Антидебрисный фильтр
advertisement
5 международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 29.05 - 01.06.2007 г. 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 Содержание Введение Конструктивные решения ТВСА ВВЭР-1000 Результаты эксплуатации ТВСА Гидравлические и теплотехнические характеристики ТВСА Совершенствование конструкции ТВСА Потенциал ТВСА для повышения мощности Заключение 2 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 Krmax=1,65 и обеспечивают возможность повышения мощности активной зоны 3 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 U235 - 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 4 Головка ТВСА с трубками термоконтроля Трубка термоконтроля (3 шт.) 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 5 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 6 Внедрение ТВСА на энергоблоках ВВЭР-1000 РОССИЯ Калининская АЭС Блок 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 1 12 48 108 150 163 163 163 163 163 163 54 103 151 163 163 163 163 163 163 163 1 48 97 139 2 48 96 138 97 139 163 163 4 49 97 139 163 5 49 97 139 163 48 96 42 84 126 163 163 163 48 96 2 3 УКРАИНА Запорожская АЭС 3 48 6 Хмельницкая АЭС 1 2 163 Южноукраинская АЭС 1 2 48 96 138 Ровенская АЭС 3 48 96 138 4 54 96 138 5 6 48 60 91 103 133 145 БОЛГАРИЯ АЭС “Козлодуй” 12 7 Результаты эксплуатации ТВСА Достигнуты высокие ресурсные показатели и показатели работоспособности ТВСА: 21 сборка проработала 5-7 лет с достижением выгорания 62 МВтсут/кгU по ТВСА, 72 МВтсут/кгU по твэлам и ресурса 2075 эфф. сут Характеристики выгорания выгруженных ТВСА Число ТВСА Время работы, лет Выгорание, МВт·сут/кгU 73 4 42-50 9 5 51-54 6 6 54-58,3 1 7 61,8 8 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 9 Топливные циклы ТВСА Реализован 4-годичный топливный цикл с 42 ТВСА подпитки с обогащением 4,4% (топливная таблетка 7,61,2 мм) Осуществляется переход в эффективный 5-годичный топливный цикл с 36 ТВСА подпитки длительностью до 320 эфф. суток с повышенными энерговыделениями твэлов (Krmax=1,6) Возможна реализация 18-месячного топливного цикла 31,5 года Основные показатели ТВСА в топливных циклах Топливный цикл Количество ТВС подпитки Максимальное выгорание по ТВС, МВт·сут/кгU Максимальное выгорание твэл, МВт·сут/кгU Длительность борной кампании, сут 41 42 ТВСА 55 59 300 51 36 ТВСА-5 68 72 ~320 31,5 60 ТВСА-5 59 63 ~480 10 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) 11 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 12 Основные характеристики теплофизического стенда и моделей ТВСА Характеристики стенда Давление 7 – 17 МПа Входная температура 200 – 310 °С Массовая скорость 340–3550 кг/(м2·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 13 Сечение 19-стержневых моделей ТВСА 14 Сечение 19-стержневых моделей ТВСА 15 57-стержневая модель ТВСА для исследования локальной гидродинамики 52 51 46 47 48 49 50 38 45 44 43 39 40 41 42 35 37 36 33 34 27 28 29 12 30 31 32 3 17 19 11 25 20 10 21 23 2 15 16 26 24 1 13 14 18 9 22 4 8 7 5 6 53 58 68 57 61 59 60 64 54 63 62 56 55 65 66 67 1 – экспериментальная модель 2 – имитаторы твэлов 3 – ДР 4 – исследуемая ДР (ПР) 16 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 17 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 18 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 19 Распределение расхода в ТВСА НК меньшего диаметра dг=6,9 мм периферийные ячейки dг=18,0 мм Тип ячейки ТВСА стандартные ячейки dг=10,6 мм стандарт около ная НК уголковая периферийная Гидравлический диаметр (dг), мм 10,6 6,9 6,3 18 Относительная скорость теплоносителя(эксперимент) 1,0 0,8 0,82 1,21 20 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 7,80 мм и 7,61,2 мм с обогащением по U235 - 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 21 Характеристики материалоемкости ТВСА и ТВСААЛЬФА 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 ТВСА-АЛЬФА ТВСА ТВС с каркасом на НК 8 15 12 Кол-во сварных точек каркаса, шт. 408 1056 2592 Масса циркония Э110 в ДР и НК, кг 25,0 10,8 16,2 5,2 20,3 19,4 Количество ДР Масса циркония Э635 в ДР, НК, уголках, ЦТ, кг 22 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 23 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 24 Исследование эффективности перемешивающих решеток Исследование перемешивания теплоносителя Стенд ТРАССЕР ФЭИ - 19-стержневая модель Стенд «пропанового трассера» НГТУ - 19 - стержневая модель - 57 - 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 25 Параметры активных зон на базе ТВСА-АЛЬФА при повышении мощности Номинальная тепловая мощность, МВт 3120 3120 Длина активной части, мм 3530 3680 Средняя линейная нагрузка, Вт/см 172,6 165,6 мощность твэлов 1,63 1,63 Минимальный DNBR 1,52 1,59 Максимальная относительная ТВСА-АЛЬФА без ПР позволяет гарантированно с сохранением высокого уровня теплотехнической надежности решить задачу повышения мощности действующих энергоблоков до 104%Nном Для блоков Калининской АЭС обеспечивается минимальный DNBR=1,6 при повышенных относительных энерговыделениях твэл (Кrmax=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 26 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 (Кrmax=1,63) В рамках задачи повышения мощности для действующих блоков N=104%Nном применение ТВСА-АЛЬФА с ПР позволит улучшить условия работы твэл, повысить эксплуатационную надежность топлива в эффективных топливных циклах с высоким выгоранием 27 Теплотехнические характеристики активной зоны на базе ТВСА-АЛЬФА для перспективных блоков с повышенной мощностью и КПД Без ПР 6 ПР Тепловая мощность, МВт 3200 3300 Температура теплоносителя на входе, °С 298 298,6 Давление, МПа 16,2 16,2 Длина активной части, мм 3730 3780 Средняя линейная нагрузка, Вт/см 167,8 174 Максимальная относительная мощность твэлов 1,6 1,6 Коэффициент гидравлического сопротивления 11,5 14,2 Максимальное локальное паросодержание(x), % 11 9 1,35 1,5 Минимальный DNBR 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 28 АЭС-2006 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 МВтсут/кгU по ТВСА, 72 МВтсут/кгU по твэлам и ресурса 2075 эфф. сут Обеспечена возможность внедрения эффективного 5-годичного топливного цикла с 36 ТВСА подпитки и цикла 31,5 года 29 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 Krmax =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 ВВЭР1000 30
