Повышение безопасности реактора ВВЭР-100

Атомная энергетика
Повышение безопасности реактора ВВЭР-1000
Описание реакторной установки ВВЭР-1000
Корпус ядерного реактора
Конструкция шахты внутрикорпусной

Активная зона реактора ВВЭР-1000

Поглощающий стержень системы управления и защиты
Описание первой топливной загрузки 5-го блока Балаковской АЭС
Расчет ТВС реактора ВВЭР-1000
Расчет продолжительности первой топливной кампании
Сценарий аварии
Конструкционный расчет
Технология проведения вибрационных испытаний ТВС РУ ВВЭР-1000
Анализ опасных и вредных производственных факторов, имеющих место при работе цехов по производству ТВС
Оценка максимально-возможной радиационной аварии при производстве ТВС
 
 
 
 
 

Активная зона реактора ВВЭР-1000 предназначена для генерирования тепла и передачи его с поверхности твэлов теплоносителю в течение проектного срока работы без превышения допустимых проектных пределов повреждения твэлов.

Активная зона состоит из 163 ТВС и 103 ПС СУЗ.

В конструкции ТВС и ПС СУЗ используются материалы: сталь марок 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, циркониевый сплав Zr+l%Nb, сплавы марок ХН77ТЮР, 42ХНМ, ЭК-173 ИД.

Из циркониевого сплава Zr+l%Nb выполнены оболочка и концевые детали твэлов и твэгов, дистанционирующие решетки ТВС. Труба под СВРД, труба центральная и канал направляющий выполнены из сплава Zr+l%Nb. Материал пружин головки ТВС - сплав марки ХН77ТЮР. Материал оболочки ПЭЛ – сплав марки 42ХНМ. Головка и хвостовик ТВС, головка ПС СУЗ выполнены из стали марки 12Х18Н10Т. Материал пружинного фик­сатора твэла (твэга) – сплав ЭК-173ИД.

Сталь марки 12Х18Н10Т отличается стабильностью механических характеристик, включая коэффициент относительной деформации в условиях интенсивного нейтронного облучения, обладает высокими технологическими свойствами. Она широко используется в ядерной энергетике, в том числе в конструкциях ТВС реакторов ВВЭР-440, по которым на­коплен большой положительный опыт эксплуатации.

Для дистанционирующих решеток выбор циркониевого сплава ZR+l%Nb обуслов­лен оптимальным сочетанием его физико-механических свойств: низким сечением погло­щения нейтронов, способностью сохранять достаточную упругость ячеек для фиксации твэлов и твэгов в течение проектного срока службы и обеспечивать стабильность геометрии ТВС в заданных размерах при проектных условиях эксплуатации и транспортно-технологических операциях.

В качестве топлива твэла используются таблетки из спечённой двуокиси урана UO2 с 5% массовой концентрацией оксида гадолиния. Плотность топлива от 10,4 до 10,7 г/см3.

 Сборка активной зоны осуществляется в соответствии с картограммой за­грузки активной зоны. Дистанционирование ТВС обеспечивается посадкой концевых дета­лей кассеты в плите БЗТ и в днище шахты ВКУ. Предотвращение всплытия и уменьшение вибрации ТВС обеспечивается посредством упругого поджатия подпружиненных головок ТВС крышкой реактора через БЗТ.

Основные технические характеристики и условия эксплуатации активной зоны 5-го блока Балаковской АЭС представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Наименование характеристики

Значение

Номинальная тепловая мощность реактора, МВт

3000

Расход теплоносителя через реактор, м3/ч

85800+2800-3800

Давление в первом контуре на выходе из реактора, абсолютное, МПа

15,7±0,3

Перепад давления на активной зоне (гидравлические потери на ТВС), при работе 4-х ГЦНА, МПа

0,152±0,02

Температура теплоносителя, номинальная, °С:

на входе в реактор

на выходе из реактора

 291+2-5

321±5

Общее количество ТВС в активной зоне, шт.

163

Количество ТВС с ПС СУЗ, шт.

103

Шаг между ТВС, м

0,236

Эквивалентный диаметр активной зоны, м

3,16

Проходное сечение активной зоны, м2

4,14

Высота топливного столба ( в холодном состоянии), м

3,53

Время падения ОР СУЗ при срабатывании аварийной

1,2-4,0

Скорость перемещения ПС СУЗ в режиме регулирования м/с, номи­нальная м/с, номи­нальная

0,02

 ТВС состоит из следующих составных частей: головки, твэлов и твэ-гов, хвостовика. Основные геометрические, механические и массовые характеристики ТВС приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Наименование характеристики

Значение

Высота ТВС, м

4,570±0,001

Размер ТВС под "ключ", мм

235,1 max

Форма кассеты

шестигранная призма

Эквивалентное проходное сечение ТВС, м2

254∙10-4

Масса топлива в ТВС, кг, номинальная

489,8

Массовая доля смеси изотопов урана в топливе, %, не менее

87,9

Шаг между твэлами (по треугольной решетке), м

12,75∙10-3

Дистанционирующая решётка: количество, шт.

- количество, шт.

15

Высота ячеек ДР, м

20∙10-3

Тепловыделяющая сборка

 Для ТВС блока № 5 Балаковской АЭС прототипом является усовершенствованная УТВС для РУ В-320, которая отличается от нее отсутствием бокового ка­нала под СВРД. Для обоснования работоспособности и надежности активной зоны блока №5 Балаковской АЭС применяется опыт эксплуатации УТВС на Балаковской и Волгодонской АЭС.

 Конструкция ТВС представлена на рис.1.11.

 Головка ТВС выполняет следующие функции:

с помощью цангового устройства обеспечивает разъемное соединение с пучком твэлов;

обеспечивает с учётом допусков и разности температурных расширений ТВС и ВКУ необходимое усилие поджатия ТВС в активной зоне реактора;

обеспечивает постоянное сопряжение ТВС с гнездом плиты БЗТ и каналами для ПС СУЗ, размещенными в направляющих трубах БЗТ реактора;

взаимодействует с захватным устройством транспортно-технологического обору­дования;

защищает от механического повреждения верхние торцы твэлов при перегрузках;

стабилизирует выход потока теплоносителя из активной зоны


Рисунок 1.11 - ТВС


демпфирует падение ПС СУЗ со штангой привода при срабатывании аварийной защиты;

обеспечивает ввод в ТВС первичных преобразователей СВРД;
Головка ТВС (рисунок 1.12) состоит из:

цилиндрической обечайки

конической обечайки

пружинного блока

элементов, связывающих сборочные единицы головки в единую конструкцию

Цилиндрическая обечайка представляет собой цилиндр с дном (плитой) и двумя рёбрами по бокам и предназначена для взаимодействия с нижней плитой БЗТ и ТТО.

Коническая обечайка представляет собой сварную конструкцию в виде усечённого конуса с переходом на шестигранное основание (решётку) и предназначена для стабилиза­ции потока теплоносителя из пучка твэлов и фиксации разъёмного соединения головки ТВС с пучком твэлов.

Пружины винтовые цилиндрические в головке ТВС в совокупности представляют собой пружинный блок, который позволяет:

- компенсировать радиационный рост направляющих каналов ТВС (с учетом нерав­номерности удлинений направляющих каналов), допуск установочного размера по высоте кассеты и охватывающего ее размера ВКУ реактора и разности температурных расширений элементов ТВС и ВКУ реактора;

- сдемпфировать на остаточном ходе пружин падение ПС СУЗ со штангой привода.

За счет поджатия пружинным блоком обеспечивается устойчивость и невсплытие ТВС под действием потока теплоносителя при нормальных условиях и нарушениях нор­мальных условий эксплуатации.

Пучок твэлов собирается из 311 твэлов и твэгов в карка­се, состоящем из 15 дистанционирующих решеток, центральной трубы, 18 направляющих каналов и опорной нижней решетки.

Твэлы и твэги (рисунок 1.13), установленные в каркасе, образуют пучок и пред­назначены для подогрева проходящего через него теплоносителя.

Твэл (твэг) состоит из следующих частей: заглушки верхней, оболочки, заглушки нижней, топливного сердечника, набранного из топливных таблеток и фиксатора. Материал оболочки и заглушек твэла (твэга) - сплав ZR+l%Nb.

Для предотвращения смятия оболочки в процессе эксплуатации внутренний объем твэла (твэга) заполняется гелием под давлением (2,0±0,25) МПа. Герметизация твэла (твэга) осуществляется сваркой. Для снижения давления газообразных продуктов деления под обо­лочкой твэла (твэга), выделившихся в процессе эксплуатации, в верхней части твэла (твэга) предусмотрен компенсационный объем. Фиксация топливного столба при транспортно-технологических операциях осуществляется пружинным фиксатором, работоспособность которого обоснована на нагрузки от транспортно-технологических операций.

Конструкция верхней заглушки твэла (твэга) предусматривает возможность сцеп­ления её цанговым захватом устройства для извлечения-установки твэлов (твэгов) при не­обходимости.

Рисунок 1.12 - Головка ТВС


Рисунок 1.13 - Твэл и твэг

Нижняя заглушка твэла (твэга) имеет наконечник с двумя лепестками. Твэл (твэг) нижним наконечником, при установке в пучок, входит в отверстие нижней решетки. Лепе­стки наконечника с нижней стороны решетки отгибаются. Угол отгиба лепестков экспери­ментально подобран таким образом, чтобы обеспечить усилие удержания твэла (твэга) в нижней решетке, гарантирующее трехкратный запас до всплытия твэла (твэга) в потоке те­плоносителя.

Для обеспечения свободного теплового и радиационного удлинения твэлов и твэгов предусмотрен зазор между верхним торцем пучка твэлов и твэгов и решеткой нижней обечайки головки ТВ С.

Компенсация радиального расширения и сужения твэлов и твэгов под влиянием температуры и облучения осуществляется за счет упругих свойств ячеек дистанционирующих решеток.

В верхней части твэл предусмотрен газосборник для сбора газообразных продуктов деления в процессе эксплуатации. Фиксация топливного столба в заданном положении при транспортно-технологических операциях осуществляется фиксатором, выполненным в виде разрезных втулок из нержавеющей стали.

Основные геометрические и эксплуатационные характеристики твэла и твэга пред­ставлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4

Наименование параметра

Значение

Плотность таблетки твэла и твэга, кг/м3

(10,4…10,7)∙103

Давление гелия под оболочкой твэл, МПа

2,0+0,25-0,35

Наружный диаметр оболочки номинальный, м

9,1∙10-3

Внутренний диаметр оболочки номинальный, м

7,73∙10-3

Наружный диаметр таблетки номинальный, м

7,57∙10-3

Диаметр центрального отверстия таблетки номинальный, м

1,5∙10-3

Высота таблетки, м

(9,0…12,0) ∙10-3

Длина твэла/твэга, м

3,837

Высота столба топлива в "холодном" состоянии, м

3,53


Верхняя заглушка твэла в виде "грибка" предусматривает возможность сцепления с цанговым захватом устройства извлечения-установки твэлов; заглушка нижняя имеет нако­нечник с двумя лепестками. Твэл нижним наконечником, при установке в пучок, входит в отверстие нижней решетки. Лепестки наконечника с нижней стороны решетки отгибаются. Угол отгиба лепестков экспериментально подобран таким образом, чтобы обеспечить уси­лие удержания твэла в нижней решетке гарантирующее трехкратный запас до всплытия твэла в потоке теплоносителя.

Дистанционирующая решетка (рисунок 1.14) сотового типа состоит из ячеек, за­ключенных в обод. Ячейки между собой и периферийные ячейки с ободом соединены то­чечной сваркой. Ячейки решетки штампуются из тонкостенной трубы толщиной 0,25 мм и имеют шестигранную форму с пуклёвками для дистанционирования по трем симметрично расположенным углам.

Профиль пуклёвок ячеек и их упругопластические свойства обеспечивают безлюфтовую установку твэла в решётке.

Обод дистанционирующей решетки изготавливается из листа толщиной 0,8 мм и выполняет следующие функции:

стягивает поле ячеек решетки в шестигранную форму, придавая ей дополнительную жесткость и геометрическую стабильность по размеру "под ключ";

за счет скосов под углом 30° обеспечивает незацепляемость ТВС решетками с транспортно-технологическим оборудованием и соседними ТВС при загрузке-выгрузке активной зоны;

является поверхностью дистанционирования между ТВС в активной зоне.

Жёсткость ячеек и дистанционирующей решетки в целом и упругая безлюфтовая фиксация твэлов в ячейках обеспечивают:

-транспортабельность кассеты автомобильным, железнодорожным, авиационным и морским транспортом в горизонтальном положении в герметичных специальных контейне­рах без дополнительных амортизационных средств;

- отсутствие виброфреттингизноса пары оболочка твэла - ячейка решетки;

- устойчивость ТВС при возможных статических и динамических нагрузках, возникающих при проектных режимах эксплуатации реактора.

Дистанционирующая решетка сохраняет свое положение за счет сил трения, опре­деляемых упругим натягом в парах ячейка - твэл, ячейка - направляющий канал ТВС. Таким образом, обеспечивается возможность индивидуального удлинения направляющих каналов по отношению друг к другу и к твэлам под действием неравномерных на сечению ТВС температур и радиации.

Для обеспечения удержания дистанционирующей решетки в проектном положении в пучке твэл при гидродинамическом воздействии потока теплоносителя в конструкцию ТВС введены ограничительные втулки, установленные на центральной трубе с определен­ными зазорами по обе стороны дистанционирующей решетки, а также страховочные втул­ки, установленные на трех направляющих каналах и, при консервативном предположении смещения ограничительных втулок, препятствующие смещению дистанционирующей ре­шетки вверх (рисунок 1.15).

  Рисунок 1.14 - Дистанционирующая решетка

 Направляющий канал (рисунок 1.16), выполненный из циркониевой трубы, име­ет кольцевую втулку для разъемного соединения с головкой ТВС и наконечник для привар­ки канала в нижней опорной решётке.

Кольцевая втулка приварена к каналу методом проплавления втулки в кольцевом пазе до основного металла.

В наконечнике канала завальцована циркониевая втулка, к которой приваривается циркониевая труба канала.

Для протока теплоносителя в направляющий канал его наконечник имеет 4 боко­вых отверстия диаметром 2 мм, входящих в центральное отверстие диаметром 2,5 мм.

Это обеспечивает:

охлаждение ПЭЛ

низкий перепад давления на ПС СУЗ, обеспечивающий приемлемую скорость и время падения ПС СУЗ при срабатывании аварийной защиты

Опорная нижняя решетка (рисунок 1.17) выполнена в виде плиты, которая имеет отверстия под крепления твэлов, направляющих каналов; центральной трубы и сквозные пазы для протока теплоносителя в межтвэльное пространство пучка твэлов.

Центральная труба предназначена для установки КНИТ (канал нейтронный изме­рительный температурный) в ТВС. В районе дистанционирующих решеток труба имеет перфорацию для поступления в канал горячего теплоносителя из межтвэльного простран­ства с целью обеспечения представительности измерений температуры. Для организации протока теплоносителя, замера его температуры на входе в ТВС наконечник канала и ниж­няя часть трубки канала имеют перфорацию.

Хвостовик ТВС (рисунок 1.18) представляет собой опорную сварную конструкцию – корпус с системой рёбер.

Хвостовик ТВС обеспечивает сопряжение нижней части ТВС с опорами шахты реактора и является направляющим устройством для подачи теплоносителя в пучок твэлов и твэгов.

Ребра, приваренные к обечайке, образуют опорную решетку, представляющую со­бой два параллельных ребра взаимно перпендикулярые третьему поддерживающему ребру, которые заключены в шестигранник с переходом на цилиндр.


- труба центральная 3 - канал направляющий

- втулка ограничительная 4 - втулка страховочная

5 - решетка дистанционирующая

Рисунок 1.15 - Расположение втулок, ограничивающих перемещение дистанционирующих решеток


Рисунок 1.16 - Канал направляющий


Рисунок 1.17 - Решетка нижняя


Рисунок 1.18 - Хвостовик ТВС

Нижняя часть корпуса хвостовика внутри выполнена в виде диффузора, а снаружи имеет опорную сферическую часть с переходом на цилиндр. На цилиндре установлен фик­сатор.

Хвостовик с пучком твэлов соединен двумя пластинами, приваренными по граням опорной решетки пучка твэлов и шестигранной обечайки корпуса хвостовика.

Пучок твэлов через опорную решетку опирается на параллельные пластины и ребра хвостовика.

ТВС устанавливается в гнездо стояка шахты реактора и опирается сферической ча­стью корпуса хвостовика на коническую часть гнезда. При этом фиксатор корпуса хвосто­вика взаимодействует с пазом гнезда, ориентируя кассету в плане, а цилиндрическая по­верхность с цилиндром гнезда, удерживая кассету в вертикальном положении.

О выборе сорта частиц в ускорителе. В проекте, разрабатываемом группой К.Руббиа, а так же в ряде других проектов для получения пучка нейтронов предлагается использовать ускоритель протонов. Действительно, технология сооружения сильноточных ускорителей протонов хорошо разработана, изучены процессы рождения нейтронов при взаимодействии пучка протонов с массивными мишенями.

Постулаты Бора В 1912 году в Манчестер к Резерфорду приехал молодой датский физик Нильс Бор. Пробыв в Манчестере около четырех меся­цев, Бор «заболел» атомом. Постоянно и мучительно размышляя над проблемой устойчивости атома. Бор пришел к убеждению, что «этот вопрос просто невозможно решить посредством уже известных правил». Бор понял, что не все законы классической физики применимы к явлениям атомных масштабов и что для описания свойств атомов нужна новая теория, учитывающая квантовые представления.

В настоящее время удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию термоядерного синтеза взрывного типа в водородной бомбе. Первая в мире водородная бомба была создана в СССР, и 12 августа 1953 года был осуществлен ее взрыв. Это буквально ошеломило весь мир. Сейчас в арсеналах разных стран накоплено уже более 50 тысяч водородных бомб. Ядерное оружие представляет огромную угрозу для всего человечества; взрыв одной только бомбы мощностью 20 Мт уничтожит все живое на Земле на расстоянии 140 километров от эпицентра. Поэтому народы многих стран борются за запрещение ядерного оружия при постепенном уничтожении того, что уже накоплено

Радиоактивность - радиоактивный распад, деление ядер атомов, любые радиоактивные (или ядерные) превращения - это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных и субатомных частиц высоких энергий. При этом в подавляющем большинстве случаев ядра атомов (а значит, и сами атомы) одних химических элементов превращаются в ядра атомов (в атомы) других химических элементов, либо (по крайней мере) один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента. То есть радиоактивные превращения - это превращения атомов одних химических элементов (изотопов) в атомы других элементов (изотопов).

Радиация от источников, созданных человеком В результате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения. В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли вместе с углем, газом, нефтью, минеральными удобрениями, строительными материалами.

Продукты ядерного деления (ПЯД) представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Выход наиболее биологически значимых радионуклидов приведен в таблице 23. Кроме ПЯД радиоактивное загрязнение обусловлено радионуклидами наведенной активности ( 3Н, 14С., 28Al, 24Nа, 56Mn, 59Fe, 60Cо и др.) и неразделившейся частью урана и плутония. Особенно велика роль наведенной активности при термоядерных взрывах.

Воздействие радиации на ткани живого организма В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии.

Воздействие радиации на человека Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории   1) Соматические (телесные) - возникающие в организме человека, который подвергался облучению. 2) Генетические - связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению.

Повышение безопасности реактора ВВЭР-100