19127

ПРОБЛЕМЫ ОБОСНОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЭЛОВ

Лекция

Энергетика

ЛЕКЦИЯ 7 ПРОБЛЕМЫ ОБОСНОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЭЛОВ Работоспособность конструкции твэла может быть обоснована экспериментальными или расчетными методами. Экспериментальные методы обоснования работоспособности и надежности конструкции требуют массового обл

Русский

2013-07-11

6.67 MB

31 чел.

ЛЕКЦИЯ 7

ПРОБЛЕМЫ ОБОСНОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЭЛОВ

Работоспособность конструкции твэла может быть обоснована экспериментальными или расчетными методами. Экспериментальные методы обоснования работоспособности и надежности конструкции требуют массового облучения твэлов, значительных временных и материальных затрат.

Основная задача при планировании испытаний на надежность — выбор объема испытаний, который характеризуется двумя величинами: количеством испытываемых твэлов n и продолжительностью испытаний tи. Типичный план испытания на надежность изделий в реакторостроении называется планом [N, Б, Т]. Он состоит в испытании n = N образцов в течение времени tи = Т без замены (Б) отказавших образцов новыми в процессе испытаний. Требуется подтвердить, что вероятность безотказной работы изделия в течение требуемого времени tк (время кампании) будет удовлетворять условию: Р(tк Рдоп с доверительной вероятностью . Это означает, что в 100 случаев доля изделий, проработавших период tк безотказно должна быть меньше Рдоп или доля отказавших — не больше 1 – Рдоп. Для решения задачи необходимо знать тип закона надежности Р(t). В случае экспоненциального закона надежности объем испытаний определяется из уравнения:

                                             n tи = Km tк,                                        (7.1)

где Km — коэффициент, зависящий от m — количества отказавших изделий из общего количества n за время tи, доверительной вероятности и допустимого значения Рдоп. Значения коэффициентов Km представлены в табл. 7.1.

Таблица7.1

Значения коэффициентов Km

m      

Рдоп = 0,95

Рдоп = 0,99

Рдоп = 0,999

= 0,8

= 0,9

= 0,8

= 0,9

= 0,8

= 0,9

0

1

2

3

4

31,4

58,3

83,5

108

131

44,8

75,7

104

130

156

159

296

424

546

665

228

385

526

661

791

1610

2990

4280

5520

6720

2300

3890

5320

6680

7990

Используя данные таблицы легко посчитать необходимое число испытанных твэлов для экспериментального обоснования их надежности. Например, для кампании в четыре года при длительности испытаний два года для обоснования вероятности безотказной работы 0,999 при доверительном интервале 0,9 и отказе одного твэла в процессе облучения необходимо испытать 3890·4/2 = = 7780 твэлов.

В случае отсутствия отказов в процессе испытаний (m = 0), коэффициент К0 может быть вычислен по соотношению:

                                               К0 = ln (1  ) / ln Рдоп.                                                 (7.2)

Для обоснования требуемой надежности твэлов 1 – Рдоп = 5·10-5 и доверительной вероятности 0,9 К0 = 45363. Именно такое число твэлов должно безотказно отработать в течение времени испытаний, равному кампании. Если испытания длятся два года при отсутствии отказов, необходимо облучить более девяноста тысяч твэлов. Экспериментальная отработка твэлов, таким образом, кроме временных затрат, требует высоких расходов, так как стоимость одного твэла ВВЭР составляет 1,5  — 2 тыс. дол.

При возрастающей конкуренции в разработке новых конструкций твэлов между ведущими производителями топлива сроки их внедрения должны быть максимально сокращены. В этой связи особую важность приобретают расчетные методы обоснования работоспособности твэлов, базирующиеся на математических моделях их поведения и верификации моделей на доступном экспериментальном материале.

Критерии работоспособности и коэффициенты запаса

В основу разработки конструкции твэлов, определения допустимых эксплуатационных характеристик и ресурса их работы заложены принципы оценки коэффициентов запаса по следующим критериям:

  •  по температуре плавления топлива, оболочки, дистанционирующих элементов при всех условиях эксплуатации и при максимальной проектной аварии (МПА);
  •  по температуре начала физико-химического или металлургического взаимодействия между топливом и оболочкой, теплоносителем и оболочкой, топливом и теплоносителем;
  •  по комплексу факторов, приводящих к кризису теплосъема (для реакторов с водяным охлаждением);
  •  по критическому давлению потери устойчивости оболочки, включая потерю устойчивости вследствие ползучести;
  •  по напряжениям коррозионного растрескивания и глубине прорастания трещин в оболочке в условиях агрессивной среды, содержащей продукты делений;
  •  по величине коррозии со стороны теплоносителя, включая локальное окисление и гидрирование при нормальных условиях эксплуатации;
  •  по величине окисления оболочки и доли прореагировавшего материала в условиях МПА;
  •  по величине деформации в нормальных условиях эксплуатации и в условиях МПА;
  •  по предельному напряженному состоянию;
  •  по длительной прочности материала оболочки, в том числе при воздействии агрессивных продуктов делений;
  •  по количеству и величине циклических реверсивных и односторонних деформаций;
  •  по величине динамических нагрузок, в том числе при максимально возможном землетрясении и падении тяжелого самолета на реакторный блок.

Правильный подход к решению вопросов эксплуатационной надежности конструкции твэла позволяет оптимально сочетать требуемую безопасность и высокие экономические показатели работы реакторной установки. Чрезмерный консерватизм в выборе допускаемых запасов, с одной стороны, приводит к повышению стоимости производства твэлов и возрастанию доли топливной составляющей в общей стоимости электроэнергии. С другой стороны, недостаточная обоснованность тех или иных конструкторских и технологических решений и допустимых эксплуатационных параметров твэлов может привести к их разрушению, к снижению безопасности реакторной установки, а в отдельных случаях к аварийным ситуациям с большим экономическим ущербом.

Для анализа поведения твэлов во всех ведущих странах — производителях топлива созданы расчетные коды. Основные этапы создания компьютерных кодов для моделирования поведения и расчетного обоснования работоспособности конструкций твэлов показаны на рис. 7.1.

Рис.7.1. Основные этапы анализа работоспособности твэлов

Конструкция и основные характеристики твэлов и ТВС энергетических        реакторов

Твэл и ТВС реакторов РБМК–1000 и РБМК–1500

В активной зоне реакторов РБМК–1000 и РБМК–1500 с шагом квадратной решетки 250 мм расположены 1693 и 1661 технологических канала. В несущей трубе каждого канала располагаются ТВС. К канальной трубе Ф 80x4 мм из сплава Zr + 2,5 % Nb в ре-кристаллизованном состоянии диффузионной сваркой с двух сторон крепятся наконечники из стали ОХ18Н10Т, позволяющие плотно подключить каждый канал к коллектору теплоносителя.

Такая конструкция канала позволяет с помощью перегрузочной машины легко осуществлять загрузку и перегрузку ТВС, в том числе на работающем реакторе. В канал реактора РБМК-1000 загружается кассета, состоящая из двух отдельных ТВС, расположенных одна над другой, связанных в единое целое полым несущим стержнем из сплава Zr + 2,5 % Nb (ф 15x1,25 мм). В полости несущего стержня в отдельной трубчатой оболочке из циркониевого сплава располагаются датчики контроля энерговыделения, либо дополнительные поглотители нейтронов, служащие для выравнивания энерговыделения в активной зоне реактора.

Рис.7.2. ТВС реактора РБМК: 1 — подвеска, 2 — направляющий хвостовик, 3 — несущий стержень,  4 — верхняя тепловыделяющая сборка 5 — нижняя тепловыделяющая сборка, 6 — наконечник

Рис.7.3. Твэл реактора РБМК–1000: 1 — наконечник, 2 — оболочка, 3 — пружинный фиксатор,        4 — топливный столб, 5 — заглушка

Каждая верхняя и нижняя ТВС (рис.7.2) образованы параллельным пучком стержневых твэлов из 18 штук, расположенных концентрическим окружностям с фиксированным по радиусу шагом, что создает устойчивый теплосъем в течение всего срока службы твэлов. Фиксация твэлов обеспечивается каркасом, образованным несущим центральным стержнем и десятью дистанционирующими решетками,  равномерно расположенными по высоте каждой ТВС. Дистанционирующие решетки собираются из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках и скрепленных снаружи ободом. В каждой ячейке имеются внутренние выступы длиной 0,1 — 0,2 мм: по четыре в ячейках наружного и по пять в ячейках внутреннего ряда твэлов, прочно, с натягом фиксирующие пропущенные сквозь ячейки твэлы. Это предупреждает радиальные перемещения твэлов в ячейках, которые могут быть возбуждены вибрацией конструкции под действием турбулентного потока теплоносителя. Таким путем исключается возникновение фреттинг-коррозии в местах касания оболочек твэлов с металлом ячеек. Решетки выполнены из нержавеющей аустенитной стали (ведутся работы по замене материала циркониевым сплавом). Дистанционирующие решетки имеют свободу перемещения вместе с пучком твэлов несущего стержня, однако поворот решетки относительно оси стержня исключен.

Твэлы  одним  концом  кольцевыми  замками,   обжимаемыми в вырезы фигурных наконечников, крепятся к несущей решетке. Другие концы твэлов остаются свободными. Несущая решетка  (концевая) жестко крепится к осевой половине несущего стержня.

Общий вид твэла представлен на рис.7.3 Общая длина твэла составляет 3644мм, длина топливного сердечника — 3430 мм. Вариант конструкции твэла РБМК представлен на рис.7.4.

Рис.7.4. Вариант конструкции твэла РБМК

Материал оболочки и концевых деталей твэлов является сплав Zr+1%Nb в рекристаллизованном состоянии.  Диаметр оболочек 13,6 мм, толщина стенки 0,9мм. Топливом являются таблетки из спеченной двуокиси урана с высотой близкой к их диаметру, имеющие лунки на торцах.

 Средняя масса топливного столба составляет 3590 г при минимальной плотности 10,4 г/см3.

Разброс диаметрального зазора таблетка — оболочка составляет 0,18-0,36мм.
В оболочке топливные таблетки сжаты витой пружиной, расположенной
в газосборнике, снижающем давление газообразных продуктов делении.  Отношение свободного объема под оболочкой к общему объему при средних геометрических параметрах составляет 0,09.

Твэл и ТВС реакторов ВВЭР–1000

В корпус реактора ВВЭР–1000 загружается 151 тепловыделяющая сборка. ТВС реактора ВВЭР–1000 (рис.7.5) имеет шестигранную форму и состоит из пучка твэлов, расположенных в гексагональной решетке с шагом 12, 75 мм. Число твэлов в ТВС — 317 штук. Размер ТВС «под ключ» составляет 234 мм.

Рис.7.5. Эволюция конструкций ТВС реактора ВВЭР–1000

Основные составные части ТВС показаны на рис. 7.6.

Рис.7.6. Основные составные части ТВС ВВЭР-1000

В последнее время для повышения жесткости разработаны ТВС, по углам которых наварены уголки из сплава циркония (рис.7.7).

Дистанционирование твэлов осуществляется сотовыми решетками (рис.7.8), расположенными через 250 мм. Крепление решеток осуществляется на центральной каркасной трубе диаметром 11,2 мм. Головка и хвостовик кассеты скреплены между собой 12 кластерными трубами, которые проходят через всю ТВС и служат для размещения органов регулирования и защиты. Твэлы закреплены в нижней несущей решетке.

Рис.7.7. Альтернативная конструкция ТВС реактора ВВЭР–1000

Рис.7.8. Дистанционирующая решетка ТВС ректора ВВЭР–1000

На рис.7.9 и 7.10  показаны варианты конструкции твэла ВВЭР–1000.  

Рис.7.9. Вариант конструкции твэла ВВЭР–1000: 1 — наконечник, 2 — пружина, 3 — таблетка, 4 — оболочка, 5 — втулка, 6 — заглушка.

Длина твэла составляет 3840 мм. Материалом оболочки и концевых деталей служит сплав 110 (635). Наружный диаметр оболочки равен 9,1 мм, минимальная толщина стенки — 0,7 мм. Топливный сердечник набран из таблеток диоксида урана плотностью 10,4 — 10,6 г/см3. Средняя масса топливного столба равна 1565 г. Разброс диаметрального зазора топливо — оболочка составляет 0,19 — 0,32 мм. Начальная среда внутри твэла — гелий под давлением 2 — 2,5 МПа. Доля свободного объема под оболочкой — 0,16.

Рис.7.10. Варианты конструкции твэла ВВЭР–1000

Твэл и ТВС реактора БН–600

Типичная ТВС энергетического реактора на быстрых нейтронах, охлаждаемого натрием, имеет шестигранную форму и состоит из пучка твэлов, помещенного в чехловую трубу (рис.7.11). К верхней части шестигранного чехла приваривается головка, форма которой обеспечивает возможность захвата ТВС при перегрузках свежего и отработавшего топлива, транспортировке его в бассейн выдержки и на радиохимические заводы. Головка имеет отверстия для выхода теплоносителя из ТВС. К нижней части шестигранной чех-ловой трубы приваривается хвостовик, с помощью которого ТВС устанавливается в напорном коллекторе. Теплоноситель поступает в ТВС через отверстия, имеющиеся на боковой поверхности хвостовика. Нижняя часть хвостовика заглушена. В результате исключается возможность всплытия ТВС под напором теплоносителя.

Чехловая труба шестигранного профиля имеет размер «под ключ» 96 мм и толщину стенки 2 мм. В ТВС размещается 127 твэлов диаметром 6,9 мм, длиной около 2400 мм. На наружной поверхности оболочки с шагом 100 мм навита дистанционирующая проволока круглого сечения диаметром 1,05 мм для центральных твэлов и эллиптического 0,6х1,3 мм — для пристеночных твэлов. Центральную часть твэла (порядка 1000 мм) занимают обогащенные таблетки активной зоны. Сверху и снизу расположены зоны воспроизводства длиной около 400 мм, содержащие таблетки из обедненного урана. Крепление твэлов в ТВС осуществляется в нижней части к специальной опорной решетке. Таблетки активной зоны имеют центральное отверстие площадью 8 — 10 % от площади поперечного сечения. Сборочный диаметральный зазор определяется допусками на изготовление труб и таблеток и равен примерно 0,1 — 0,4 мм. В качестве конструкционного материала используется нержавеющая сталь.

Рис. 7.11. Твэл и ТВС активной зоны БН–600:

1–оболочка;  2,3–таблетки зоны воспроизводства и АЗ; 4–проволока; 5–головка ТВС; 6–твэлы;

7–хостовик

Конструктивное решение ТВС зоны воспроизводства в основном повторяет ТВС активной зоны. ТВС имеет шестигранный профиль с размером «под ключ» 96 мм и толщиной стенки 2 мм (рис.7.12). Полная длина ТВС равна примерно 3500 мм.

В боковой зоне воспроизводства энерговыделение много меньше по сравнению с активной зоной. Это позволило сократить в пучке количество твэлов, увеличив их диаметр. Оказалось возможным сформировать пучок из 37 твэлов диаметром 14 мм каждый. Разработаны и реализованы две системы дистанционирования твэлов в пучке. В первом варианте конструкции твэлов была использована оболочка, выполненная с тремя спиральными ребрами на наружной поверхности высотой 0,6 мм. Шаг спирали ребер составлял 800 мм. Однако ребра, выполненные вместе с оболочкой, являются концентраторами напряжений и значительно усложняют технологию производства ТВС.

Во – втором варианте дистанционирование осуществляется проволокой овальной проволокой толщиной 0,6 мм, навитой на поверхности оболочки с шагом 100 мм.

Тепловыделяющий элемент зоны воспроизводств имеет диаметр 14,1 мм. Толщина стенки оболочки — 0,45 мм.  В нижней части  оболочки находится стакан, служащий опорой для таблеток. Он фиксируется на оболочке точечной сваркой. Столб топливных таблеток из обедненного урана диаметром 13,15 мм поджимается к опорному стакану фиксирующим пружинным устройством в виде разрезной втулки. Твэл заполняется гелием с избыточным давлением 0,1 МПа.

Рис. 7.12. Твэл и ТВС активной зоны БН–600:

1–оболочка;  2–проволока; 3–топливные таблетки; 4–хвостовик; 5–твэлы;

6–верхний захват

Конструкции ТВС и твэлов активной зоны и боковой зоны воспроизводства показаны на рис. 7.13 — 7.16.

Рис.7.13. ТВС активной зоны

Рис.7.14. Вариант конструкции твэла активной зоны

1 — верхняя заглушка; 2 — оболочка; 3 — фиксатор топливного столба; 4 — таблетка торцевого отражателя из диоксида обедненного урана; 5 — спиральная дистанционирующая проволока; 6 — топливная таблетка с центральным отверстием из диоксида обогащенного урана; 7 — опорный стакан;

8 — газосборник;  9 — нижний несущий наконечник

Рис.7.15. ТВС зоны воспроизводства

Рис.7.16. Твэл зоны воспроизводства

1 — верхний наконечник (аргонно-дуговая сваркоа; 2 - фиксирующий элемент, поджимающий топливный столб; 3 - пористая пробка-фильтр; 4 —топливная таблетка из диоксида обедненного урана; 5 — оболочка твэла; 6 — дистанционирующая проволока овального сечения; 7 — опорный стакан, отделяющий газосборник; 8 — нижний несущий наконечник твэла; I - сечение твэла с проволочным дистанционированием; II — сечение твэла с дистанционированием с оребренной оболочкой

Условия эксплуатации твэлов определяются типом реактора, заданным тепловыделением, условиями охлаждения, выгоранием и другими характеристиками, указанными в техническом задании (Табл.7.1).

Таблица 7.1

Условия эксплуатации твэлов энергетических реакторов России

Характеристика

РБМК–1000

ВВЭР–1000

БН–600

Давление теплоносителя, МПа

Вход

Выход

8,0

7,5

16,2

16,0

0,64

0,15

Температура теплоносителя, 0С

Вход

Выход

265

289

290

322

377

580

Скорость теплоносителя, м/с

20

6

10

Максимальная температура оболочки, 0С

305

350

707

Максимальная линейная нагрузка, Вт/см

325

490

510

Оболочка твэла, мм

Внешний диаметр

Толщина

13,6

0,75

9,1

0,65 — 0,7

6,9

0,4

Среднее выгорание, ГВт/с.т

18

45

10

Максимальный поток нейтронов (Е0,1 Мэв), 1/см2с

8.1013

2.1014

3.1015

Максимальный флюенс нейтронов (Е0,1 Мэв), 1/см2

2,5.1021

2.1022

2,4.1023

Для детального анализа распределения температур, нейтронных потоков, выгорания и т.д. используют программы тепло-гидравлических и нейтронно-физических расчетов.

Модель поведения учитывает все процессы и явления, определяющие состояние и работоспособность твэлов. При создании моделей поведения используются основные уравнения, определяющие тепловое и напряженно-деформированное состояние, закономерности диффузии, массопереноса, коррозии и т.д.

Конкретные данные о свойствах материалов, необходимых для определения состояния твэла по выбранной модели получают экспериментальными исследованиями в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. В случае отсутствия экспериментальных данных по тем или иным параметрам проводят теоретические оценки.

В зависимости от конкретных условий работы твэла математическое описание его поведения может быть различным. В общем случае напряженно-деформированное состояние твэла может быть описано системой интегро-дифференциальных уравнений, состоящих из дифференциальных уравнений равновесия, зависимостей Коши и уравнений механического состояния, связывающих компоненты напряжений и деформаций. Кроме уравнений, описывающих напряжения и деформации в твэлах модель поведения включает распределение температур, закономерности изменения объема материалов при облучении, изменения структуры, выхода ГПД и др.   Решение должно удовлетворять начальным условиям и граничным условиям в любой момент времени. В качестве математических методов решения используют методы последовательных приближений, конечных разностей и конечных элементов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28837. Когнитивная психология 54 KB
  психологии порождено скорее общим направлением и логикой развития психологии чем открытиями конкретных ученых тем не менее деятельность двух психологов в наибольшей степени способствовала её возникновению. Миллер создал первый научный Центр когнитивной психологии и начал разрабатывать новые методы изучения познавательных процессов восприятия памяти мышления речи и проводили анализ их генезиса. Положительное в метафоре компьютера то что интеллект не рассматривается как набор последовательных малосвязанных этапов переработки информации...
28838. Естественно-научная парадигма в русской психологии 74 KB
  Роль психологии вооружить общество знаниями о психических явлениях и о законах деятельности души направить развитие нравственности морального поведения человека. Когда рефлекс обрывается не перейдя в движение не получив внешнего выражения завершающая часть рефлекса а она несет в качестве движения познавательную нагрузку уходит вовнутрь превращается в мысль хотя и незримую но продолжающую служить организатором поведения. Поэтому в механизме поведения реализуемом по типу рефлекса действует рефлекторное кольцо. Павлова: предмет и...
28839. Русская философская психология 74 KB
  Предмет психологии это наука о явлениях духа а не о его сущности сущность человек понять не может давалось обоснование исследовательского метода интроспективный анализ и индуктивное из частного общее обобщение описывались основные психологические законы законы ассоциаций по сходству смежности и причинности предлагалась классификация разделов психологии и давался очерк истории психологии. В лекциях Троицкого по психологии обнаруживается сочетание разнообразных подходов к психическому: вопреки эмпирической установке которая в...
28840. Развитие экспериментальной психологии в дореволюционной России 73.69 KB
  Развитие экспериментальной психологии в дореволюционной России. Формирование современной объективной психологии было основной целью которой посвящены практически все сочинения Введенского. Главный свой труд он так и назвал Психология без всякой метафизики 1917 подчеркивая этим и необходимость и возможность построения объективной психологии. Работы Введенского имели большое значение для отечественной психологии соединяя воедино европейскую и российскую традиции в понимании задач и предмета психологии а также различных способов...
28841. Развитие отечественной психологии в 20-40-е годы ХХ века 51.5 KB
  Развитие отечественной психологии в 2040е годы ХХ века Октябрьская революция оказала значительное влияние на развитие российской науки в целом и психологии в частности. С другой стороны молодое Советское государство начало последовательно оказывать помощь психологической науке создаются институты с исследовательскими лабораториями Двадцатые годы стали временем рождения советской психологии.задачи психологии: 1. вычленяются два основных методологических принципа марксистской психологии: материализм психика продукт деятельности...
28842. Педология в Советской России: основные направления работы достижения 44.5 KB
  Генетический принцип означал принятие во внимание динамики и тенденции развития. Ребенка можно изучать лишь с учетом его социальной среды которая оказывает влияние не только на психику но часто и на антропоморфические параметры развития. Наука о ребенке должна быть не только теоретической но и практической Общие моменты развития педологии В россии начала распространяться в нач 20 в. Разница между этими подходами была не только во взглядах на роль наследственности и среды но и насколько биологические механизмы лежащие в основе психического...
28843. Культурно-историческая теория Л.С. Выготского 48 KB
  Филосовская основа Марксизм: Считалось что Человек природное существо но его природа социальна и поэтому человека его психику новообразования нужно рассматривались как продукт общественноисторического развития. Только в процессе общественной жизни человека возникли сложились и развились его новые потребности а самые природные потребности человека в процессе его исторической развития изменились. С точки зрения динамики развития он разделил детство на критические и литические периоды дав качественную характеристику кризисов....
28844. Психологическая теория деятельности. Виды деятельности 44 KB
  Психологическая теория деятельности. Виды деятельности. Именно он первым из психологов поставил вопрос о необходимости психологического изучения деятельности и человека как деятеля как субъекта деятельности ввёл в психологических обиход сам термин деятельность. Анализируя психологическое содержание поведенческого акта деятельности; действия он предпочитает рассматривать его с позиций известной бихевиористической схемы S R.
28845. Развитие детской и дифференциальной психологии в советской России 66 KB
  привели к необходимости развития отечественной науки. Басов заложил основы нового понимания механизмов психического развития которые были развиты в концепции Выготского. Выготский впервые перешел от утверждения о важности среды для развития к выявлению конкретного механизма этого влияния среды который собственно и изменяет психику ребенка приводя к появлению специфических для человека высших психических функций ВПФ. При этом знаки будучи продуктом общественного развития несут на себе отпечаток культуры того социума в котором растет...