Файл: Сидоренко, В. А. Вопросы безопасной работы ВВЭР к 10-й годовщине пуска первого блока Нововоронежской атомной электростанции.pdf

32

Практическим оптимумом температурного напора в парогенера­ торе (среднего логарифмического) оказалось значение около 23-24°С,

достаточно устойчиво сохранившееся на всех этапах развития ВВЭР.

При зафиксированном значении давления первого контура и довольно устойчивом оптимуме температурного напора в парогене­ раторе решающее значение в процессе отыскания оптимального со­ ответствия между температурой первичного теплоносителя на входе в реактор, подогревом в реакторе (т.е. расходом первичного теп­ лоносителя) и давлением вторичного пара (т.е. к.п.д.) имеет ха­ рактерный для каждого этапа развития ВВЭР и додтищутый к опре­ деленному моменту уровень надежности системы теплоотвода (кон­ струкция главных циркуляционных насосов, система их электропи­ тания), определяющий необходимый масштаб запаса температуры пер­ вичного теплоносителя до температуры насыщения (подробнее эта сторона проблемы будет обсуждена несколько позже). Это также является своеобразным проявлением "абсолютного ограничения",

определяемого общим техническим уровнем разработки.

Увеличение тепловой модности. Прямыми средствами увеличе­ ния тепловой мощности ВВЭР являлись:

уменьшение неравномерности тепловыделения в активной зоне;

увеличение расхода теплоносителе,через активную зону;

увеличение общей длины и поверхности тепловыделяющих элементов;

уменьшение запасов мевду рабочими и предельно допустимыми значениями параметров.

33

Значения первых трех показателей для разных реакторных устано­ вок ВВЭР приведены ниже в таблице I.2-I.

Причины возникновения и способы устранения неравномерностей тепловыделения будут подробнее рассмотрены во второй части.

Увеличение расхода теплоносителя требует создания нового насосного оборудования либо приводит к экономически неоптималь-

ноцу увеличению количества циркуляционных петель и чрезмерному усложнению реакторной установки. Примером некоторого несоответ­ ствия мощности реактора производительности подготовленных для производства главных циркуляционных насосов (ШН) является ре­ акторная установка ВВЭР-440, где вынужденным решением оказалось применение шести П И (вместо трех-четырех).

Другой важный фактор, сдерживающий увеличение расхода теплоносителя, - скорость воды в активной зоне. В рамках близкой

34

к физическому оптимуму решетки твэл вариация скорости может производиться изменением соотношения высоты и диаметра активно!

зоны, однако увеличение диаметра зоны овязано с увеличением диаметра корпуоа и довольно быстро наталкиваевоя на технологи­ ческие пределы. Сама по себе скорость теплоносителя в зоне не является очень жестким фактором, однако каждый шаг повышения скорости воды в пучке тепловыделяющих элементов связан с дли­ тельными исследованиями вибрационного поведения пучка и отра­ боткой системы дистанционирования твэл. По теперешним представ­ лениям увеличение скорости выше 6-7 м/сек не дает уверенности в многолетней надежной работе твэл. Кроме того,увеличение ско­ рости воды и высоты активной зоны ведет к быстрому увеличению перепада давление на зоне, повышению потребного напора и мощ­ ности насосов и увеличению расхода энергии на собственные нувд станции.

Ниже в таблице 1.2-2 приведены для разных проектов ВВЭР скорости воды в активной зоне и рабочие напоры насосов.

объемной неравномерности тепловыделения, направлено на сохран:

кие в допустимых пределах линейной тепловой нагрузки тепло­ выделяющего элемента.

36

одна "слабая связь" в ряду теплофизнческих взаимосвязей актив­ ной зоны, которая облегчает проблему оптимального конструирова­ ния реактора.

Увеличение обшей длины твгл может идти двумя путями:

увеличением общей загрузки урана в активную зону и уменьшением

диаметра тепловыделяющего элемента.

Принятый в самом начале разработки ВВЭР и заложенный в

основу всего развития направления принцип заводского изготов­ ления корпуса реактора и его железнодорожной перевозки поставил в жесткие рамки возможности увеличения общей загрузки урана и поэтому стимулировал с самого начала освоение тепловыделяющих элементов несколько меньшего диаметра, чем было принято зарубеж­ ной практикой. Диаметр первой серии твэл, созданных для реакто­ ров ВВЭР-I и ВВЗР-2 (и примененных для кипящего реактора ВК-50),

составляет 10,2 мм. При разработке реактора 2-го блока НВАЭС диаметр твэл был уменьшен до 9,1 мм, что создало дополнительный резерв повышения энергонапряженности активной зоны. Этот тепло­ выделяющий элемент сохранен и для последующих реакторов. Разра­ ботка отечественных тепловыделяющих элементов для ВВЭР до нас­ тоящего времени опирается на концепцию "прочной оболочки" твэл,

по которой циркониевая трубка выполняется достаточно прочной,

чтобы сохранять работоспособность при рабочих параметрах в ак­ тивной зоне без поддержки go сторона сердечника элемента. Такое

направление развития твэл приводит к некоторому увеличению ко­ личества циркония в активной зоне, но до настоящего времени обеспечило высокую надежность твэл, свободных от недостатков

“тонкостенных" элементов, проявивзноеся вс многих американских реакторах, выходивши из строя из-за салютавания оболочки на

37

участках отсутствия сердечника под воздействием внешнего дав­ ления теплоносителя.

Расход циркония в твэл с "прочной оболочкой" на единицу Беса урана в первом приближении не зависит от диаметра элемен­ та, т.к. вес урана в единице длины элемента пропорционален квад­ рату диаметра, а объем металла в оболочке также пропорционален квадрату диаметра (поверхность пропорциональна диаметру и тол­ щина также грубо пропорциональна диаметру).

С другой стороны, необходимо обратить внимание на то, что стоимость изготовления твэл, отнесенная к единице веса урана теоретически должна иметь тенденцию увеличиваться по мере умень­ шения диаметра пропорционально квадрату диаметра.Это справедли­ во, еоли ориентировочно считать, что стоимость процесса изго­ товления каждого стержневого тепловыделяющего элемента опреде­ ленной длины не зависит от его диаметра. Однако реальная струк­ тура затрат на заводе не дает столь резкой зависимости, и это влияние диаметра твэл на стоимость еще более скрадывается при калькуляции полной стоимооти топливных кассет.

При создании новых активных зон для ВВЭР можно было убе­ диться насколько существенным фактором, влияющим на выбор оп­

тимального решения является тенденция сохранить параметры серий­ ной продукции для сохранения достигнутого уровня качества, если нет достаточно веских причин изменить эти параметры. Эти факто­ ры сыграли немаловажную роль» коцца в цроекте твэл ВВЭР-1000

были приняты основные конструктивные характеристики твэл НВЭР-440.

Изучение двуокксных стержневых д-ес,«оввде;яш5х элементов по­

казывает, что предельное значение .ашейзой тепловой нагрузки для них (по условиям отсутствия плавления сердечника) лежит в районе

700 вт/см.

заложенный на первых стадиях развитая ВБЭР я даже увеличен­ ный в дальнейшем резерв в этом параметре ехикуларовая значитель­ ное увеличение энергонапрякенпости топлива а объема активней зо­ ны, что всегда выдвигало по этим показателям отечественные реак­ торы на первую линию в мировом реакторостроент.

Можно также заметить, что заложенный в определенный период из­ быточный резерв по какому-либо параметру в условиях развивающегося направления не снимается путем изменения этого параметра, а ис­ пользуется в дальнейшем для обеспечения форсирования других пока­ зателей и разработки нового поколения установок. Эта тенденция иллюстрируется, в частности, рассмотренной ситуацией с диаметром твэл, а также проанализированным в последующих разделах введением борного регулирования в реакторы ЗВЭР-З и-ВВЭР-440.

уменьшение запасов между рабочими а предельно допустимыми зна­ чениями параметров. В этой связи следует назвать по крайней ме­ ре три фактора.

Первый фактор уменьшения запасов связан непосредственным образом с непрерывным изучением всех процессов, происходящих в реакторе, с углублением пазшх знаний отех процеооов к с уточ­ нением воех теоретических или экспериментальных зависимостей,

используемых при определении предельных параметров. Обоснован­ ная уверенность в достоверности предела позволяет безопасно приб­ лизить к этому пределу реальный процесс.

Типичным примером достоянного совершенствования проводимых исследований и повышения достоверности результатов является изучение кризиса теплообмена в условиях активной зоны ВВЭР.

Первоначальные определения допустимости теплового режима пучка твэл базировались на исследованиях кризиса при движении теплоносителя в обогреваемой трубке; далее они были дополнены исследованиями при внешнем обтекании трубки. Следующий этап ис­ следований связан о изучением особенностей кризисных явлений в пучках стержней; изучались пучки о различным количеством стерж­ ней, различной душны, различным характером тепловыделения. Далее было обращено внимание на характер диотавционирующих устройств и важность ииитяроЕа.ть реальную конструкцию пучка. Поскольку реальная опасность кризиса теплообмена .в водо-водяных реакторах возникает в переходных процессах, связанных с изменением мои-