ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВСА ВВЭР-1000 Самойлов О.Б., Кайдалов В.Б., Романов А.И., Фальков А.А. - ОКБМ, г. Н. Новгород Молчанов В.Л., Ионов В.Б., - ОАО «ТВЭЛ», г. Москва Аксенов В. И., Канышев М.Ю., Лупишко А.Н. - Калининская АЭС, г. Удомля 5 международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г.

2 Содержание Введение Конструктивные решения ТВСА ВВЭР-1000 Результаты эксплуатации ТВСА Гидравлические и теплотехнические характеристики ТВСА Совершенствование конструкции ТВСА Потенциал ТВСА для повышения мощности Заключение

3 Введение  ТВСА - тепловыделяющая сборка с жестким каркасом, формируемым 6 уголками и ДР, успешно эксплуатируется на 17 блоках ВВЭР-1000 Калининской АЭС, АЭС Украины и Болгарии. Изготовлено более 2000 ТВСА  Внедрение ТВСА обеспечило улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик топлива ВВЭР-1000  ТВСА характеризуется высокой надежностью и обоснованностью ресурсных характеристик: - максимальное выгорание для ТВСА – 61,8 МВт·сут/кгU, для твэла – 71,9 МВт·сут/кгU - эксплуатация в течение 6-7 лет (49800 эфф. ч)  Термомеханика ТВСА практически исключает изгиб и скручивание и обеспечивает благоприятные характеристики при ТТО  Теплотехнические характеристики ТВСА позволяют реализовать эффективные топливные циклы с увеличенными энерговыделениями твэл до Kr max =1,65 и обеспечивают возможность повышения мощности активной зоны

4 Конструктивные решения ТВСА ВВЭР-1000 Основные конструктивные решения  6 уголков  15 ДР усовершенствованной конструкции “арочного” типа  Головка с трубками термоконтроля  Антидебрисный фильтр (опция)  Твэлы с обогащением по U до 4,95%  Разборность и ремонтопригодность Уголковый каркас ТВСА имеет меньшую материалоемкость (за счет меньшего диаметра НК и толщины ячеек ДР) и меньшее количество сварных точек по сравнению с каркасом ТВС, формируемым на НК

5 Головка ТВСА с трубками термоконтроля  На Калининской АЭС эксплуатируются более 300 ТВСА с трубками термоконтроля  Решена задача корректного измерения температуры на выходе из ТВС, что повышает безопасность эксплуатации энергоблока  Улучшение контроля за активной зоной при реализации эффективных топливных циклов с повышенными Kq, Kr и при повышении мощности Трубка термоконтроля (3 шт.)

6 Антидебрисный фильтр (АДФ) для повышения эксплуатационной надежности  Отработана конструкция антидебрисного фильтра. АДФ улавливает частицы размером более 2 мм  Антидебрисный фильтр устанавливается по требованию заказчика  АДФ устраняет одну из основных, по данным НИИАР, причин повреждения твэлов в процессе эксплуатации Антидебрисный фильтр

7 Внедрение ТВСА на энергоблоках ВВЭР-1000

8 Результаты эксплуатации ТВСА Достигнуты высокие ресурсные показатели и показатели работоспособности ТВСА: 21 сборка проработала 5-7 лет с достижением выгорания 62 МВт  сут/кгU по ТВСА, 72 МВт  сут/кгU по твэлам и ресурса 2075 эфф. сут Характеристики выгорания выгруженных ТВСА

9 Результаты эксплуатации ТВСА  По результатам визуальных осмотров и измерений ТВСА на стенде-стапеле Калининской АЭС показано нормальное состояние уголкового каркаса, антидебрисного фильтра и сохранение геометрических характеристик ТВСА  Искривленность активной зоны 1 блока, начиная с 18 кампании, стабилизировалась и остается на низком уровне - среднее значение кривизны ТВСА, измеренное стендом-стапелем в ППР-2006 составило 3,8 мм  Послереакторные исследования отработавших ТВСА после 4 и 6 лет эксплуатации подтвердили работоспособность сборки, жесткость каркаса, геометрическую стабильность ТВСА и нормальное состояние оболочек твэлов  По результатам послереакторных исследований в НИИАР отработавших ТВСА проведены усовершенствования с целью упрощения конструкции топливной сборки и улучшения условий работы ДР

10 Топливные циклы ТВСА  Реализован 4-годичный топливный цикл с 42 ТВСА подпитки с обогащением 4,4% (топливная таблетка 7,6  1,2 мм)  Осуществляется переход в эффективный 5-годичный топливный цикл с 36 ТВСА подпитки длительностью до 320 эфф. суток с повышенными энерговыделениями твэлов (Kr max =1,6)  Возможна реализация 18-месячного топливного цикла 3  1,5 года Основные показатели ТВСА в топливных циклах

11 Транспортно-технологические операции с ТВСА  ТВСА обладает благоприятными свойствами при ТТО, что обусловлено хорошими термомеханическими характеристиками “уголкового” каркаса (отсутствием заметного изгиба и скручивания)  Полностью подтверждена реализация “гладкой” перегрузки. Все извлечения проходят штатно. Уставка перегрузочной машины 75 кгс никогда не превышается  Это позволило обеспечить повышенную скорость перегрузки (4 м/мин вместо 0,6 м/мин). Проведено 10 перегрузок топлива с повышенными скоростями без каких-либо аномалий. Экономия времени на проведение ППР составляет до 4 суток (увеличение КИУМ)

12 Экспериментальное обоснование теплогидравлических характеристик ТВСА  Выполнен комплекс экспериментальных исследований на электрообогреваемых 19-стержневых моделях ТВСА. Проведены испытания более 20 моделей ТВСА: - с имитацией условий около уголков - с НК - с различным шагом установки ДР - с радиальной и высотной неравномерностью тепловыделений  Выполнены исследования подогревов теплоносителя в характерных ячейках пучка, кризиса теплоотдачи и закризисного теплообмена в стационарных и нестационарных условиях  Распределение локальных скоростей и расходов теплоносителя в ячейках по сечению сборки и межкассетном зазоре изучено на 57-стержневой модели ТВСА, содержащей фрагменты 3-х соседних сборок

13 Основные характеристики теплофизического стенда и моделей ТВСА Характеристики стенда Давление 7 – 17 МПа Входная температура 200 – 310 ° С Массовая скорость 340–3550 кг/(м 2 ·с) Характеристики моделей ТВСА Число имитаторов твэлов 19 (18) Длина тепловыделения 3,0 м Диаметр имитаторов твэлов 9,1 мм Диаметр имитатора НК 12,6мм; 13,5мм Шаг расположения имитаторов 12,75 мм

14 Сечение 19-стержневых моделей ТВСА

15 Сечение 19-стержневых моделей ТВСА

16 57-стержневая модель ТВСА для исследования локальной гидродинамики 1 – экспериментальная модель 2 – имитаторы твэлов 3 – ДР 4 – исследуемая ДР (ПР)

17 Верификация кода КАНАЛ поячейкового теплогидравлического расчета ТВС  Проведена дополнительная верификация аттестованной программы КАНАЛ поячейкового т/г расчета ТВС  Показана достоверность расчета по программе КАНАЛ локальных характеристик и кризиса теплоотдачи с учетом тепловой и гидравлической неравноценности ячеек и особенностей ТВСА  Погрешность расчета критического теплового потока не превышает 15%  – с равномерным энерговыделением  – с неравномерным энерговыделением  – с направляющим каналом  – несимметричная модель

18 Гидравлические характеристики ТВСА  ТВСА характеризуется низким гидравлическим сопротивлением (меньше на  25% по сравнению с ТВС-2)  Уголковая конструкция ТВСА по сравнению с каркасом формируемым на НК не требует применения ДР повышенной прочности и жесткости и характеризуется невысоким гидравлическим сопротивлением сборки твэлов, что является благоприятным фактором по условиям охлаждения твэлов в нормальных и аварийных режимах  Низкое гидравлическое сопротивление ТВСА обеспечивает повышение расхода через реактор на  2% и расширяет возможности по применению эффективных перемешивающих решеток-интенсификаторов (ПР)  ТВСА имеет резерв по гидравлическому сопротивлению на постановку ПР и удлинение активной части сборки

19 Теплотехнические характеристики ТВСА  Уголковая конструкция ТВСА имеет теплогидравлические преимущества за счет вытеснения части байпаса расхода из ненагруженного межкассетного пространства в ячейки ТВСА  Меньший диаметр НК определяет дополнительное увеличение расхода в области вблизи НК и повышение DNBR  Внутренне присущие теплотехнические характеристики уголковой конструкции ТВСА - наличие уголков жесткости и меньший диаметр НК - способствуют: - повышению расхода в центральной части ТВСА на ~5% - снижению максимальных температур теплоносителя на 2°С - уменьшению области кипения и локального паросодержания на 3% в горячих ячейках - повышению минимальных DNBR на 10%  Внутренне присущие теплотехнические свойства ТВСА позволяют повысить мощность активной зоны на 4% в дополнение к имеющимся резервам повышения мощности активных зон ВВЭР-1000

20 Распределение расхода в ТВСА периферийные ячейки d г =18,0 мм стандартные ячейки d г =10,6 мм НК меньшего диаметра d г =6,9 мм

21 Совершенствование конструкции ТВСА Разработка ТВСА-АЛЬФА Решения топливной сборки ТВСА-АЛЬФА:  8 ДР усовершенствованной конструкции  Применение перемешивающих решеток  Антивибрационный нижний узел  Использование антидебрисного фильтра  Твэлы повышенной ураноемкости (топливная таблетка 7,8  0 мм и 7,6  1,2 мм с обогащением по U до 4,95%)  Обеспечение максимальной глубины выгорания топлива 68 МВт·сут/кгU для ТВС и 72 МВт·сут/кгU для твэла  Разборность и ремонтопригодность конструкции

22 Характеристики материалоемкости ТВСА и ТВСА-АЛЬФА  Благодаря меньшему количеству ДР ТВСА-АЛЬФА имеет меньшую материалоемкость и меньшее количество сварных точек по сравнению ТВСА  В конструкции исключены опорные втулки на НК (кроме нижней ДР) и предусмотрено применение НК из сплава Э110 (сплав Э635 идет только на изготовление уголков), что также снижает себестоимость ТВСА-АЛЬФА Характеристики материалоемкости ТВСА и ТВСА-АЛЬФА

23 Основные работы по перемешивающим решеткам  Разработан проект ТВСА-АЛЬФА с перемешивающими решетками, устанавливаемыми между основными ДР в верхней части активной зоны  Конструкция ПР – пластинчатая решетка с дефлекторами потока  Работы по обоснованию ПР включают исследование смесительных свойств на стендах НГТУ (Пропановый трассер) и ФЭИ (установка ТРАССЕР), исследования ТГХ и кризиса теплоотдачи на 19-стержневых моделях ТВСА с ПР в ОКБМ и ФЭИ, а также комплексные механические, вибропрочностные и ресурсные испытания  Результаты экспериментов свидетельствуют о приемлемой эффективности выбранной конструкции ПР по значениям коэффициента перемешивания и эффекту увеличения КТП, сопоставимой с эффективностью ПР для ТВС PWR

24 Перемешивающие решетки ТВСА-АЛЬФА  Cнижние градиента температур по сечению ТВСА и локального паросодержания  Увеличение запаса до кризиса теплоотдачи  Возможность работы при увеличенных объемах энергопроизводства и коэффициентах неравномерности

25 Исследование эффективности перемешивающих решеток Исследование перемешивания теплоносителя  Стенд ТРАССЕР ФЭИ - 19-стержневая модель  Стенд «пропанового трассера» НГТУ стержневая модель стержневая модель, содержащая фрагменты 3 соседних ТВСА-АЛЬФА Исследование теплогидравлических характеристик и кризиса теплоотдачи на 19- стержневых моделях ТВСА  Стенд Л-186 ОКБМ - эксперименты на 5 моделях  Фреоновый стенд СТФ ГНЦ РФ ФЭИ - эксперименты на 4 моделях

26 Параметры активных зон на базе ТВСА-АЛЬФА при повышении мощности  ТВСА-АЛЬФА без ПР позволяет гарантированно с сохранением высокого уровня теплотехнической надежности решить задачу повышения мощности действующих энергоблоков до 104%N ном  Для блоков Калининской АЭС обеспечивается минимальный DNBR=1,6 при повышенных относительных энерговыделениях твэл (К r max =1,63)  ТВСА-АЛЬФА с удлиненным топливным столбом на 150 мм (на основе обоснованных решений ТВСА-У) обеспечивает более высокие теплотехнические запасы и позволяет увеличить загрузку урана в активной зоне, длительность кампании и поднять КИУМ энергоблоков

27 Активная зона из ТВСА-АЛЬФА с перемешивающими решетками  Наличие ПР приводит к выравниванию подогревов теплоносителя по сечению сборки, снижению локального паросодержания, увеличению DNBR, позволяет реализовать эффективные топливные циклы с увеличенными энерговыделениями твэл и обеспечивает возможность дополнительного повышения мощности активной зоны  ТВСА-АЛЬФА с 3 ПР характеризуется: - снижение максимального локального паросодержания на ~3 % - увеличение минимального DNBR ~ 13% Полный эффект снижения максимального паросодержания в “горячих” ячейках ТВСА-АЛЬФА с ПР за счет внутренне присущих свойств и эффективности ПР составляет ~ в 2 раза  За счет внутренне присущих свойств и эффективности ПР возможно повышение мощности до 3200 МВт при увеличенных относительных энерговыделениях твэл (К r max =1,63)  В рамках задачи повышения мощности для действующих блоков N=104%N ном применение ТВСА-АЛЬФА с ПР позволит улучшить условия работы твэл, повысить эксплуатационную надежность топлива в эффективных топливных циклах с высоким выгоранием

28 Теплотехнические характеристики активной зоны на базе ТВСА-АЛЬФА для перспективных блоков с повышенной мощностью и КПД  По условиям теплотехнической надежности активная зона из ТВСА- АЛЬФА (с удлинением на 200мм) позволяет поднять мощность до 3200 МВт при входной температере 298°С и максимальной относительной мощности твэл 1,6  ТВСА-АЛЬФА с увеличением числа ПР и удлинением активной части твэлов дает возможность повышения мощности активной зоны до 3300 МВт. При этом обеспечиваются высокие технико- экономические характеристики энергоблоков ВВЭР в соответствии с требованиями АЭС-2006

29 Заключение  Уголковая конструкция ТВСА имеет внутренне присущие теплотехнические и эксплуатационные положительные качества – геометрическая стабильность, повышенные теплотехнические запасы, невысокое гидравлическое сопротивление, увеличенные скорости при ТТО (сокращение времени перегрузки на ~4 сут)  Достигнуты высокие ресурсные показатели ТВСА: 21 сборка проработала 5-7 лет с достижением выгорания 62 МВт  сут/кгU по ТВСА, 72 МВт  сут/кгU по твэлам и ресурса 2075 эфф. сут  Обеспечена возможность внедрения эффективного 5-годичного топливного цикла с 36 ТВСА подпитки и цикла 3  1,5 года

30 Заключение (продолжение)  Разработана конкурентоспособная топливная сборка ТВСА-АЛЬФА с увеличенной ураноемкостью, меньшей трудоемкостью и материалоемкостью, низким гидравлическим сопротивлением и улучшенными теплотехническими характеристиками  Теплотехнические характеристики ТВСА позволяют реализовать эффективные топливные циклы с увеличенными энерговыделениями твэл до Kr max =1,65 и обеспечивают возможность повышения мощности активной зоны  Конструкция ТВСА характеризуется высокой надежностью и обоснованностью технических решений и ресурсных характеристик и обладает достаточным потенциалом для обеспечения требуемых в настоящее время высоких технико-экономических показателей энергоблоков ВВЭР- 1000