Поведение оболочек твэлов реакторов с водой под давлением в экспериментах, моделирующих условия аварий с потерей теплоносителя
Скачать 0.49 Mb.
|
На правах рукописи Святкин Александр МихайловичПоведение оболочек твэлов реакторов с водой под давлением в экспериментах, моделирующих условия аварий с потерей теплоносителя Специальность: 05.14.03 «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»Авторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2009 г. Работа выполнена в ОТКРЫТОМ АКЦИОНЕРНОМ ОБЩЕСТВЕ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ»
Защита состоится «__» _______ 2009 г. в ___ часов на заседании Диссертационного Совета Д 520.009.06 в РНЦ «Курчатовский институт» по адресу: 123128, г.Москва, пл.Курчатова, д.1. С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке РНЦ «Курчатовский институт». Автореферат разослан «___»_______________2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 520.009.06, доктор технических наук, профессор В.Г. Мадеев 1. Общая характеристика работы. Актуальность работы Энергетическая стратегия России предусматривает до 2020 г. ввод атомных электростанций суммарной мощностью не ниже 30 млн.кВт, причем основу составят энергетические установки типа ВВЭР-1000. В современной стратегии развития атомной энергетики вопросы обеспечения надежности и безопасности как при эксплуатации имеющихся, так и при проектировании новых ЯЭУ являются актуальными. В обеспечении безопасности реакторов с водой под давлением, как при нормальной эксплуатации, так и при аварийных ситуациях важная роль отводится оболочке твэла, которая является одним из главных защитных барьеров, препятствующих попаданию в контур топлива и продуктов деления. Расчетные коды показывают, что при авариях с потерей теплоносителя вследствие возникновения кризиса теплообмена и (или) режима ухудшенного охлаждения происходит нарушение целостности оболочек твэлов. Основными видами повреждения оболочек в этих условиях являются: деформация оболочек под действием перепада давлений твэл-контур; деформация в результате термомеханического взаимодействия топливо-оболочка; окисление циркониевого сплава; высокотемпературные взаимодействия конструкционных материалов. Во всех странах в настоящее время для получения разрешения на эксплуатацию реализуется процедура лицензирования топлива в связи с конкуренцией на рынке производителей топлива. Согласно требованиям лицензирования поведение топлива при авариях должно быть прогнозируемо расчетными моделями и кодами, а также обосновано экспериментально. Для реакторов ВВЭР в начале 90-х годов отсутствовала экспериментальная проверка моделей поведения оболочек как необлученных, так и с высоким уровнем выгорания топлива твэлов в реакторных испытаниях в условиях, моделирующих аварии с потерей теплоносителя. Это, с точки зрения конкуренции, не выгодно отличало отечественное топливо от зарубежного, для которого эти данные уже были получены. Недостаток экспериментальных результатов имелся и в расчетных моделях, прогнозирующих процесс разрушения оболочек твэлов реакторов с водой под давлением при тяжелых авариях, в частности, по кинетике высокотемпературного взаимодействия материала оболочки, его оксида и топливной таблетки. Одним из решений проблемы уточнения расчетных моделей поведения оболочек при авариях является расширение экспериментальной базы с помощью стендовых испытаний модельных твэлов в условиях, максимально приближенных к реальным. Актуальность данной работы подтверждается тем, что проводилась в рамках Федеральной программы “Топливо и энергия”, Постановление Правительства РФ №1265, по отраслевым программам “Программа испытаний твэлов ВВЭР при параметрах аварии «Малая течь»” и “Программа экспериментально-расчетных работ по изучению поведения топлива ВВЭР в условиях аварий”, приказ Минатома РФ №297 от 08.07.94., а также в рамках проекта COLOSS (Core Loss During Severe Accident) 5-й Европейской рабочей программы. Цель работы Цель работы заключается в получении экспериментальных данных о поведении оболочек твэлов реакторов с водой под давлением в составе модельной ТВС в условиях аварии с потерей теплоносителя, а также о процессе совместного растворения диоксидов циркония и урана жидким сплавом оболочки, наблюдающегося при достижении высоких температур в активной зоне при данном типе аварии. Для выполнения поставленной цели решены следующие задачи: - выбраны и аттестованы твэлы ВВЭР, в том числе отработавшие в коммерческих реакторах, для испытаний в составе ТВС в условиях, моделирующих аварии с потерей теплоносителя; - изготовлены из полномасштабных твэлов коммерческих реакторов и оснащены датчиками давления и температуры экспериментальные твэлы для испытаний в составе ТВС в реакторе МИР в условиях, моделирующих аварии с потерей теплоносителя; - разработаны программы и проведены испытания четырех 19-ти твэльных и двух 7-и твэльных ТВС в реакторе МИР в условиях, моделирующих аварии с потерей теплоносителя; - разработаны программы и выполнены комплексные послереакторные исследования состояния шести модельных ТВС ВВЭР после испытаний в реакторе МИР; - разработано и изготовлено экспериментальное оборудование для исследования совместного растворения UO2 и ZrO2 жидким циркониевым расплавом при температурах 2100 оС, 2200 оС; - проведено 14 экспериментов по совместному растворению тиглей из UO2 и стержней из ZrO2 жидким циркониевым расплавом; - выполнены исследования композиции U-Zr-O после проведения высокотемпературных экспериментов; - проанализированы и представлены в виде базы данных результаты исследований поведения оболочек твэлов в составе модельной ТВС в условиях аварии с потерей теплоносителя и кинетики растворения UO2 и ZrO2 жидким циркониевым сплавом при температурах 2100 оС, 2200 оС; Научная новизна
Автор защищает: 1. Результаты исследований состояния оболочек твэлов ВВЭР (необлученных и отработавших до уровня выгорания топлива 50-60 МВтсуткгU) после испытаний в реакторе МИР в составе модельной ТВС в режимах, имитирующих аварии с потерей теплоносителя, в температурном диапазоне 540 – 1250 0С, с временем выдержки при максимальной температуре от 3 до 25 мин и перепаде давления на оболочке до 7 МПа. 2. Экспериментально обоснованные механизмы разгерметизации оболочек необлученных и с высоким уровнем выгорания топлива твэлов ВВЭР в условиях реализованных сценариев аварий с потерей теплоносителя: пластичный разрыв под действием давления заполняющего твэл газа и хрупкое разрушение при высоком уровне окисления. 3. Результаты оценки возможности разбираемости активной зоны ВВЭР с точки зрения ликвидации последствий рассмотренных аварийных ситуаций на примере состояния реальных фрагментов твэлов в составе пучка после испытаний. 4. Разработанный экспериментальный стенд для изучения процесса совместного растворения UO2 и ZrO2 жидким циркониевым сплавом при высоких температурах, позволяющий достигать температуры 2200 0С со скоростью нагрева до 60С/с. 5. Экспериментальные кинетические зависимости совместного растворения UO2 и ZrO2 жидким циркониевым сплавом при температурах 2100 0С и 2200 0С. 6. Эффект влияния радиального температурного градиента в зоне расплавления металлической части оболочки твэла на скорость растворения ZrO2 и UO2 при температурах 2100, 2200 0С. Личный вклад автора Лично автором выбраны и аттестованы твэлы ВВЭР для подготовки и проведения реакторных экспериментов. Под руководством и при непосредственном участии автора проведены исследования шести модельных ТВС после испытаний в ПВП-2 реактора МИР в условиях, моделирующих аварии с потерей теплоносителя. Автором обработаны и представлены результаты исследований ТВС и твэлов, проанализированы механизмы окисления, разгерметизации, разрушения оболочек твэлов, результаты сведены в банк данных. Автором разработано экспериментальное оборудование для изучения кинетики совместного растворения UO2 и ZrO2 жидким циркониевым сплавом при температурах 2100 оС и 2200 оС. Лично автором проведены эксперименты по совместному растворению UO2 и ZrO2 жидким циркониевым сплавом при температурах 2100 оС и 2200 оС, проанализированы и представлены результаты в виде банка данных. Представляемая работа выполнена соискателем в тесном творческом сотрудничестве со специалистами ГНЦ НИИАР, ВНИИНМ, ОКБ “Гидропресс”, ОАО “МСЗ”, РНЦ “КИ”, ИБРАЭ, FZK (Германия). Практическая ценность работы Полученные результаты исследований состояния оболочек твэлов после испытаний в составе модельных ТВС на реакторе МИР расширили накопленный экспериментальный банк данных о поведении топлива в условиях аварий с потерей теплоносителя, используемый для обоснования критериев безопасности проектов ВВЭР. Данная информация востребована разработчиками (ВНИИНМ, ОКБ “Гидропресс”, ОКБМ, РНЦ “КИ”) и изготовителями твэлов и ТВС ВВЭР (ОАО “МСЗ”). Результаты работы использованы для: - верификации деформационной и коррозионной модели поведения оболочек расчетного кода РАПТА-5; - обоснования безопасности активной зоны при переходе с 3-х на 4-х годичный топливный цикл реакторов ВВЭР; - лицензирования топлива ВВЭР на АЭС Ловииза (IVO, Финляндия) для повышения мощности ВВЭР-440 до 500 МВт. Результаты исследований кинетики растворения ZrO2 и UO2 жидким расплавом оболочки при температурах 2100 и 2200 оС вошли в экспериментальный массив данных, используемых в расчетном коде SVECHA/QUENCH (ИБРАЭ), описывающим процессы деградации твэла в условиях тяжелой аварии при потере теплоносителя как зарубежных, так и отечественных реакторов с водой под давлением. Усовершенствованная модель совместного растворения ZrO2 и UO2 расплавом оболочки использована в различных европейских кодах по тяжелым авариям (в частности, ICARE/CATHARE) и учтена на конечной стадии международного проекта COLOSS при пересмотре расчетов по TMI-2. Апробация работы - на семинаре по динамике ЯЭУ "Математическое и физическое моделирование ядерных реакторов и петлевых установок, проблемы верификации", Димитровград, 12 сентября 1996г; - на 5-й межотраслевой конференции по реакторному материаловедению. Димитровград, 8-12 сентября 1997г; - на заседании международной рабочей группы по проблеме “Повторного залива” – Third International Quench Workshop, Forschungszentrum Karlsruhe, 2-4 December, 1997г; - на методических семинарах Координационного научно-технического совета по реакторному материаловедению “Вопросы создания новых методик исследований и испытаний, сличительных экспериментов, аттестации и аккредитации”, Димитровград, 2001г, 2004г; - на 7-й Российской конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 8-12 сентября 2003 г; - на международных конференциях “Core Loss During a Severe Accident COLOSS” (Димитровград 2000г, Болонья 2002г, Мадрид 2002г, Моль 2003г); Публикации По результатам исследований опубликовано 24 работы, из них 13 печатных и 11 рукописных. Структура и объем диссертации Диссертационная работа изложена на 133 страницах машинописного текста, рисунков 53, таблиц 26, и состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка литературы из 91 наименования. 2. Содержание работы. Во Введении обоснована актуальность исследований поведения оболочек твэлов реакторов с водой под давлением в условиях, моделирующих аварийные ситуации при потере теплоносителя, с точки зрения проблемы обеспечения безопасности активной зоны. Сформулированы цель диссертационной работы и решаемые задачи. Приведены основные положения, выносимые автором на защиту, представлены научная новизна полученных результатов и их практическая значимость. В первой главе проводится аналитический обзор литературы по представляемому направлению исследований. Рассмотрены основные современные требования МАГАТЭ по безопасности активной зоны. Очерчена совокупность физических явлений и процессов, происходящих в активной зоне реактора с водой под давлением при аварии с потерей теплоносителя, из которой выделена часть, ответственная за возможное нарушение целостности оболочки твэла, одного из главных барьеров безопасности реактора. Приведены критерии и основные факторы повреждения оболочек твэлов в аварийных ситуациях. Сформулированы и проанализированы основные направления исследований деградации оболочек твэлов реактора с водой под давлением при авариях. В результате анализа многочисленных предыдущих работ выделены две области с «дефицитом» экспериментальных данных по поведению оболочек твэлов реактора с водой под давлением при потере теплоносителя: - состояние оболочек необлученных и облученных до высокого уровня выгорания фрагментов твэлов ВВЭР в составе модельных сборок после реакторных испытаний при различных сценариях развития аварии с потерей теплоносителя, включая МПА, с имитацией повторного залива;
Устранение этого «дефицита» предопределило цель и основные задачи настоящей работы, сформулированные в завершении первой главы. Во второй главе представлены результаты исследований шести экспериментальных ТВС типа ВВЭР: МТ-2, МТ-3, МТ-5, МТ-5П, БТ-1, БТ-2, испытанных в петлевом канале ПВП-2 реактора МИР в условиях, имитирующих проектные аварии с частичным осушением активной зоны при потере теплоносителя и последующим повторным заливом твэлов. В экспериментах типа МТ и БТ моделировались параметры аварии МАЛАЯ ТЕЧЬ и 2-й стадии МПА соответственно (БОЛЬШАЯ ТЕЧЬ). Рассмотрены основные отличия и особенности вышеизложенных 2-х типов испытаний, кратко описано испытательное оборудование петлевого канала ПВП-2 реактора МИР, приведены состав и конструкция экспериментальных сборок, режимы реакторных испытаний, представлены методы послепусковых исследований, изложены непосредственно результаты исследований и их обобщение. Состав и конструкция экспериментальных сборок. В составе сборок МТ-2, МТ-3, БТ-1, БТ-2 испытывалось по 19 твэлов ВВЭР-1000, сборок МТ-5, МТ-5П - по 7 твэлов ВВЭР-440. В экспериментах МТ-5, МТ-5П испытано по одному рефабрикованному твэлу ВВЭР-440 с уровнем выгорания топлива 56 МВтсуткгU, в составе ТВС БТ-2 - три рефабрикованных твэла ВВЭР-1000 с уровнем выгорания топлива 48 МВтсуткгU. Экспериментальные ТВС представляли собой фрагмент рабочей кассеты типа ВВЭР, который содержит 7 или 19 твэлов, расположенных по треугольной решетке с шагом 12,75 мм. Пучок твэлов был заключен в шестигранный чехол из сплава Zr-1Nb с толщиной стенки 2,1 мм и с размером "под ключ" 38 и 62,2 мм соответственно. ЭТВС имели одну опорную и четыре/пять дистанционирующих решетки, изготовленных из нержавеющей стали. Необходимо отметить, что при испытаниях 19-ти элементной сборки были реализованы все виды проходных ячеек в кассете - центральные, граничные и угловые, тем самым воспроизведена гидродинамика течения теплоносителя. Основные характеристики твэлов представлены в Табл.1. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Рефераты №9 (2014) Приведены сведения по проектам активных зон инновационных корпусных водоохлаждаемых реакторов. Показаны преимущества реакторов с... | | Образование и поведение пузырьков в трансформаторном масле при вибрации Целью данной работы является исследование возможности газообразования в модельных экспериментах, применительно к промышленным маслонаполненным... |
| Мембранные процессы фильтрации и, в частности, микрофильтрация (МФ)... Уф являются сепарационными процессами, которые протекают под давлением с использованием пористых полимерных или неорганических материалов.... |  | Оглавление В данной работе рассматриваются сведения о конструк циях реакторов. В работе показаны особенности конструкции реакторов и параметры,... |
| Девиантное поведение подростков: причины, сущность, профилактика (презентация) ... | | В. И. Есьман, Д. Л. Раков Рассматривается структурный синтез камер реакторов для инерционного термоядерного синтеза на этапе предэскизных проработок. Основное... |
| Исследовательская работа по природоведению Жизнь растения в различных... «Условия жизни растений». Опыты проводились над сухими семенами и семенами, смоченными водой; смоченными водой и залитыми полностью;... | | Исследование фона в экспериментах по поиску двойного безнейтринного... Исследование фона в экспериментах по поиску двойного безнейтринного бета распада 76Ge от космического излучения и естественной радиоактивности... |
| Реферат По курсу: «Технологические процессы производств и оборудования»... Знание закономерностей обработки металлов давлением помогает выбирать наиболее оптимальные режимы технологических процессов, требуемое... | | Реферат По курсу: «Технологические процессы производств и оборудования»... Знание закономерностей обработки металлов давлением помогает выбирать наиболее оптимальные режимы технологических процессов, требуемое... |
| Рабочая программа учебной дисциплины «Теория обработки металлов давлением» Цель преподавания дисциплины – приобретение студентами знаний и навыков в области теории обработки металлов давлением, традиционных... | | Физической нагрузки и гипоксии В многочисленных экспериментах показано повышение выносливости мышей к мышечной деятельности под влиянием препаратов элеутерококка... |
| Рабочая программа дисциплины учение о гидросфере Профессиональный... Земли, а также целостного представления о гидросфере как об одной из оболочек Земли и ее месте и роли в сложной системе взаимодействующих... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Под давлением новых фактов вырастала новая теория,— писал советский ученый А. Ф. Иоффе |
| Кейла Ноар Природа мира сновидений На первый взгляд он похож на наш, но у этих миров немало отличий: деревья, растущие под землёй; дождь и снег в комнатах; люди, умеющие... | | Сосуды работающие под давлением Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых... |
