оболочек твэлов.

Для определения характера и природы дефектов, приводящих к охрупчиванию материала оболочек, образцы практически из тех же сечений отжигались при температуре 850 °С в течение 1 ч, а затем испытывались при температуре, соответствующей температуре облучения. Результаты показали, что для сечений ниже центра активной зоны примерно на 150 мм у отдельных образцов не происходит даже частичного восстановления свойств, что указывает на накопление материалом повреждений, отличных от радиационных. Металлографические исследования показали, что в этих местах наблюдаются повреждения типа микротрещин без заметного коррозионного повреждения оболочек. Зона образования микротрещин и ухудшения механических свойств материала оболочки совпадают с зоной максимального увеличения диаметра и с появлением значительной эллипсности (около 250 мкм).

Очевидно, что наиболее вероятным механизмом образования большого количества микротрещин и, как следствие, падения пластичности и прочности материала оболочки является механическое взаимодействие твэлов между собой и с шестигранным чехлом, из-за различного формоизменения пучка твэлов и чехла ТВС при облучении. Используя соответствующую расчетную модель

Как мы отмечали выше, зона охрупчивания оболочек находится ниже центра активной зоны, характеризуется пределом прочности для стали аустенитного класса 08Х16Н15МЗБ х.д. от 20 до 110 МПа и практически нулевой пластичностью, что свидетельствует о практически полном исчерпании несущей способности оболочек. Если в качестве расчетного критерия прочности оболочек твэлов рассматривать накопленное локальное вдавливание и, обобщенно отражающее условия механического нагружения и накопленную деформацию радиационной ползучести, то предельно допустимым реальным расчетным значением локального вдавливания для оболочек из стали 08Х16Н15МЗБ х.д. можно принять, [w] = 20 мкм.

В настоящее время штатными конструкционными материалами для ТВС БН-600 и БН-350 являются стали 1Х13М2БФР (чехол), 08Х16Н15МЗБР х.д. и 08Х16Н15М2Г2ТФР х.д. (оболочки твэла).

Приведенные в таблице выше экспериментальные результаты отражают уровень разработок по указанным конструкционным материалам на конец 1989 г. Работы по усовершенствованию этих сталей и разработке новых ведутся достаточно интенсивно. Проводятся также исследования и по дальнейшей оптимизации конструкторских решений по ТВС: увеличение относительного шага расположения твэлов, изменение шага дистанционирующей проволоки и др.

На основании всего комплекса этих работ прогнозируется, что деформационная несовместимость пучка твэлов и чехла ТВС не будет лимитирующим фактором для работоспособности твэлов по крайней мере до повреждающих доз около 100 с.н.а.

АЭС с реакторами на быстрых нейтронах используются в базовом режиме эксплуатации с целью обеспечения максимально возможного темпа наработки вторичного плутония. Тем не менее переходные эксплуатационные режимы и на таких АЭС не могут быть исключены полностью. Поэтому как и в реакторах на тепловых нейтронах проблема влияния переходных режимов на работоспособность твэлов реакторов на быстрых нейтронах является актуальной. При этом накопление повреждений в оболочке при скачках мощности является еще одним фактором, лимитирующим ресурсные характеристики твэла реактора на быстрых нейтронах.

Опыт, накопленный на первом этапе эксплуатации реактора БН-600, показал, что ограничивающим фактором для достижения в твэлах проектных выгораний является не только радиационная стойкость конструкционных материалов, но и условия работы твэлов, преждевременная разгерметизация которых наблюдалась при уровнях выгорания 6,5-7 % тяжелых атомов. Причем выход твэлов из строя наблюдался главным образом в ЗБО.

Для выяснения причин преждевременной разгерметизации твэлов был проведен комплекс расчетных и экспериментальных исследований, который показал, что в этот период главной причиной снижения ресурса работы твэлов являлись некоторые эксплуатационные особенности, присущие активной зоне реактора БН-600 в начальный период его эксплуатации. Дело в том, что до середины 1986 г. реактор БН-600 работал в стационарном режиме с интервалом между перегрузками 100 эф. сут. Полное обновление ТВС ЗМО происходило за две перегрузки. В ЗБО за это же время перегрузка осуществлялась с перестановками и разворотом ТВС на 180°; в каждую перегрузку заменялась 1/3 ТВС. При этом ТВС с радиуса с меньшим удельным тепловыделением переставлялись на радиус с большим удельным тепловыделением. Перестановки и разворот ТВС приводили, с одной стороны, к «скачкам» мощности на твэлах ЗБО до 30-40 %, а с другой — к увеличению в течение кампании тепловых нагрузок и температур на оболочках. В начале третьего цикла облучения тепловые нагрузки на твэлах ЗБО достигали около 500-540 Вт/см.

Режим эксплуатации с перестановками ТВС имеет определенные преимущества для физики реактора и был принят для начального этапа работы БН-600 с целью проверки возможностей реализации такого решения и накопления опыта. Однако такой режим оказался не оптимальным для работоспособности твэлов. При длительной эксплуатации твэлов в стационарном режиме происходит очень интенсивное накопление радиационных повреждений материалов оболочек, проявляющееся, как уже было отмечено выше, в уменьшении остаточной пластичности, изменении пределов текучести и прочности, снижении длительной прочности, в физико-химическом взаимодействии оболочки с продуктами деления, в накоплении в ней повреждений от газового давления, деформационной несовместимости пучка твэлов и чехла ТВС при высоких флюенсах.

Естественно, что поврежденные таким образом оболочки становятся весьма чувствительными к дополнительным механическим нагрузкам, наиболее серьезным источником которых и являются, в первую очередь, режима типа «скачок мощности».

Высокий уровень растягивающих напряжений, возникающих из-за термомеханического взаимодействия топливного сердечника с оболочкой, и наличие химически агрессивной по отношению к оболочке среды (Те, Cs, I), являются причиной накопления повреждений и последующего разрушения твэлов по механизму коррозионного растрескивания. Поэтому была разработана модернизированная активная зона с тремя зонами обогащения, что позволило отказаться от перестановок ТВС в течение кампании за счет лучшего выравнивания поля энерговыделения по радиусу активной зоны. Это обстоятельство в сочетании с увеличением высоты активной зоны с 750 до 1000 мм позволило снизить максимальные тепловые нагрузки на твэлах с 540 до 480 Вт/см и обеспечить в модернизированной зоне снижение по кампании тепловых нагрузок и температуры на оболочках твэлов.

Модернизация активной зоны реактора БН-600 оказала весьма положительное влияние на его работу в целом и особенно на работоспособность твэлов: за период с середины 1987 по 1995 г. разгерметизация твэлов вообще не наблюдалась, хотя длительность микрокампаний увеличилась со 100 до 165 эф. сут.

Любая промышленная организация нуждается в складирование материалов или выпущенной продукции. Качественные европаллеты для складов доступны при переходе по ссылке.