Содержание к диссертации
Введение
2 Анализ существующего состояния и предложения по усовершенствованию 15
2.1 Анализ путей усовершенствования ТВС и активных зон ВВЭР 15
2.2 Ограничения на локальную мощность в активной зоне реакторов ВВЭР 22
2.2.1 Ограничения для аксиального профиля энерговыделения и целесообразность его улучшения 22
2.2.2 Неравномерности энерговыделения
2.2.3 Предельно реализующиеся энерговыделения 26
2.2.4 Учет межкассетных зазоров 27
2.2.5 Усовершенствованный вероятностный подход 29
2.2.6 Ограничения при эксплуатации 31
2.2.7 Неопределенности, погрешности и возмущения 32
2.3 Сравнительный анализ ТВС ВВЭР и PWR. Необходимость и целесообразность повышения уровня технологии при производстве ТВС ВВЭР 35
2.3.1 Общие и отличительные особенности. Предложения по модернизации конструкции ТВС ВВЭР 35
2.3.2 Анализ способов профилирования размножающих свойств в активной зоне и ТВС. Предложения по усовершенствованию профилирования ТВС . 41
2.3.3 ТВС ВВЭР-1000 46
2.3.4 ТВС ВВЭР-440 55
2.3.5 ТВС реакторов PWR 59
3 Анализ возмущений межкассетных зазоров в активной зоне и их влияния на энерговыделение 65
3.1 Опорные возмущенные распределения потвэльных энерговыделений 65
3.2 Реперные распределения межкассетных зазоров. Программа ЗАЗОР 67
3.3 Невозмущенные распределения потвэльных энерговыделений 72
4 Вероятностные совокупности возмущающих факторов. программа МЕХ 88
4.1 Описание программы МЕХ 88
4.2 Распределения твэлов по мощности с учетом возмущений 92
4.3 Предельно реализующиеся распределения энерговыделения 93
4.4 Оптимизация глубины радиального профилирования обогащения ТВС 93
5 Технические и экономические выгоды усовершенствованного радиально -аксиального профилирования ТВС ВВЭР 105
6 Выводы и заключение 112
- Ограничения для аксиального профиля энерговыделения и целесообразность его улучшения
- Анализ способов профилирования размножающих свойств в активной зоне и ТВС. Предложения по усовершенствованию профилирования ТВС
- Реперные распределения межкассетных зазоров. Программа ЗАЗОР
- Оптимизация глубины радиального профилирования обогащения ТВС
Введение к работе
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 ТВС, 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 ТВС 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 (ТВС, 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 ТВС 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 производится 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 ТВС 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 коэффи циенты) чувствительности энерговыделения к изменению каждого фактора. Коэффициенты чувствительности к изменению составляющих факторов для ВВЭР рассчитываются отдельно по программам КАССЕТА-2, БИПР-7, ПЕРМАК /26/, MCU /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 отказов -основных 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 детермини стических 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.
1.2 Источники неравномерности энерговыделения и подавление их влияния
В активных зонах реакторов ВВЭР, так же как и PWR и реакторов других типов за счет различных причин имеют место интегральные (макро) и локальные (микро) неравномерности в распределении энерговыделения, которые могут снижать теплотехнические запасы, уменьшать надежность и срок службы топлива, приводить к ужесточению эксплуатационных ограничений и препятствовать внедрению полезных новшеств. Это, в конечном счете, снижает конкурентоспособность ядерной энергетики вообще или отечественной ядерной энергетики в частности /67/, и делает актуальной задачу устранения или уменьшения вредного действия таких неравномерностей. При проектировании реакторов, исходя из анализов НУЭ, ННУЭ и ПА, определяются предельно допустимые области {ограничивающие линии) для стационарных распределений энерговыделения (см. п. 2.2.1).
Неравномерности энерговыделения во многом определяются неравномерностями замедляющих и размножающих свойств в ТВС, которые являются следствием конструктивного обеспечения требуемых полезных функций ТВС, и потому не ставится задача их безусловного устранения. Кроме этих «полезных», существуют нежелательные дополнительные неравномерности энерговыделения, которые следует по возможности подавлять; они определяются уровнем технологии (величиной допусков) на изготовление топливных таблеток, твэлов, ТВС, жесткостью каркаса ТВС, процессами выгорания и отравления, регламентом эксплуатации и другими факторами, порой неожиданными, например водно-химическим режимом.
В соответствии с принятой в мировой практике методологией обоснования безопасности, стационарные распределения энерговыделения, реализующиеся при НУЭ, с учетом всевозможных неопределенностей, погрешностей и возмущений, принимаются в качестве начальных условий для анализа динамических переходных режимов ННУЭ и ПА, а также для анализа надежности топлива. Такие возмущенные распределения требуется моделировать как для традиционных детерминистических (в этом случае - предельно реализующиеся), так и для перспективных статистических анализов безопасности. Сложность количественной оценки неопределенностей, погрешностей и возмущений при обосновании безопасности заставляет использовать подход с избыточным консерватизмом в так называемых инженерных коэффициентах запаса на неравномерность энерговыделения, что также в конечном счете, снижает конкурентоспособность ядерной энергетики. В то же время прогресс в технологии изготовления топлива и расчетном моделировании процессов, а также накопление опыта эксплуатации ставит задачу снижения избыточного консерватизма и позволяет ее решить.
Стационарные неравномерности энерговыделения возникают вследствие возмущений, детерминированных или вероятностных, обусловленных неоднородностями (конструктивными и в материальном составе) в активной зоне и сравнительно медленно изменяющимися - либо в процессе выгорания топлива, либо при перераспределении размножающих свойств в активной зоне. Причины возникновения таких неравномерностей энерговыделения либо одинаково относятся к реакторам водо-водяного типа (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и перспективным, равно как и PWR), либо являются следствием только их специфических конструктивных особенностей. К причинам и источникам возникновения детерминированных неравномерностей причислим те из них, действие которых носит детерминированный характер, без учета погрешностей, неопределенностей и возмущений. Такие неравномерности для ТВС ВВЭР обычно достаточно хорошо анализируются с использованием традиционного комплекса проектных расчетных программ БИПР-7 -ПЕРМАК (либо его трехмерной модификации ПЕРМАК-ЗБ) и MCU. Причинами таких локальных и интегральных неравномерностей являются:
- локальные водяные неоднородности - ячейки с направляющими каналами (ВВЭР-1000, -1500) и номинальные межкассетные зазоры, внедрение У ТВС, в которых осуществлена замена материала дистанционирую-щих решеток с нержавеющей стали на цирконий, что увеличивает объем водного межкассетного пространства в горячем состоянии, за счет почти вдвое меньшего коэффициента теплового расширения циркония /63/,
- стыковочный узел составных кассет (ВВЭР-440), что приводит к возникновению локального пика в его окрестностях,
- торцевые водяные отражатели - причина узких локальных пиков на границе раздела сред, возможное внедрение в ближайшей перспективе аксиальных бланкетов из топлива с низкими размножающими свойствами, что дает узкие локальные пики на границе раздела сред и повышение интегральной аксиальной неравномерности за счет снижения аксиальной утечки нейтронов из активной зоны, - возможное внедрение в ближайшей перспективе так называемых модернизированных ТВС (МТВС) с повышением количества топлива за счет увеличения длины топливного столба, что приводит к разновысотности ТВС в активной зоне для переходных загрузок и возникновению локальных пиков, при последовательных ежегодных загрузках в обычную активную зону партий подпитки из МТВС,
- использование топливных компоновок с уменьшенной радиальной утечкой нейтронов, что увеличивает интегральные радиальные неравномерности энерговыделения в активной зоне,
- ксеноновые колебания, увеличивающие интегральные неравномерности энерговыделения,
- перемещения ПС СУЗ кластерного типа (ВВЭР-1000) или кассет АРК (ВВЭР-440) также увеличивающие интегральные неравномерности энерговыделения,
- возможное внедрение в ближайшей перспективе уран-плутониевого МОХ топлива, что увеличит локальные пики энерговыделения за счет значительно более высоких нейтронных сечений деления и генерации у изотопов плутония, чем урана.
К источникам возникновения вероятностных неравномерностей энерговыделения причислим те из них, действие которых носит вероятностный характер. Их причинами являются:
- искривления ТВС и твэлов, приводящие к возмущениям межкассетных и меж-твэльных зазоров (в основном ВВЭР-1000),
- технологические допуски на геометрические размеры и материальный состав топлива, в том числе допуски на «разновысотность» отдельных твэлов, а также на шаг размещения твэлов в ТВС,
- увеличенные осевые зазоры между топливными таблетками и возможные сколы на таблетках в твэлах, приводящие к локальным пикам энерговыделения в топливе,
- погрешности проектных расчетных программ.
Обычно аксиальный профиль линейного теплового потока с поверхности твэлов, используемый в анализах безопасности для определения запаса до кризиса теплообмена, практически эквидистантен профилю энерговыделения в топливе. Это настолько же верно и для профиля температуры топлива, который определяет работоспособность твэла - отсутствие деформаций, заметного окисления, наводораживания и изменения структуры оболочки. Исключением являются случаи с узкими локальными аксиальными пиками энерговыделения (полушириной порядка 1 см), возникающими в топливе на границе раздела сред и при зазорах (разрывах) между топливными таблетками, при которых аксиальные растечки тепла по топливу и оболочке твэл значительно сглаживают пики в аксиальных профилях температуры топлива и оболочке, а также в профиле потока тепла от поверхности твэлов ("горячее пятно") к теплоносителю. Такие пики энерговыделения обна руживаются в твэле с разрывом, и соседних с ним твэлах, расчетным анализом (по программе MCU) и экспериментальными исследованиями, в частности в НИИАР на реакторе МИР. Опыт эксплуатации и послереакторные исследования показывают, что наличие таких локальных пиков энерговыделения не приводит к ухудшению работоспособности твэ-лов. В исследованиях кризиса теплообмена для бесчехловых кассет ВВЭР, проведенными в ОКБ "Гидропресс" в 1983 г экспериментально установлено (так же как и за рубежом для твэлов ТВС PWR), что относительно небольшое "горячее пятно" на поверхности твэла не оказывает влияния на формирование кризисной ситуации в пучке твэлов. Вместе с тем, анализ показывает, что локальные пики энерговыделения ухудшают состояние твэла в условиях максимальной проектной аварии (LOCA), а именно повышают локальную температуру оболочки, степень ее окисления и охрупчивания /52/. Поэтому, актуальным остается уточнение профилей возможных локальных пиков энерговыделения и аксиальных рас-течек тепла в твэлах, для их дальнейшего использования при обосновании безопасности.
От указанных стационарных неравномерностей в распределении энерговыделения следует отличать динамические изменения или так называемые скачки локальной мощности, происходящие за счет интегральных изменений или перераспределений мощности в объеме активной зоны, обусловленные в частности следующими причинами, возникающими как в режимах нормальной эксплуатации, так и при их нарушениях:
подъем мощности после перегрузки топлива или после работы на пониженных уровнях мощности, ксеноновые колебания, ступенчатый наброс электрической нагрузки,
- подключение ранее неработающей петли главного циркуляционного трубопровода, «холодный» теплоноситель которой вводит положительную реактивность в сектор активной зоны и повышает его энерговыделение,
- перемещения ПС СУЗ кластерного типа (ВВЭР-1000) или кассет АРК (ВВЭР-440),
изменение концентрации борной кислоты при работающем АРМ, что сопровождается компенсирующими перемещениями ПС СУЗ.
При определении режима скачка мощности важное значение имеет так называемое время «приработки» топливного сердечника и оболочки, то есть время, требуемое для закрытия трещин в топливе и зазора между сердечником и оболочкой. Скачок мощности возникает при наложении двух условий: если длительность работы на пониженном уровне мощности больше времени «приработки» и если скорость последующего подъема мощности высока - намного больше скорости релаксации напряжения в топливе. В режимах нормальной эксплуатации действие таких скачков может быть смягчено регламентными мерами, специально установленными для снижения скорости подъема локальной мощности или снижения времени работы на пониженной мощности. Вместе с тем, заведомо безопасный темп набора мощности может потребовать недопустимо большого времени -до 50-70 часов, что снижает КИУМ и поэтому требует устранения избыточного консерватизма анализа и разработки более сложных регламентных мер /52/. Для этого также разработаны и совершенствуются специальные алгоритмы предупреждения и подавления ксе-ноновых колебаний /50, 51/. Вероятность и количество режимов с нарушениями нормальных условий эксплуатации ограничивается техническими и организационными мерами при проектировании реактора и в регламенте его эксплуатации. Указанные скачки локальной мощности при высоких выгораниях оказывают вредное влияние на прочность оболочек твэл, которая нарушается, в основном из-за коррозионного растрескивания под напряжением в атмосфере агрессивных продуктов деления, и из-за накопления циклических усталостных повреждений /52, 49/. В настоящей диссертации указанные скачки локальной мощности рассматриваются лишь в той ограниченной степени, когда предлагаемые в диссертации мероприятия оказывают на них воздействие.
Рассматриваются следующие мероприятия, направленные на устранение или уменьшение неблагоприятного действия интегральных и локальных пиков энерговыделения, что повышает надежность топлива и облегчает обоснование безопасности:
усовершенствование методов расчета величины интегральных и локальных пиков и методов учета их воздействия,
- оптимизация геометрических размеров топлива и их технологических допусков,
- модернизация конструкции ТВС действующих реакторов ВВЭР-1000 для уменьшения их искривления,
- улучшение размещения и повышение количества направляющих каналов в ТВС перспективного реактора большой мощности ВВЭР-1500, -1800, в том числе и для повышения изгибной жесткости ТВС,
- усовершенствование конструкции стыковочного узла составных кассет действующих реакторов ВВЭР-440 для устранения локальных пиков,
- улучшение аксиального профиля энерговьщеления и радиального распределения, а также снижение скачков энерговыделения после перегрузок топлива за счет усовершенствования физического профилирования обогащения топлива.
1.3 Цель, значимость и результаты работы
Целью диссертационной работы является анализ источников возникновения нерав-номерностей энерговьщеления в ТВС реакторов ВВЭР, сравнение с ТВС реакторов PWR, уточненный расчет величин неравномерностей, разработка способов их прямого устранения или уменьшения их воздействия за счет повышения уровня технологии производства и уровня расчетного обоснования, а также путем усовершенствований конструкции и материального состава ТВС, которые повышают безопасность и эффективность топливоис-пользования. Актуальность проблемы: Интегральные и локальные неравномерности в распределении энерговыделения, возникающие за счет различных причин в активных зонах реакторов ВВЭР, PWR и других типов могут снижать теплотехнические запасы, уменьшать надежность и срок службы топлива, приводить к ужесточению эксплуатационных ограничений и препятствовать внедрению полезных новшеств. Это, в конечном счете, снижает конкурентоспособность ядерной энергетики вообще или отечественной ядерной энергетики в частности, и делает актуальной задачу устранения или уменьшения вредного действия таких неравномерностей. Актуальным является также и перспективное внедрение Российского производителя на рынок топлива для зарубежных реакторов PWR, для чего требуется повышение уровня технологии производства топлива.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
• разработан вероятностный методический подход с использованием метода Монте-Карло, для моделирования распределений мощности по твэлам и твэлов по мощности, с учетом технологических, расчетных и эксплуатационных неопределенностей, в том числе искривления ТВС;
• предложено R-A-профилирование обогащения топлива в ТВС ВВЭР как способ управления локальным и интегральным равновесным аксиальным профилем и оффсетом энерговыделения и компенсации действия увеличенных межкассетных зазоров на распределение энерговыделения;
• предложен ряд технических решений по модернизации конструкций кассет ВВЭР-1000 и ВВЭР-440 для снижения неравномерностей энерговыделения и охлаждения, повышения эффективности топливоиспользования;:
• детализированы локальные пики энерговыделения, возникающие за счет:
а) технологических допусков на шаг твэлов, поперечный размер ТВС ВВЭР-1000 и высоту топливного столба,
б) искривления ТВС ВВЭР-1000,
в) случайных зазоров между топливными таблетками в твэлах с МОХ и UOX, с анализом растечек тепла.
Практическая значимость и внедрение результатов работы определяются следующим перечнем:
• разработаны новые компьютерные программы, которые используются в режиме опытной эксплуатации в ОКБ "Гидропресс", что обеспечило повышение уровня проектных исследований, разработок и обоснований активных зон реакторов ВВЭР различных модификаций:
1) ЗАЗОР - для моделирования аппроксимирующих функций распределения межкассетных зазоров в активной зоне методом Монте-Карло,
2) МЕХ - программная реализация заявляемого в диссертации вероятностного подхода для расчета воздействия всевозможных неопределенностей на распределение энерговыделения в активной зоне, с использованием метода Монте-Карло, 3) TB3J1-2D - для расчета аксиальных растечек тепла в твэле при наличии узких пиков энерговыделения от зазоров между таблетками или вблизи аксиального отражателя,
• произведена программная адаптация базовой версии программы БИПР-7 (разработанной в РНЦ "Курчатовский институт") для создания возможности крупносеточного моделирования активных зон ВВЭР с множеством сортов высотного профилирования, а также с кассетами разной высоты топливных частей;
• в 2001 г. подано заявление о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Способ снижения неравномерности распределения теплотехнических запасов в ТВС», путем аксиального профилирования периферийных твэлов. Его комбинирование с использованием бланкетов и аксиальным профилированием концентрации выгорающего поглотителя представляет собой усовершенствованное R-A-профилирование ТВС, которое позволит повысить показатели экономичности и безопасности;
• подготовлено заявление о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Тепловыделяющая сборка ядерного реактора», отличающееся увеличением шага твэлов что позволит повысить показатели
безопасности и экономичности;
• более равномерная расстановка твэлов и направляющих каналов, а также повышение количества направляющих каналов в ТВС принята в качестве основного варианта в проекте перспективного реактора ВВЭР-1500, что позволит повысить показатели безопасности и экономичности;
• усовершенствованная конструкция стыковочного узла составных кассет реакторов ВВЭР-440 защищена патентом Российской Федерации в 2001 г. и внедрена в промышленное производство.
Личный вклад автора описывается следующим перечнем:
• идея усовершенствованного вероятностного подхода и его программная реализация, включая разработку программ МЕХ, ЗАЗОР, адаптацию программ ПЕРМАК, БИПР-7 и расчетов по ним и по программе MCU;
• разработка программы TB3JI-2D и расчетный анализ аксиальных тепловых растечек от острых пиков энерговыделения в топливе;
• идея R-A-профилирования и его расчетные исследования, включая разработку для этого специальной версии программы БИПР-7;
• расчетные исследования вариантов подавления всплеска энерговыделения в окрестностях кассет АРК ВВЭР-440 по программам MCU+ WIMS/D4 и выбор оптимального варианта с гафниевыми пластинами;
• анализ источников неравномерности энерговыделения, путей усовершенствования ТВС ВВЭР и преимуществ ТВС PWR;
• идея и расчеты потвэльных энерговыделений по модернизации ТВС ВВЭР-1000 и -440 с их более тесным размещением в активной зоне путем введения двух различных шагов размещения твэлов по сечению кассету • предложение и расчетные исследования по модернизации ТВС ВВЭР-1000 для новых реакторов с более равномерной расстановкой твэлов и НК и повышением количества НК в ТВС, подобно кассетам PWR;
• детальный анализ локальных пиков энерговыделения, возникающих из-за технологических отклонений и искривлений ТВС.
Апробация работы и публикации: Результаты работы, изложенные в диссертации докладывались на научно-технических симпозиумах, конференциях и семинарах, опубликованы в виде журнальных статей, а также оформлены в виде заявлений в Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам о выдаче патентов на изобретения, в частности:
• на симпозиуме Временного Международного Коллектива (ВМК) по физике ВВЭР в 1989 г. и симпозиумах AER - Atomic Energy Researches (бывший ВМК) в 1996 и 1998 гг.,
• на XI семинаре по проблемам физики реакторов Волга-2000,
• на научных сессиях МИФИ-2001, 2002 гг.,
• на Второй Всероссийской конференции по безопасности АЭС с ВВЭР, г. Подольск, 2001 г.,
• на Финско-Российском семинаре по обмену опытом эксплуатации ядерного топлива ВВЭР-440. Финляндия, г. Хельсинки, 1999,
• на семинаре в РНЦ "Курчатовский институт" 22.03.2002 г.;
• публикации статей в журнале "Атомная энергия", в 1999 и 2001 гг.,
• патент Российской Федерации на изобретение от 2001 г.,
• заявления в 2001 и 2002 гг. о выдаче патентов РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из шести разделов, включая введение и заключение, семи приложений и списка литературы (88 наименований), содержит 182 страницы, 86 рисунков и 28 таблиц.
1.4 Предмет защиты
На защиту выносится:
• вероятностная методика, совместно с программами МЕХ и ЗАЗОР, предназначенная для определения радиально-аксиальньгх распределений мощности по твэлам и распределений твэлов по мощности в активной зоне, а также для выбора усовершенствованных схем радиально-аксиального физического профилирования ТВС с учетом существующих возмущений, неопределенностей и погрешностей;
• радиально-аксиальное R-A-профилированивТВС ВВЭР,
• обоснование технической и экономической целесообразности повышения уровня технологии производства топлива.
Ограничения для аксиального профиля энерговыделения и целесообразность его улучшения
Целями усовершенствований конструкции твэлов и ТВС, а также связанных с ними усовершенствований топливных компоновок активной зоны и регламентов эксплуатации, являются повышение экономичности, надежности и безопасности, между которыми однако, нередко возникают противоречия, требующие нахождения сбалансированного компромисса. Некоторые пути совершенствования активных зон и ТВС ВВЭР-1000 и -440, часть из которых в настоящее время уже внедрены в ВВЭР, описаны в /53, 78, 83, 85/. В реакторах PWR эти усовершенствования были начаты раньше /58/, что облегчает возможность внедрения в ВВЭР уже опробованные технические решения.
При сравнениях эффективности выгорания активных зон ВВЭР и PWR обычно анализируется водо-урановое отношение, которое выражается отношением объема воды к объему топлива. При этом следует иметь в виду, что данный показатель неоднозначен и вообще говоря, недостаточен. Проанализируем например по данным /56, 57/ такой показатель, как степень заполненности топливом высоты кассеты - в виде отношения длины твэла к длине ТВС L /LIBC, И объема активной зоны - в виде отношения объема, занятого топливом Vuo2 к объему активной зоны VaKT за вычетом объема УнеТопл, занятого ячейками НК и каналом измерения. Получим, что показатель ЬгВЭЛ/Ьтвс равен 0.79 и 0.84 для ТВС ВВЭР-440 и -1000 соответственно, а для ТВС PWR варьируется в диапазоне 0.90-0.95. Показатель УцоЛУ VIieroiu.) равен 0.292 и 0.294 для ТВС ВВЭР-440 и -1000 соответственно (для СТВС данный показатель еще меньше и равен 0.278), а для ТВС PWR варьируется в диапазоне 0.30-0.33. Видно, что по обоим показателям ТВС ВВЭР проигрывают PWR, что оборачивается и экономическим проигрышем. Поэтому давно предусматривалось /53/ увеличить высоту топливной части ТВС ВВЭР, сохранив ее габариты, что оказывается конструктивно возможным и предполагается внедрить в близкой перспективе. В этом же состояла причина уменьшения диаметра центрального отверстия топливных таблеток от значения 2.3 мм в твэлах СТВС до 1.5 мм в твэлах УТВС.
Ниже в таблице 2.1 описан ряд мероприятий для твэлов, ТВС и активных зон PWR и ВВЭР, с их анализом и оценкой положительных и возможных отрицательных эффектов, а также с информацией о внедрении или о предполагаемом внедрении в относительно близкой перспективе.
Из таблицы 2.1 видно, что внедрение любых усовершенствований требует сбалансированного анализа достоинств и недостатков при их обосновании. Видно также, что многие полезные мероприятия могут сопровождаться повышением неравномерности энерговыделения либо направлены на их снижение. Процесс усовершенствования показателей безопасности и экономичности использования ядерного топлива и вообще, ядерной энергетики, неизбежно сопровождается своими особенностями и проявлениями, которые порой могут иметь неожиданный характер и в отдельных случаях приводить к непредвиденным проблемам, усложняющим получение ожидаемых выгод. Наряду с конструктивными мерами для их устранения, это требует уточнения расчетных методик и программ, используемых для обоснования безопасности, таким образом, чтобы они компенсировали возможное снижение запасов путем повышения чувствительности и снятия избыточного консерватизма анализа. Известными примерами являются последствия следующих усовершенствований, проводимых в PWR и ВВЭР: - деформация топлива есть следствие повышения времени его облучения в реакторе; - переход на УТВС с циркониевыми ДР повышает степень свободы ТВС для деформации и случайной реализации повышенных межкассетных зазоров.
В качестве примера неожиданного возмущения энерговыделения в активной зоне, не связанного с деформацией ТВС, может служить аномалия аксиального оффсета энерговыделения (Axial Offset Anomaly - АО А), описанная в докладах /16, 17, 38/, имевшая место с 1989 по 1997 годы в 19 кампаниях на 8 высокотемпературных реакторах PWR (с локальным кипением теплоносителя), которая была обнаружена системой контроля энерговыделения. Как выяснилось в результате специальных исследований, данная аномалия была вызвана временным осаждением бора в виде плохо растворимого при высоких температурах соединения L1BO2 в верхней части внешней поверхности оболочек твэлов. На американских АЭС с PWR "Three mile island" и "Seabrook" произошли повреждения топлива, причину которых предположительно относят на комбинированное воздействие отложений на твэлах и эффекта АОА. В случае менее выраженных локальных проявлений данного эффекта на отдельных твэлах, он не может быть обнаружен системой контроля (так же как и всплески энерговыделения от повышенных межкассетных зазоров), но также должен быть учтен как параметр эксплуатационной неопределенности. Согласно оценке Л.А.Сиряпиной и С.И.Брыкова (ОКБ "Гидропресс"), подобный интегральный эффект вряд ли может проявиться в реакторах ВВЭР, благодаря использованию в водной химии соединения калия КОН (в отличие от соединения лития LiOH в PWR), поскольку, согласно справочным данным /39/, соответствующее соединение КВОг примерно в 30 раз лучше растворимо, чем LiBCh. Вместе с тем следует иметь в виду, что локальный эффект в принципе может иметь место и в реакторах ВВЭР, поскольку Li и его соединение LiB02 образуется в небольших количествах за счет реакции B(n,a) Li, поэтому целесообразно оценить его локальное осаждение в верхних частях «горячих» твэлов и соответствующее локальное возмущение распределения энерговыделения.
Очевидно также, что необходимо параллельно и оперативно совершенствовать и требования нормативно-технической документации таким образом, чтобы они не играли порой роль излишнего и дорогостоящего тормоза. Это является стратегической задачей, поскольку конкурентоспособность атомной энергетики имеет устойчивую тенденцию к снижению под бременем растущих расходов на безопасность за счет наращивания инженерных систем (не всегда сбалансированных и оптимальных) /67/. Известно к примеру, что в Западных странах потребители (электроэнергетические фирмы) и лицензирующие органы, а также другие организации, поддерживающие эти органы, не определяют проектные требования. Единственным исключением являются Общие правила безопасности реактора и топлива, определяемые законом и изложенные в общих терминах лицензирующими органами. Так, в таблице 2.2 сравниваются некоторые показатели, важные для обоснования безопасности и подходы, принятые для PWR и в нормативно-технической документации для ВВЭР /1, 65/, а именно по требованиям к температурному коэффициенту реактивности в начале кампании, эффективности аварийной защиты и обеспечению непревышения максимального проектного повреждения твэлов в лимитирующей аварии LOCA. Продемонстрировано, что подходы, принятые для PWR менее консервативны, чем подходы для ВВЭР, данная информация представлялась ранее в докладе /41/.
Анализ способов профилирования размножающих свойств в активной зоне и ТВС. Предложения по усовершенствованию профилирования ТВС
Профилирование размножающих свойств, т.е. формирование их требуемого распределения в объеме активной зоны, которое прямо влияет на распределение энерговыделения, производится по радиусу и по высоте активной зоны.
По радиусу активной зоны профилирование достигается: - использованием ТВС с различным обогащением и содержанием ВП. Обычно в стационарном цикле выгорания в ВВЭР и PWR используют небольшое количество различных типов ТВС - 1-3 типа; - расстановкой ТВС по годам работы и типам в активной зоне. Предпочтительной считаются компоновки с уменьшенной радиальной утечкой нейтронов, которая достигается размещением на периферии активной зоны наиболее выгоревших ТВС. При этом большое количество ТВС меньшего размера (как в ВВЭР-440 или ТВС PWR 14x14) имеют больше возможностей для этого, чем меньшее количество больших ТВС (ВВЭР-1000 или ТВС PWR 18x18); По высоте активной зоны профилирование достигается только путем профилирования ТВС обычно следующими способами (см. рис. 2.7а): 1. Аксиальное профилирование ВП. Твэлы с интегрированным выгорающим поглотителем (твэги) должны иметь таблетки с Gd только в средней части. В областях прилегающих к верхнему и нижнему бланкетам в твэгах могут использоваться таблетки основного обогащения без Gd. Известно, что качестве ВП вместо Gd2Cb, равномерно размешанного с UO-2 в твэгах, в топливе PWR иногда используется тонкое борное покрытие из ди-борида циркония на внешней поверхности топливных таблеток. Профилирование ВП позволяет сформировать благоприятный аксиальный профиль энерговыделения в активной зоне, который повышает теплотехнические запасы. Кроме того, это снижает примерно в полтора-два раза неблагоприятное локальное повышение энерговыделения (скачки мощности), возникающее после перегрузки для топлива четвертого года эксплуатации с повышенным выгоранием (см. рис. 2.4 в пункте 2.2.1), что повышает надежность топлива. При анализе амплитуды таких скачков следует консервативно моделировать нулевой межкассетный зазор возле такого топлива до перегрузки и максимальный после перегрузки. Аксиальное профилирование выгорающего поглотителя может дать и некоторое повышение эффективности топливоиспользования за счет исключения его недогорания. Оно давно используется в ТВС BWR, PWR и недавно в ВВЭР (-1000 и -440 в ТВС конструкции Westinghouse /56/). 2. Аксиальные бланкеты. В этом случае все твэлы и твэги имеют небольшой блан-кет сверху и снизу из топлива пониженного обогащения (возможно из природного или обедненного урана или регенерата). Это дает улучшение топливоиспользования примерно до 3-4% за счет снижения аксиальной утечки нейтронов из активной зоны, что сравнимо по стоимости с экономией одной кассеты из партии ежегодной подпитки; повышается безопасность для сценария аварии - «попадание чистого конденсата в нижнюю часть активной зоны при погруженных ПС СУЗ». При этом также уменьшается флюенс нейтронов над активной зоной, что способствует увеличению срока службы ПС СУЗ, работающих в режиме аварийной защиты. Кроме того, бланкеты полезны для снижения энерговьщеления в прилегающих аксиальных участках ТВС без ВП. При использовании бланкетов повышается аксиальная неравномерность энерговыделения, которую, однако, компенсируют аксиальным профилированием выгорающего поглотителя и обогащения топлива. Использование бланкетов из природного урана толщиной 150 мм впервые было применено в 1981 г. на АЭС "Prairie Island" в США, а в дальнейшем была уменьшена по высоте область, содержащая гадолиний /58/. В настоящее время примерно в 15% всех реакторов PWR применяется аксиальное профилирование выгорающего поглотителя и/или аксиальные бланкеты /57/ в основном по 150 мм. Для западных кипящих реакторов BWR аналогичные показатели значительно выше - от 50 до 70% их общего количества используют аксиальное профилирование топлива, ВП и бланкеты. Показателен факт, что впервые для реакторов ВВЭР аксиальное профилирование топлива, выгорающего поглотителя и бланкеты применены фирмой Westinghouse для ВВЭР-440 и на АЭС «Темелин» с реакторами ВВЭР-1000 в Чехии при первых же попытках внедрения ТВС производства Западных фирм в ВВЭР. Особенности аксиального профилирования топлива с применением бланкетов рассмотрены в Приложении 5. 3. Зонное аксиальное профилирование обогащения ТВС применяется в основном в BWR и примерно в 7% PWR и необязательно в комбинации с бланкетами или профилированием ВП. Оно позволяет снизить аксиальную неравномерность энерговыделения в активной зоне. В реакторах ВВЭР с Российскими ТВС профилирование по высоте активной зоны не применяется, несмотря на имеющиеся потенциальные возможности заводов по их производству, что представляется как упущенная выгода. Таким образом, в отличие от возможности управления радиальной неравномерностью энерговыделения в активной зоне и радиальной утечкой нейтронов, путем расстановки ТВС, управление аксиальной неравномерностью и аксиальной утечкой можно осуществить только через профилирование ТВС по высоте. Существует профилирование размножающих свойств и по радиусу ТВС, которое прямо влияет на внутрикассетное распределение энерговыделения. Радиальное физическое профилирование обогащения твэлов по сечению ТВС. Примечателен такой факт, что среди множества показателей, имеющихся в банке данных для всех реакторов в мире /56, 57/, присутствуют названия и данные по каждому из трех аксиальных способов и отсутствует даже само название способа радиального профилирования. На Западе признают необходимость радиального профилирования ТВС ки пящих реакторов BWR в силу существенной неравномерности распределения пароводяного замедлителя, а для PWR считают возможным использовать однородное по сечению ТВС обогащение. Теплогидравлические анализы безопасности показывают, что необходимость радиального профилирования ТВС ВВЭР определяется не НУЭ, в которых периферийные твэ-лы надежно охлаждаются избыточной водой межкассетного зазора, а нарушениями ННУЭ со снижением расхода и авариями типа LOCA. Как обосновывается в настоящей работе, повышенная необходимость радиального профилирования ТВС ВВЭР, по сравнению с PWR, по сути дела является следствием существующего уровня технологии производства топлива. Используемое в ТВС ВВЭР-1000 и -440 профилирование обогащения топлива традиционно выбиралось из анализа по-твэльных распределений энерговыделения, рассчитанных при номинальных значениях межкассетных зазоров. При этом применялось неизменное по высоте обогащение. Критерием для такого профилирования является достижение примерного равенства энерговыделения периферийных и предпериферийных (второго ряда) твэлов в ТВС. Глубиной профилирования будем считать разность обогащений - основного и профилированного. Профилирование использовалось только в тех ТВС, где это могло уменьшить значение неравномерности энерговыделения по твэлам Кк и Кг (см. формулы (2.8) и (2.9)), в остальных ТВС профилирование не применялось. Так, в первоначальном проекте для серийных трехгодичных СТВС подпитки ВВЭР-1000, разработанном в 70-х годах прошлого века, глубина профилирования была выбрана равной 0.8% ("4.4+66 3.6") для ТВС 4.4%) по U-235 с 66 периферийными твэлами с уменьшенным до 3.6% по U-235 (по схеме рис. 2.86), и 0% для непрофилированных ТВС 4.4% (по схеме рис. 2.8а).
Последующий, более углубленный анализ распределений потвэльных энерговыделений, проведенный по программам второго поколения КАССЕТА и ПЕРМАК, а также по прецизионной программе MCU показал, что большая глубина профилирования неоптимальна. Снижая на 8-10% мощность периферийных твэлов она повышает на 4-5% мощность твэлов второго ряда, превращая их в наиболее нагруженные (сравните например рис. 2.11 и 2.12), при этом Кк в такой ТВС снижается всего на 3%.
Реперные распределения межкассетных зазоров. Программа ЗАЗОР
Для вероятностного анализа влияния межкассетных зазоров на энерговыделение в активной зоне требуется знание функции распределения зазоров для генеральных совокупностей. Получаемые в результате трудоемких термомеханических расчетов (Приложение 1) распределения межкассетных зазоров фактически представляют собой единичные наблюдения на элементах условной генеральной совокупности, показатели которой могут существенно отличаться от единичных наблюдений.
Естественной и определяющей основой упрощенного моделирования функций распределения зазоров для генеральных совокупностей является тесное расположение ТВС в активной зоне вместе с сохранением шестигранной формы и размеров ДР и статистической "равноправностью" зазоров в активной зоне. Такая задача решается методом Монте-Карло, для чего автором в 1995 г., еще до проведения сложных термомеханических расчетов по методикам /23, 24/, была предложена идея и разработана специальная расчетная двумерная программа простого геометрического моделирования ЗАЗОР /22/. В ней задается реальная геометрическая конфигурация поперечного сечения активной зоны и отражателя (выгородки) ВВЭР-1000. ТВС в активной зоне моделируются правильными "жесткими" шестиугольниками с межкассетными зазорами между ними. В процессе моделирования ориентация ТВС не меняется (повороты ТВС не рассматриваются), что дает постоянство зазора вдоль грани ТВС и шестиугольная форма ТВС сохраняется, как это постулируется и в термомеханических расчетных моделях.
В программе ЗАЗОР для всех ТВС активной зоны (рисунок П1.1) по очереди для каждой ТВС с номером Nj (і =1,...,163) выбираются два случайных числа: (pj -направление (принято равновероятным) сдвига ТВС и dj - величина сдвига, как показано на рисунке 3.5а для фрагмента активной зоны.
Моделируются распределения величин зазоров при различных вспомогательных условных предположениях (гипотезах), в частности: Гипотеза 1. dj - равномерно распределено на отрезке [0, Amin], где Amjn - расстояние до ближайшего упора в соседнюю ТВС в направлении (pj. Гипотеза 2. dj - равномерно распределено на отрезке [0, С], где С - задаваемый произвольно параметр, однако сдвиг ТВС происходит только до упора в соседнюю ТВС. Гипотеза 3. dj - равномерно распределено на отрезке [О, С], где С - задаваемый произвольно параметр, причем возможен сдвиг одной соседней ТВС и остановка происходит только при упоре в две ТВС или отражатель (выгородку). Гипотеза 4. d; - имеет Гауссово распределение с показателями {0, о}, где а -задается произвольно. Возможен сдвиг одной соседней ТВС. Последовательное однократное прохождение всех 163 ТВС соответствует моделированию одной активной зоны ВВЭР-1000 (одна история), после чего формируется промежуточная гистограмма зазоров, которая дополняется после каждой последующей истории. Для получения окончательных гистограмм - функций распределения, последовательно моделируется до 100 тысяч активных зон. Для каждой последующей истории начальное распределение зазоров может быть как невозмущенным, так и возмущенным - конечным распределением от предыдущей истории. На рисунках 3.6 и 3.7 представлены полученные в результате моделирования по программе ЗАЗОР различных комбинаций гипотез, их параметров и начальных условий, три характерных распределения зазоров, условно отражающих различные степени искривления ТВС и далее называемые реперными распределениями для двух значений Оном - 2 мм (рисунок 3.6) и 3 мм (рисунок 3.7), причем рисунок 3.7 получен с равномерным делением оси X на интервалы по 0.5 мм, а рисунок 3.6 - с более высокой частотой в характерных интервалах, что дало незначительное внешнее различие рисунков: - Распределение «М_2мм» и «М_3мм» с Омах=4 или 5 мм соответственно. Получено с использованием Гипотезы 2 с параметром С=1 мм и невозмущенным начальным распределением. Такие искривления ТВС упрощенно учитывались в инженерном коэффициенте запаса и до того, как были обнаружены более значительные деформации ТВС. Полученная зависимость может быть применима к анализу активной зоны с неискривленными, в частности, чехловыми ТВС ВВЭР-1000 (блок 5 НВАЭС) или ВВЭР-440. Зависимость внешне напоминает нормальное (Гауссово) распределение с параметрами и=2 мм (или 3 мм для рис. 3.7) и а=2/3 мм. Это обстоятельство позволяло корректно использовать правило "квадратного корня" по ф-ле (2.22) для получения статистической совокупности с другими составляющими инженерного коэффициента запаса, также распределенными по нормальному закону; - Распределение «Б_2мм» и «Б_3мм» с GMax=10 или 13 мм соответственно. Получено с использованием Гипотезы 3 с параметром С=5 мм и невозмущенным начальным распределением. На рисунках 3.6 и 3.7 просматриваются слабые локальные максимумы для зазора равного номинальной величине 2 или 3 мм; - Распределение «Г_2мм» и «Г_3мм» с GMax=20 мм или 26.5 мм. Получено с использованием Гипотезы 3 с параметром С=5 мм и возмущенным начальным распределением. На рисунках 3.6 и 3.7 отсутствуют локальные максимумы для номинального зазора 2 или 3 мм. Распределения «М», «Б» и «Г» для номинальных зазоров 2 мм получены автором первоначально в /22/, где они относились соответственно к «малым», «большим» и «гипотетическим» искривлениям ТВС. Анализ соответствия распределений, смоделированных по программе ЗАЗОР с измеренными и полученными в термомеханических расчетах проводился с использованием кумулятивных функций распределения, трансформированных из соответствующих гистограмм, представленных на рисунках П1.3 и П1.4 Приложения 1, а также интегрированием плотностей распределений на рисунках 3.6, 3.7. На рисунках 3.8 и 3.9 представлены соответствующие распределения. Из анализа рисунков 3.8, 3.9 следует: - хорошее согласие гистограмм, рассчитанных по программе ЗАЗОР, с термомеханическим моделированием по двум методикам и измерениями, в рамках их погрешностей, подтверждает правильность принятых допущений и возможность использования полученных функций распределения, в качестве аппроксимаций генеральной совокупности для дальнейшего анализа (по программе МЕХ). Этот вывод качественно подкрепляется также и информацией по возможности реализации двух - трех увеличенных смежных зазоров возле ТВС, представленной в таблице 3.1. В таблице 3.1 показаны характерные реализации максимальных зазоров (ранжированные по максимуму суммы двух смежных зазоров), при моделировании по программе ЗАЗОР, представленные в /40/. Видно, что в опасных ситуациях, когда энерговыделения твэлов максимальны, "третий" зазор, скорее всего, мал, что согласуется с данными термомеханических расчетов и является следствием тесного расположения ТВС в активной зоне.
Оптимизация глубины радиального профилирования обогащения ТВС
В данном пункте представлена информация для демонстрации качественно новых возможностей, в сравнении с «обобщенной методикой», и высокой чувствительности вероятностного подхода и программы МЕХ для получения необходимых распределений твэлов по мощности. Обычно по программе ПЕРМАК получают значения Q1 и распределения твэлов по мощности, рассчитанные при номинальных параметрах, без учета возмущений, неопределенностей и погрешностей, которые поэтому не могут быть напрямую использованы в качестве исходных данных для теплогидравлических анализов безопасности. Для таких анализов безопасности интерес представляет «хвост» функции распределения твэлов по мощности - как он трансформируется при учете всех рассматриваемых факторов неопределенности. На рисунках 4.1 - 4.7 представлены распределения твэлов по мощности в активной зоне без учета и с учетом возмущений и неопределенностей для двух значений доверительных вероятностей М (95 и 99.9 %). При этом на рисунках 4.1,4.2 все твэлы в активной зоне объединены в одну группу. На рисунке 4.1а, 4.3а, 4.4а приведены распределения твэлов по мощности, рассчитанные по программам БИПР-7 + ПЕРМАК без учета возмущений и неопределенностей в активной зоне. На рисунке 4.16 представлено изменение «хвоста» в функции распределения (соответствует интегралу заштрихованной области на рисунке 4.1а) при учете возмущений и неопределенностей. Данная информация рассчитана по программе МЕХ и может быть использована для анализов запроектных аварий или вероятностного анализа безопасности. Информация дана для диапазона изменения показателя L от 0.001 % до 10 %, что по количеству соответствует диапазону - от 0 до 5069 шт. твэлов в активной зоне ВВЭР-1000. В частности, из рисунка 4.16 следует, что если при L = 0.001 % (0 твэлов) учет возмущений и неопределенностей заставляет увеличить мощность твэла (в запас) на 10 - 16 % для М=95 % и М=99.9 % соответственно, то при L = 0.01 % (5 твэлов) соответствующее увеличение мощности твэлов составит меньшую величину - 6 - 12 % для М=95 % и М=99.9 % соответственно (при этом эта мощность будет превышена не более, чем в 5 твэлах активной зоны), а при L = 0.1 % (50 твэлов) увеличение мощности твэлов составит еще меньшую величину - всего 1 - 3 % для М=95 % и М=99.9 % соответственно (при этом мощность будет превышена не более, чем в 50 твэлах активной зоны).
На рисунках 4.3 - 4.5 даны аналогичные распределения для четырех различных групп ТВС и твэлов, для начала и конца стационарной кампании реактора, для двух значений номинальных GHOM И максимальных Gmax зазоров . При этом L выражено в шт. твэлов. Из анализа рисунков 4.3 - 4.5 видно изменение исследуемых показателей при выгорании и при изменении номинальных и максимальных зазоров в активной зоне. В частности, сравнение рис. 4.3 и 4.5 демонстрирует, что увеличение размера ТВС ВВЭР-1000 «под ключ» (примерно с 234 до 235 мм) и шага размещения твэлов (примерно с 12.75 до 12.8 мм), которое уменьшает номинальный водяной зазор между твэлами соседних ТВС примерно на 1 мм, а также уменьшает Gmax (с 13 до 10 мм), приводит к снижению максимальной невозмущенной мощности твэла примерно на 3.5%, и к снижению максимальной возмущенной мощности твэла примерно на 10%.
На рисунках 4.6, 4.7 представлена еще более детализированная информация, относящаяся к группам твэлов не только по годам работы, но и по размещению в ТВС (по рядам твэлов), причем рис. 4.7 содержит распределения при учете только возмущений межкассетных зазоров, а рис. 4.6 - при учете всех неопределенностей. Видно уменьшение влияния зазора для внутренних рядов твэлов в ТВС. Видно также, что для твэлов крайних рядов определяющее влияние оказывает возмущение зазора, а для внутренних твэлов -величина К (Кинж), т.е. технологические неопределенности и расчетные погрешности.
По программе МЕХ рассчитывается информация, соответствующая трем реперным распределениям «М» (рисунок 4.2а), «Б» (рисунок 4.16), и «Г» (рисунок 4.26) для широкого диапазона возмущений межкассетных зазоров. Для конкретного возмущения, получаемого термомеханическими расчетами используется интерполяция.
На рис. 4.8 представлены типичные зависимости Ксов от величины межкассетного зазора для различных групп твэлов и различных значений доверительных вероятностей М. Расчет проведен по программе МЕХ На рис. 4.9а,б,в,г представлены предельно реализующиеся энерговыделения в активной зоне с учетом погрешностей, неопределенностей, возмущений зазоров (для двух крайних случаев: Gmax=13MM и 4 мм) и вариаций аксиального оффсета в активной зоне (АОаз). На рис. 4.9 изображена также и предельная ограничивающая линия. Как уже было определено ранее, под глубиной профилирования понимается уменьшение обогащения периферийного ряда твэлов по сравнению с основными твэлами. Для варианта, обозначенного "Prl" принято, что глубина профилирования равна 0.4% по U-235. В данной компоновке на периферии активной зоны размещалось 18 наиболее выгоревших ТВС 4-го года работы, а остальные 24 ТВС -свежие. Информация приведена для начала (ВОС) кампании реактора, для твэлов периферийного ряда твэлов, для ряда 2 и внутренних твэлов в ТВС, с указанием их относительной мощности (Кполн) и локального аксиального оффсета (АО), для большой статистики, М=99.9%, L=0% (рис. 4.9а Дв) и М=95%, L=0.1% (рис. 4.9г). На рис. 4.9д,е приведена подобная информация для варианта без радиального профилирования обогащения "Bez". Расчет проведен по комплексу программ БИПР-7 - ПЕРМАК - MCU -ЗАЗОР - МЕХ.
В качестве критерия оптимальности профилирования периферийного ряда твэлов в ТВС принято равенство максимальных мощностей твэлов крайнего ряда и твэлов внутри ТВС, полученное при статистическом моделировании большого числа активных зон с доверительной вероятностью М=99.9%.
Из рис. 4.9 видно, что глубина профилирования неоптимальна для диапазона максимальных межкассетных зазоров 4-13 мм. В то же время видно, что предельная ограничивающая линия не превышена как для варианта с глубиной профилирования 0.4% "Prl", так и для варианта без профилирования "Bez", чему способствуют низкие коэффициенты неравномерности энерговыделения, реализуемые за счет размещения на периферии активной зоны большого количества свежих ТВС. На рис. 4.11 представлена, полученная с использованием рис. 4.9 и 4.10 оптимальная глубина профилирования периферийного ряда твэлов в ТВС, в зависимости от величины максимального зазора в активной зоне.
Из наклона линии на рис. 4.11 видно, что на каждый миллиметр увеличения максимального межкассетного зазора в активной зоне, для оптимального профилирования рассматриваемого варианта топливной компоновки требуется сравнительно небольшое снижение обогащения (увеличение глубины профилирования) периферийных твэлов -примерно на 0.03% по U-235. Для такой компоновки с GMax=Tl мм оптимальной глубиной будет 0.8%о по U-235; такая глубина профилирования уже применялась ранее в проекте серийного реактора ВВЭР-1000 с СТВС (см. пункт 2.3.2).