Неравномерности энерговыделения и их подавление в кассетах ВВЭР

1.1 Основные задачи проектирования топлива и анализы безопасности.

Задачи проектирования реакторов и топлива нацелены в основном на достижение наибольшей эффективности — оптимального выгорания топлива в условиях возможно более низкой стоимости ядерного топливного цикла. Кроме того, проект должен гарантировать надежную эксплуатацию в нормальных условиях (НУЭ) и безопасные характеристики протекания процессов в аварийных условиях (ННУЭ и ПА), для чего предусматривается специальное обоснование безопасности в этих условиях. При этом проводятся анализы теплогидравлических процессов в активной зоне и TBC, в результате которых обосновываются теплотехнические запасы — до кризиса пузырькового кипения, до плавления топлива и оболочек твэлов и т. п., а также анализы тепломеханического поведения топлива, в результате которых обосновывается целостность твэлов. Главными задачами нейтронно-физической части проекта являются следующие:

1) Экономия нейтронов путем оптимального распределения топлива и поглотителя в TBC и активной зоне, в частности за счет соответствующей стратегии перегрузок топлива и наибольшего использования конструкционных материалов с низким сечением захвата нейтронов. При этом повышение эффективности топливоиспользования может количественно выражаться в снижении удельного расхода природного урана на единицу вырабатываемой тепловой энергии, либо в снижении обогащения для получения той же длительности кампании, либо в увеличении длительности кампании при прежнем обогащении.

2) Расчетное моделирование нейтронно-физических характеристик, очень важную роль в котором играет получение детальной информации по распределениям энерговыделения в активной зоне.

Расчетные распределения энерговыделения по объектам (TBC, твэлам и таблеткам) в активной зоне назовем невозмущенными, в том случае, ко (ца они получены в результате моделирования с номинальными значениями параметров по материальному составу, геометрии и состояниям. В результате проектных и эксплуатационных расчетов для ВВЭР, по комплексу программ БИПР-7 — ПЕРМАК получают именно такие распределения. На основе невозмущенных распределений энерговыделения анализируются многие показатели топливных циклов, делаются выводы по необходимости профилирования топлива, усовершенствованию конструкции TBC и т. п.

Возмущенными распределениями энерговыделения в активной зоне назовем такие, которые смоделированы с учетом неопределенностей, влияющих на энерговыделение. К таким неопределенностям относятся технологические неопределенности при изготовлении топлива (как плотность, обогащение, геометрия), эксплуатационные неопределенности (как перемещение и деформация топливных объектов) и расчетные неопределенности как погрешности расчетов и измерений энерговыделения в топливных объектах). Общепринято, что обоснование безопасности и надежности проектов активной зоны и топлива проводится на основе возмущенных распределений энерговыделения /25, 76/. Ключевым параметром работы твэла является уровень линейного энерговыделения, т. е. тепловая энергия, произведенная на единицу длины твэла. На его основе производятся расчеты распределения температур по сечению твэла и оболочки, затем размерных характеристик таблеток, затем взаимодействия топлива с оболочкой и напряжения в оболочке, что и позволяет сделать дальнейшие выводы о прочности и надежности твэлов. Аксиальный профиль линейного энерговыделения вместе с интегральной мощностью твэла, с учетом возмущений, также есть ключевые параметры при определении запасов до кризиса кипения в различных условиях.

Кроме распределений энерговыделения (мощности) по объектам в активной зоне, важное значение для анализов безопасности имеет и обратное распределение объектов по мощности, которое требуется моделировать также с учетом возмущений. Это важно в случаях, когда требуется определить количественные показатели вышедших из строя объектов, например количества разгерметизировавшихся твэлов. При этом важно иметь возможность дифференцировать такие распределения по группам объектов, объединенных по каким-либо параметрам, например по диапазонам глубин выгорания, по обогащению, МОХ или UOX, по месту положения в TBC и т. п. В частности, при обосновании безопасности в аварии типа LOCA в некоторых странах (например в Германии) требуется, чтобы повреждение активной зоны в переводе на число разрушенных твэлов не превышало 10%, что обязательно должно учитывать более низкую мощность для более выгоревших твэлов. Это важно и для анализа выхода продуктов деления в авариях с разрушением твэлов.

Задачей проектирования является и то, что стремительно повышающийся в наше время уровень вычислительных возможностей должен реализовываться в более точное моделирование анализируемых процессов, с постоянно уменьшающимся количеством и влиянием приближений и упрощений.

Статистический метод проведения анализов безопасности. В настоящее время, благодаря развитию вычислительной техники, многие западные поставщики топлива для реакторов PWR перешли от детерминистических к статистическим (вероятностным) методам при проведении анализов безопасности. Это представляется естественным и неизбежным процессом, поскольку анализируемые состояния, исходные данные и количественные результаты анализов имеют вероятностную природу. В доступной зарубежной литературе обозначены только общие подходы, а подробная информация является охраняемой собственностью фирм. Из общих соображений ясно, что в этом случае требуется знание функций распределения для всех факторов неопределенностей, а также функции (или коэффициенты) чувствительности энерговыделения к изменению каждого фактора. Коэффициенты чувствительности к изменению составляющих факторов для ВВЭР рассчитываются отдельно по программам КАССЕТА-2, БИПР-7, ПЕРМАК /26/, МШ /28/ и др. Затем производится серия из большого количества теплотехнических расчетов, с использованием метода Монте-Карло, в котором генератор случайных чисел моделирует набор конкретных реализаций факторов неопределенностей для каждого расчета. При этом, используя функции чувствительности и невозмущенное распределение энерговыделения, для каждого теплотехнического расчета генерируется конкретная реализация возмущенных распределений мощности по твэлам, а при необходимости и твэлов по мощности.

В настоящей работе предметом защиты является способ генерации таких возмущенных распределений, по разработанной автором программе МЕХ.

К вероятностно моделируемым факторам неопределенностей, наряду с воздействующими на энерговыделение, относятся также и не влияющие или слабо влияющие на него, например теплопроводность газового зазора между таблеткой и оболочкой топлива, теплопередача от оболочки к теплоносителю (возможное подкипание), толщина оболочки, расход теплоносителя, давление, температура и т. п., конкретные реализации которых сильно влияют на величину рассчитываемого запаса. При этом моделирование отказовосновных или дополнительных, возможно производить детерминистически, а не вероятностно.

Примерами вероятностно-статистического подхода при анализе поведения топлива могут служить работы /87, 44/. Статистические методы позволяют обосновать более высокие запасы (например на 10−20% до кризиса кипения), чем детерминистические методы, и непосредственно рассчитывать вероятностные показатели, например вероятность отсутствия кризиса кипения 95% с доверительной вероятностью 95%. При таком подходе, задачей нейтронно-физического расчета является определение функций (или коэффициентов) чувствительности энерговыделения к изменению каждого фактора неопределенности во всей области его изменения (в поле его допуска).

В настоящей работе также представлен подход к решению данной задачи, в том числе определение чувствительности энергораспределения твэлов в активной зоне к изменению такого важного фактора неопределенности, как величина межкассетного зазора, а также представлен способ аппроксимации функции распределения межкассетных зазоров по разработанной автором программе ЗАЗОР.

Детерминистический метод проведения анализов безопасности. Такие методы применялись изначально из-за недостатка вычислительных возможностей и в близкой перспективе будут заменяться статистическими. Для формирования предельно реализующихся распределений энерговыделения, используемых в теплотехнических детерминистических анализах безопасности требуется консервативно учитывать сопутствующие неопределенности разного рода, путем введения соответствующих сомножителей — коэффициентов запаса. В отличие от статистических, детерминистические анализы безопасности приводят к меньшим запасам, поскольку используют наиболее неблагоприятные величины невозмущенных характеристик (энерговыделения, расхода, температур и т. д.), на которые накладываются максимальные возмущения факторов неопределенностей. В статистическом подходе такое сочетание также не исключается из рассмотрения, однако имеет незначительную вероятность реализации по сравнению с другими сочетаниями. Вместе с тем и при детерминистических обоснованиях безопасности, удовлетворение приемочных критериев требует использования консерватизма в «разумных» пределах.

Выводы. Из анализа существующего положения с деформацией TBC ВВЭР-1000 можно сделать следующие основные выводы: а) шестигранная форма и размеры ДР, а также дистанционирование твэлов в TBC практически сохраняются, что вместе с фактором тесного расположения TBC в активной зоне во многом и определяет функцию распределения величин зазоровб) конструкция TBC и ее размещение в активной зоне приводит к неблагоприятной, аксиально неравномерной деформации TBC, с реализацией максимальных межкассетных зазоров в верхней части активной зоны в диапазоне 60 — 80% высоты от низа активной зоныв) имеет место неопределенность информации о местоположении максимальных межкассетных зазоров в плане активной зоны и неполная определенность об их величинах. В начальных и стационарных топливных загрузках с УТВС зазоры относительно невелики, а при переходе от TBC со стальными ДР и НК, имеющих значительные остаточные деформации, к УТВС, в переходных загрузках могут реализоваться более значительные межкассетные зазоры. После осуществления корректирующих мероприятий, в течение нескольких переходных топливных кампаний происходит постепенное снижение деформаций TBC /4, 11, 14/, что связано с изгибом свежих TBC от соседних старых изогнутых TBC. Все межкассетные зазоры статистически «равноправны», несмотря на то, что в активной зоне могут находиться TBC с заведомо различной степенью деформации. Так, например, для двух соседних TBC с сильной, но одинаково ориентированной деформацией типа «С», величина межкассетного зазора может быть малой. К концу отдельной топливной кампании межкассетные зазоры могут увеличиваться по сравнению с началом кампании /4/- однако эффект увеличения энерговыделения в основном компенсируется повышенным выгоранием топлива возле увеличенных зазоров. Получаемые из термомеханических расчетов гистограммы распределения величин зазоров в отдельно анализируемой активной зоне имеют характер статистически случайной реализации из генеральной совокупности активных зон;

6 ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Рассмотрены стационарные распределения энерговыделения в активных зонах реакторов ВВЭР. Проведен анализ источников неравномерностей энерговыделения — они определяются конструктивным обеспечением требуемых полезных функций TBC, уровнем технологии при изготовление топлива и другими факторами.

2. Проанализированы пути совершенствования активных зон и TBC ВВЭР. Проведен сравнительный анализ TBC реакторов ВВЭР с TBC реакторов PWR, с выявлением преимуществ TBC PWR, в результате которого в частности получено, что TBC PWR более тесно размещены, с более равномерной расстановкой твэлов в активной зоне. По этой причине в TBC ВВЭР применяют радиальное профилирование обогащения, а в TBC PWR обычно не применяют. Это создает меньшую степень свободы и на искривление TBC. Количество элементов каркаса — НК и их расстановка по сечению TBC также более предпочтительна в PWR. Предложены принципиальные варианты модернизации TBC для действующих реакторов ВВЭР-1000 и -440 (УТВС-М и 440-М2), с различающимися типами ячеек ДР, которые обеспечивают снижение неравномерностей охлаждения и энерговыделения твэлов, а также повышение эффективности топливоиспользова-ния и изгибной жесткости TBC. При этом теплогидравлический и прочностной аспекты рассмотрены качественно, на основе известных фактов и общих соображений. Проведены предварительные прорисовки, показавшие принципиальную возможность их конструктивного осуществления. Предложения по модернизации TBC предусматривают дальнейший комплексный детальный анализ конструктивной осуществимости и нейтронно-физических, теплогидравлических и прочностных характеристик. Это потребует повышения уровня технологии производства TBC ВВЭР в аспекте возможности расширения номенклатуры изделий и сужения полей технологических допусков, а также повышения уровня программного обеспечения и создания более адекватных расчетных моделей. Для новых реакторов с кассетами на основе TBC ВВЭР-1000 предложено равномерно увеличить шаг размещения твэлов и количество ПЭЛ и НК, с более равномерной расстановкой их по сечению TBC (вариант ТВС-24НК), по аналогии с TBC реакторов PWR, что даст выгоды и конструктивно возможно при условии повышения уровня технологии.

3. Приведен обзор состояния с искривлением TBC ВВЭР-1000 и PWR. В настоящее время в результате проведения специальных мероприятий по оптимизации нагрузок на TBC в действующих реакторах ВВЭР-1000 их прогибы и зазоры уменьшены до приемлемых величин. В то же время, перспективное повышение длины TBC, глубины выгорания и времени работы в активной зоне остаются факторами, способствующими увеличению их прогибов. Показано, что соответствующие возмущения межкассетных водяных зазоров оказывают ограниченное влияние, поддающееся эффективной компенсации и не являются препятствием для разработки новых реакторов ВВЭР, модернизации TBC, топливных циклов и компоновок топлива в пределах TBC и активной зоны, а также в процессе эксплуатации действующих АЭС с ВВЭР-1000.

4. Разработана усовершенствованная методика и новая программа МЕХ для вероятностного анализа влияния возмущений, неопределенностей и погрешностей на энерговыделение твэлов, позволяющая получать, предельно реализующиеся распределения твэлов по мощности, а также распределения мощности по твэлам, с любым произвольным группированием в активной зоне. Аппроксимация результатов термомеханических расчетов искривления TBC производится по новой, специально разработанной программе ЗАЗОР. Используется комплекс проектных расчетных программ — БИПР-7, ПЕРМАК, MCU вместе с программами ЗАЗОР и МЕХ. Усовершенствованная методика дает возможность уточнять пределы безопасной эксплуатации реактора и снизить избыточный консерватизм проектных расчетов.

Разработана новая программа TB3JT-2D для анализа растечек тепла при острых локальных аксиальных пиках энерговыделения, возникающих возле случайных межтаблеточных зазоров, а также у границ раздела сред, в частности на торцах активной зоны, особенно с учетом технологической разновысотности твэлов.

5. Для достижения целей настоящей работы проведено множество оригинальных расчетов, с детальным моделированием TBC ВВЭР-1000, -440 и TBC PWR, с использованием прецизионной программы MCU, программы WIMS/D4, а также сравнение их с имеющимися в наличии расчетами по другим программам — MCU-REA, CASMO-4, CONSUL. Расчетами по MCU+WIMS/D4 моделированы различные варианты подавления пика энерговыделения в районе стыковочного узла TBC АРК ВВЭР-440 и выбрана оптимальная схема с гафниевыми листами, запатентованная и внедренная в конструкцию. Высказана идея увеличить загрузку топлива в TBC АРК на 2−4% с использованием в каждом твэле нескольких торцевых таблеток уменьшенного обогащения.

6. Предложено и запатентовано комбинированное R-A-профилирование обогащения топлива и концентрации выгорающего поглотителя в TBC ВВЭР как средство управления локальным и интегральным равновесным аксиальным профилем и оффсетом энерговыделения и компенсации воздействия искривления TBC на локальное энерговыделение. Анализ показывает, что его применение технологически реально, обеспечивает улучшение показателей безопасности и топливоиспользования и может быть внедрено в ближайшей перспективе. R-A профилирование может быть полезно для всех TBC ВВЭР и PWR, как существующей конструкции, так и модернизированных.

7. Диссертационная работа выполнена в ОКБ «Гидропресс». Хочу выразить признательность Ю. Г. Драгунову, Ю. А. Ананьеву, |М.А.Лукьянову|, В. И. Абрамову, В. Д. Шмелеву, В. И. Наумову, Б. Е. Шумскому, А. М. Павловичеву, Л. В. Майорову, Л. К. Шишкову, Е. А. Цыганкову, П. А. Болобову, П. Н. Алексееву, А. С. Духовенскому, Е. А. Гомину,.

А.И.Попыкину — сотрудникам ОКБ «Гидропресс», МИФИ, РНЦ «Курчатовский институт» и НТЦ ГАН РФ за полезные обсуждения, ценные советы и замечания, высказанные ими за весь период работы над темой, а также за содействие, облегчившее выполнение работы.