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

27 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

83439. Міжнародний договір у системі джерел міжнародного права 31.03 KB
  міжнародний договір це міжнародна угодаукладена державами та іншими суб\'єктами міжнародного права в письмовій формі незалежно від того чи міститься така угода в одному двох або декількох пов\'язаних між собою документах а також незалежно від конкретного найменування. На відміну від звичаю міжнародний договір є більш сучасним та свідомим методом формулювання норм міжнародного права. Вплив договору на процес створення норм міжнародного права залежить від його природи.
83440. Загальні принципи права як джерело міжнародного права 32.76 KB
  У більшості випадків вони були сформульовані ще у римському праві і використовуються при застосуванні та тлумаченні норм міжнародного права. Не всі принципи права що властиві національним правовим системам можуть бути застосованими в міжнародному праві. Прикладом загальних принципів права що є застосовними в міжнародному праві можна вважати uditur et lter prs вислухаємо і іншу сторону res judict принцип остаточності рішень суду ut dedere ut punire видай або покарай lex specilis derogt legi generli спеціальний закон деталізує...
83441. Односторонні акти держав як джерело міжнародного права 36.33 KB
  Суть одностороннього акту полягає у тому що він є результатом волевиявлення однієї держави яким вона бере на себе певні зобовязання. Односторонній акт як правило не може створювати зобовязання для інших держав. Якщо інші держави погодилися користуватися наданими правами вони зобовязані дотримуватися умов їх надання. зобовязання одностороння заява держави про те що вона бере на себе зобовязання дотримуватися в міждержавних відносинах певної поведінки відповідно до умов викладених у заяві.
83442. Акти міжнародних організацій як джерело міжнародного права 34.7 KB
  За колом адресатів акти міжнародних організацій можна поділити на рішення pro foro externo зовнішнє право організації адресатами якого є державичлени організації та pro foro interno внутрішнє право організації яке визначає порядок її функціонування. Джерелом міжнародного права може бути визнаний лише правотворчій акт міжнародної організації.
83443. Засоби визначення норм міжнародного права 35.08 KB
  Доктрина міжнародного права у широкому значенні це система поглядів та концепцій про сутність та призначення міжнародного права у певних історичних умовах. Доктрина міжнародного права у вузькому значенні це наукові праці юристівміжнародників.
83444. М’яке право 32.29 KB
  Такі норми прийнято відносити до мякого права soft lw норми якого на відміну від так званого твердого права hrd lw не породжують чітких прав та обовязків а дають лише загальну установку якої мають дотримуватися субєкти міжнародного права. Норми мякого права вирішують завдання з якими не може впоратися тверде право в таких сферах як наприклад охорона навколишнього середовища коли держави з одного боку ще не готові приймати на себе зобовязання а з іншого згодні дотримуватися певних міжнародних стандартів в...
83445. Кодифікація та прогресивний розвиток міжнародного права 31.68 KB
  Важливу роль в кодифікації міжнародного права відіграє Комісія міжнародного права КМПяка є допоміжним органом ООН. Як правило кодифікація міжнародного права супроводжується його прогресивним розвитком яке має зі мету уточнення діючих норм а також розробку нових норм та їх закріплення в міжнародних договорах. Починаючи з 1945 року під егідою ООН проводяться численні кодифікаційні конференції результатом яких наприклад є чотири конвенції з морського права Женева 1958 р.
83446. Норми міжнародного права 36.15 KB
  Міжнародно-правові норми поділяються на універсальні ~ норми міжнародного права, що встановлюються усією міжнародною спільнотою і адресуються усім субєктам міжнародного права, та норми регіональні (локальні)...
83447. Імплементація норм міжнародного права 37.07 KB
  Буткевич моністичні концепції співвідношення двох правопорядків припускають пряму дію норм міжнародного права в національній правовій системі В інших концептуальних напрямках по різному пояснюється суть процесу виконання міжнародноправових норм у внутрішньодержавній сфері. Механізм дії національного права непридатний для регулювання міжнародних відносин а міжнародне право не здатне регулювати внутрішньодержавні взаємини. Лукашуком процес входу норм міжнародного права в правову систему називається імплементація.