ТВЭЛЫ РЕАКТОРА ВВР-М - ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ И МОДЕРНИЗАЦИИ
К.А.Коноплев, Г.А.Кирсанов
Рост объема научных исследований на реакторе ВВР-М ставил перед
реакторщиками задачу повышения производительности реактора, т.е.
увеличения потока нейтронов в экспериментальных каналах. Созданные
в конце 50-х годов отечественные ТВС, состоящие из трубных
бесшовных твэлов (ТВС типа ВВР-М с топливной композицией в виде
металлокерамики Al+UO2 и, начиная с 1963 г., ТВС типа ВВР-М2 с
композицией в виде сплава Al+U) имели значительный теплофизический
запас, что позволило уже в первые годы работы реактора
систематически повышать его мощность. К 1966 году стационарная
мощность реактора была поднята до 16 МВт. Имел место даже
кратковременный выход на мощность 18 МВт. Начатые в начале 70-х
годов теплогидравлические исследования, в результате которых были
измерены гидравлические характеристики твэлов, распределение
потоков воды в элементах активной зоны [c1], температуры
оболочки твэлов в наиболее теплонапряженных местах активной
зоны, предельно-допустимые плотности теплового потока [c2]
позволили сделать вывод, что возможности дальнейшего повышения
удельной мощности реактора при использовании ТВС типа ВВР-М2 уже
исчерпаны. Максимальная температура оболочки твэлов уже достигла
температуры насыщения и, хотя запас до критической тепловой нагрузки
был еще достаточно велик (>2.5) [c3], дальнейшее
повышение удельной тепловой мощности, а, следовательно, и плотности
потока нейтронов, было уже сопряжено с появлением пристеночного
кипения на поверхности твэлов. Специальными экспериментами
[c4] было показано, что коррозионная стойкость материала
оболочек твэлов (сплав САВ-1) в специфических условиях
пристеночного кипения еще достаточно высока для весьма
ограниченного срока работы твэла в таком режиме, тем не менее,
появление паровой фазы в активной зоне могло оказывать
нежелательное влияние на регулирование реактора. Поэтому были
исследованы возможности повышения удельной тепловой мощности путем
изменения конструкции твэлов.
Для условий реактора
ВВР-М были определены оптимальные сочетания толщины твэлов и зазора
между ними для различного числа твэлов в сборке при сохранении
размеров элементарной ячейки, т.е. без изменения конструкции
решеток и бериллиевого отражателя [c5]. Выбор был остановлен
на 6-элементной сборке с толщиной твэлов 1.25 мм и зазором 1.5 мм
(ТВС типа ВВР-М3). Центральный твэл этой сборки из
технологических соображений был выполнен в виде стержня. Новый тип твэлов
обеспечивал увеличение удельной теплопередающей поверхности в 1.8 раза, что
при некотором ухудшении условий теплоотдачи давало выигрыш в удельной
тепловой мощности в 1.5 раза при сохранении прежних ограничений
на температуру оболочки твэлов. Такая конструкция ТВС
позволяла осуществить постепенный переход на новые ТВС, т.к.
допускала одновременную эксплуатацию в активной зоне старых и
новых сборок.
Дальнейшее совершенствование сборок шло по двум
направлениям. Во-первых, было существенно уменьшено
гидравлическое сопротивление и улучшена равномерность охлаждения
твэлов за счет изменения конструкции концевых деталей. Во-вторых,
была увеличена загрузка топлива почти в 2 раза, что уменьшало
топливную составляющую эксплуатационных затрат и повышало
коэффициент размножения в активной зоне.
Первые ТВС
усовершенствованной конструкции (ТВС типа ВВР-М5, рис.1) были
загружены в реактор в октябре 1978 г.. По мере выгорания
активная зона догружалась этими же сборками, и к лету 1980 г.
реактор был переведен на них полностью.
До перехода на новые ТВС
реактор работал обычно на мощности <16 МВт из-за
теплотехнических ограничений на ТВС типа ВВР-М2. При переходе на ТВС
типа ВВР-М5 мощность реактора была повышена до 18 МВт, несмотря
на уменьшение числа ТВС в активной зоне с ~200 до ~130.
Увеличение полной и удельной мощности реактора сопровождалось ростом
нейтронного потока в экспериментальных каналах. Кроме того, в
освободившиеся ячейки активной зоны были помещены дополнительные
экспериментальные устройства.
Если на твэлах ВВР-М2 из 271 ячейки активной
зоны на экспериментальные устройства выделялось 60 - 65
ячеек, то на твэлах ВВР-М5 реально используется 110 - 130 ячеек.
Практически почти каждая вторая ячейка активной зоны загружена
экспериментальным устройством.
На рис. 2 и рис. 3 показаны
картограммы типовых загрузок активной зоны твэлами ВВР-М2
(картограмма No.402, 1971 год) и твэлами ВВР-М5 ( картограмма No.739,
1989 год). Из-за меньшего годового расхода твэлов снизилась
топливная составляющая затрат реактора в 1.4 раза по сравнению с
твэлами ВВР-М3 даже в том случае, когда избыточная реактивность
тратилась в основном на увеличение числа экспериментальных
устройств в активной зоне [6].
Несмотря на уменьшение толщины
плакирующего слоя и увеличение концентрации осколков деления
в сердечнике твэлов, времени их пребывания в реакторе и
удельной энергонапряженности, дозиметрическая обстановка на
реакторе практически не изменилась.
Переход на тонкую оболочку несколько увеличил выход осколков деления в воду
первого контура. Активность 85mKr возросла с (1 -
2)·10-6 до
(3 - 6)·10-6 Ku/л. Тем не менее, мощности дозы в насосной, активность воздуха в технологических
помещениях и другие параметры, характеризующие условия работы в
здании реактора, не изменились. Например, активность воздуха над баком реактора как была на уровне(0.2 - 7)·10-7 Ки/л, так и
осталась
(0.5 - 3.2)·10-6 Ки/л в 1980 -1981 гг.
Объясняется это обстоятельство очень просто - осколочные продукты не определяют условия работы на реакторе, их вклад сам по себе мал.
Аналогична ситуация и с выбросом радиоактивных газов в атмосферу, он сохраняется с 1972 года на примерно постоянном уровне 0.12 Ки/(МВт·
час) и определяется активационным изотопом аргон-41.
В процессе перехода на ТВС ВВР-М5 были выполнены их всесторонние
испытания вплоть до работы при форсированных удельных нагрузках до
900 КВт/л, что является рекордным для твэлов исследовательских реакторов бассейнового типа [7].
В таблице 1 приведены условия эксплуатации твэлов ВВР-М2 и ВВР-М5 в реакторе ВВР-М.
В таблице 2 представлены геометрические параметры твэлов ВВР-М2 и
ВВР-М5, а также твэлов реакторов HFIR и MTR.
Таблица 1. Условия эксплуатации твэлов в реакторе ВВР-М ПИЯФ.
пп | Наименование параметра | Тип ТВС | ВВР-М2 | ВВР-М5 |
1 | Мощность реактора, МВт | 16 | 18 |
2 | Скорость воды, м/с | 2.8 | 2.8 |
3 | Средние удельные тепловые нагрузки, Вт/см2/кВт/л | 37/130 | 35/230 |
4 | Макс. удельные тепловые Вт/см2/кВт/л | 80/300 | 121/800 |
5 | Макс. расчетная темп-ра оболочки твэла, oC | 104 | 104 |
6 | Температура воды на входе в активную зону, oC | 50 | 50 |
7 | Макс. коэффициент неравномерности энерговыделения в активной зоне | 3.0 | 4.0 |
Таблица 2. Геометрические параметры твэлов.
пп | Тип ТВС | Толщ. твэла | Толщ. плакир. оболоч. | Толщ. топл. слоя | Удельная поверхн. теплосъема |
мм | мм | мм | см |
1 | ВВР-М2 | 2.5 | 0.9 | 0.7 | 3.67 |
2 | ВВР-М3 | 1.25 | 0.48 | 0.29 | 6.60 |
3 | ВВР-М5 | 1.25 | 0.36 | 0.53 | 6.60 |
4 | HFIR | 1.27 | 0.38 | 0.51 | 6.52 |
5 | MTR | 1.27 | 0.38 | 0.51 | 3.60* |
* с учетом конструкционных материалов.
Температурные измерения в активной зоне реактора с помощью ТВС
ВВР-М5, оснащенной миниатюрными термопарными датчиками, а также
измерения зазоров вблизи наружного твэла, выполненные в 116 точках
активной зоны, позволили установить, что номинальная величина
зазора в некоторых местах вблизи таких устройств, как бериллиевый
отражатель, ампулы, штанги, каналы СУЗ, не гарантирована. Это
обстоятельство связано в первую очередь с изменением центровки или
изменением размеров самих устройств, длительное время находящихся
в эксплуатации. Ухудшение теплоотвода со стороны меньшего зазора
провоцирует термический прогиб наружного твэла в сторону горячей
грани, что может привести к повышению температуры твэла. Учет
этого обстоятельства потребовал бы снижения допустимой мощности
реактора, т.е. ухудшения экономических показателей реактора. Эта
проблема была решена путем оребрения наружных твэлов ТВС ВВР-М5
встречными ребрами высотой 0.5 мм и шириной 1.5 мм , рис.4,
[8]. |
Постановка таких твэлов вблизи экспериментальных
устройств позволяет сохранить минимальный зазор, что устраняет
опасность местного перегрева твэлов. Реакторные испытания 60
сборок позволили сделать заключение о том, что
работоспособность оребренной сборки (ТВС ВВР-М7) до выгорания
40% топлива практически не отличается от неоребренного прототипа,
и принять их для серийного выпуска в качестве штатных ТВС реактора
ВВР-М.
Таковы основные моменты исследования и модернизации твэлов
реактора ВВР-М, которые не только обеспечили более чем
тридцатилетнюю работу реактора на мощности, в полтора раза
превышающей проектную, но и дали возможность постановки на нем
уникальных экспериментов с расположением экспериментальных
устройств непосредственно в активной зоне реактора.
Следует также отметить, что каждый этап модернизации твэлов был
связан с преодолением целого ряда технологических трудностей.
Главная из них заключалась в освоении технологии изготовления
тонкостенных твэлов с малой толщиной плакирующей оболочки.
Следующий этап заключался в замене сплавной топливной матрицы на
металлокерамическую без изменения размеров твэлов (ТВС типа
ВВР-М6). И, наконец, последний этап - формирование сравнительно
толстого ребра на тонкой оболочке твэла. Все эти трудности были
успешно преодолены заводом-изготовителем.
Серийному выпуску каждого типа твэлов предшествовали длительные
реакторные и петлевые испытания с подробным исследованием
герметичности сборки в зависимости от выгорания, которые
проводились на реакторе ВВР-М.
В результате этой работы была создана сборка твэлов с
теплотехническими качествами на уровне лучших зарубежных сборок,
которая имела одно существенное преимущество - позволяла
оперативно менять конфигурацию активной зоны, создавая возможность
размещения в ней различных экспериментальных устройств. По
удельной поверхности теплосъема сборка ВВР-М5(М7) превосходит
сборку реактора MTR, специально созданную с учетом возможностей
размещения в этом реакторе экспериментальных каналов. К
достоинствам новой сборки следует отнести также и то ее качество,
что она обеспечивает высокие удельные тепловые параметры при малом
статическом давлении. Глубина бассейна реактора ВВР-М всего лишь
3.5 м, что существенно расширяет возможности экспериментов по
сравнению с другими бассейновыми реакторами, где глубина > 7 м.
Создание новых твэлов следует рассматривать как одну из самых
значительных работ коллектива Отдела физики и техники реакторов,
как работу, которая во многом предопределила возможности и успехи
физических исследований, выполненных на реакторе ВВР-М.
Литература
-
Кирсанов Г.А., Коноплев К.А., Пикулик Р.Г., Шишкина Ж.А. Гидравлика активной зоны реактора ВВР-М. Атомная энергия, 39, вып. 5, ноябрь 1975 г., с.320-323.
- Кирсанов Г.А., Коноплев К.А., Сясин А.Н., Шишкина Ж.А. Определение предельной плотности теплового потока для ТВС реактора ВВР-М. Препринт ЛИЯФ-285, Л., 1976. 17 с.
- Кирсанов Г.А., Коноплев К.А., Шишкина Ж.А. К определению критических тепловых нагрузок и коэффициентов запаса до кризиса в исследовательских реакторах бассейнового типа.Атомная энергия, 61, вып.1, июль 1986 г., с. 41-42.
- Кирсанов Г.А., Коноплев К.А., Пикулик Р.Г. Коррозия твэла ВВР-М в условиях пристеночного кипения. Атомная энергия, 38, вып. 2, февраль 1975 г.,с. 98-100.
- Верховых П.М., Звездкин В.С., Кирсанов Г.А., Колосов К.А.,
Коноплев К.А., Сайков Ю.П. К проекту реконструкции активной зоны реактора ВВР-М. Атомная энергия, 41, вып. 3, сентябрь 1976 г., с. 201-203.
- Ерыкалов А.Н., Звездкин В.С., Кирсанов Г.А., Коноплев К.А., Львов В.С., Петров Ю.В., Рузманов А.П. Тонкостенные твэлы ВВР-М5 для исследовательских реакторов.
Атомная энергия, 60, вып. 2, февраль 1986 г., с. 103-106.
- Кирсанов Г.А., Коноплев К.А., Финдайзен А., Шишкина Ж.А. Сравнение теплотехнических возможностей ТВС для реактора ВВР-М. Атомная энергия, 67, вып. 2, август 1989 г., с. 97-100.
- Захаров А.С., Звездкин В.С., Коноплев К.А., Кирсанов Г.А., Пикулик Р.Г., Орлов С.П., Львов В.С., Сайков Ю.П. ТВС реактора ВВР-М с оребренным наружным твэлом. Атомная энергия, 74, вып. 1, 1993.
|