Анализ теплового удара под давлением

5-я международная научно-техническая конференция
«Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»
Подольск, ОКБ "Гидропресс", 29 мая -1 июня 2007
Обеспечение безопасности
ВВЭР-1000
с модернизированными ТВС с
увеличенной длиной
топливного столба
Г.Л.Пономаренко, Ю.Г.Драгунов, М.А.Быков,
И.Н.Васильченко, С.Н.Кобелев (ОКБ «Гидропресс»),
В.Л.Молчанов, С.Е.Волков (ОАО ТВЭЛ)
ВВЕДЕНИЕ
В проекте ТВС-2М длина топливного столба увеличена по
сравнению с серийной ТВС-2 на 150 мм, при
сохранении общего габарита ТВС, что экономически
выгодно и повышает безопасность.
ТВС-2М предполагается использовать в той же активной
зоне с реактором ВВЭР-1000, что и ТВС-2. При
срабатывании АЗ имеет место небольшое неперекрытие
или так называемый недоход ПС СУЗ до нижней кромки
топлива ТВС-2, который не превышает 83 мм.
При переходе к ТВС-2М величина недохода
увеличивается на 100 мм и его влияние требует
детального анализа, на основании которого может быть
сделан вывод о необходимости изменения конструкции
и замены приводов СУЗ и самих ПС СУЗ в связи с
удлинением топливного столба.
ВВЕДЕНИЕ (продолж.)
Для реактора ВВЭР-1000 с 61 ОР СУЗ выполнены анализы с
учётом неполного перекрытия топлива поглотителем :
- проектного режима «разрыв паропровода» и
- запроектного режима «прохождение пробки чистого
конденсата при пуске первого ГЦН после перегрузки».
Анализ проводился с использованием сопряжённого кода
ТРАП-КС с пространственной кинетикой и моделью
процессов перемешивания теплоносителя в напорной и
сборной камерах реактора.
Расчет библиотеки нейтронных констант проведён по коду
САПФИР_95.1, а расчеты выгорания - по коду
САПФИР_95&RC_ВВЭР.
Эффекты перемешивания и размывания пробки ЧК
учитывались в рамках используемой модели консервативно
на основе экспериментальных данных.
ВВЕДЕНИЕ (продолж.)
Использовались следующие положения идеологии обоснования безопасности :
(а) в техническом проекте РУ должно быть показано, что рабочие
органы АЗ без одного, наиболее эффективного органа
обладают:
 - быстродействием, достаточным для перевода активной зоны
реактора в подкритическое состояние без нарушения пределов
безопасной эксплуатации при нарушениях нормальной
эксплуатации;
 - эффективностью, достаточной для перевода активной зоны
реактора в подкритическое состояние и поддержания её в
подкритическом состоянии при нарушениях нормальной
эксплуатации и проектных авариях. В случае если
эффективность АЗ недостаточна для длительного поддержания
активной зоны в подкритическом состоянии, должно быть
предусмотрено автоматическое подключение другой (других)
системы (систем) остановки реактора, обладающей
(обладающих) эффективностью, достаточной для поддержания
активной зоны в подкритическом состоянии с учётом
возможного высвобождения реактивности;
ВВЕДЕНИЕ (продолж.)
(б) увеличение проектного недохода вследствие удлинения
топлива в ТВС-2М будет допустимым при следующих
сценариях и условиях:


для основного проектного сценария, положительным
результатом является доказательство того, что небольшое
увеличение недохода ОР СУЗ приводит к незначительному
снижению имеющихся запасов по всем критериальным
параметрам безопасности и имеется значительный запас до
«критической» величины недохода (т.е. при которой
приёмочные критерии не выполняются);
для дополнительных менее вероятных запроектных
сценариев, в которых запасы малы или отсутствуют
положительным результатом анализа является
доказательство того, что увеличение недохода ОР СУЗ, если
и приводит к нарушению приёмочных критериев, то в
незначительном количестве твэлов;
ВВЕДЕНИЕ (продолж.)
Основные выводы настоящего анализа состоят в
допустимости недохода при нахождении ОР
на НЖУ (величина недохода до 5 % от высоты
активной зоны).
Расчёты проведены в консервативном
приближении по исходным данным и
выбранному сценарию. Для всех
рассмотренных сценариев использовались
приёмочные критерии проектных аварий, а
также дополнительный более жёсткий
критерий по отсутствию кризиса
теплообмена.
1. Разрыв
паропровода
Анализ проведён на конец борной кампании
стационарного цикла выгорания с проектными
характеристиками блока №1 Балаковской АЭС.
Одним из наиболее неблагоприятных проектных
сценариев является сценарий с отказом закрытия
БЗОК на аварийном ПГ и ошибочной подачей
питательной воды в аварийный парогенератор
насосом ВПЭН, а также с зависанием одного,
наиболее эффективного ОР СУЗ в «холодном»
секторе активной зоны в крайнем верхнем
положении.
В основных запроектных сценариях моделировались
дополнительные отказы: повышенное (до двухчетырёх шт.) количество зависших ОР СУЗ в
наиболее эффективной конфигурации в «холодном»
секторе активной зоны.
Разрыв паропровода (продолж.)
В анализе варьировалась величина
недохода в диапазоне от 0 до 555 мм.
Найдены зависимости критериальных
и сопутствующих параметров
безопасности от величины недохода.
Получено, что заметное и значимое
повышение чувствительности
параметров безопасности начинается
при величине недохода более 200 мм и
особенно более 300-370 мм.
Разрыв паропровода (продолж.)
Получены следующие результаты из анализа основных
проектных и запроектных сценариев:



повышение проектной величины недохода на 100 мм - от 83 (для
УТВС и ТВС-2) до 183 мм (для ТВС-2М) практически никак не
ухудшает все критериальные и сопутствующие значимые
параметры. Все приёмочные критерии удовлетворяются с
запасами для рассмотренных проектных и запроектных
сценариев;
аварийная защита с проектным недоходом до 183 мм является
самодостаточной системой останова, т. е. способной обеспечить
выполнение ужесточённых приёмочных критериев по топливу и
сохранение целостности барьеров безопасности для
рассмотренных проектных и запроектных сценариев без
увеличения концентрации бора в теплоносителе;
при увеличенном до 211-283 мм недоходе также сохраняются
достаточно большие запасы по безопасности.
Разрыв паропровода (продолж.)
При дальнейшем увеличении недохода все критериальные и
сопутствующие значимые параметры ухудшаются по
нарастающей, вплоть до повреждения активной зоны. В
частности при утроенном значении проектного недохода,
равном 555 мм и зависании до четырёх наиболее
эффективных ОР СУЗ в «холодном» секторе активной зоны,
в небольшом количестве, наиболее «горячих» твэлов
реализуется плавление и фрагментация топлива, а также
интенсивная паро-циркониевая реакция их оболочек (Тс max
превышает 1200 оС).
В дополнительных менее вероятных запроектных сценариях
моделировались дополнительные отказы: ошибочная подача
холодной питательной воды в аварийный парогенератор
насосами АПЭН или ошибочная подача насосами НВД
САОЗ чистого конденсата вместо борного раствора. Анализ
этих сценариев показал, что проектная величина недохода
ОР СУЗ в ТВС-2М также обеспечивает выполнение
приёмочных критериев по топливу.
Разрыв паропровода (продолж.)
Максимальная температура
топлива, оС
3000
2500
1_OP
2000
4_OP
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Величина недохода, см
40
45
50
55
Максимальная радиально усреднённая
энтальпия топлива, Дж/г
Разрыв паропровода (продолж.)
1000
1_OP
800
4_OP
600
400
200
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Величина недохода, см
40
45
50
55
Разрыв паропровода (продолж.)
Максимальная температура
оболочки твэл, оС
850
750
1_OP
650
4_OP
550
450
350
250
0
5
10
15
20
25
30
35
Величина недохода, см
40
45
50
55
Минимальный запас до кризиса,
отн. ед.
Разрыв паропровода (продолж.)
9
8
7
6
1_OP
5
4_OP
4
3
2
1
0
5
10
15
20
25
30
35
Величина недохода, см
40
45
50
55
Максимальная линейная тепловая
нагрузка на твэл, Вт/см
Разрыв паропровода (продолж.)
600
1_OP
500
4_OP
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Величина недохода, см
40
45
50
55
Разрыв паропровода (продолж.)
Максимальная мощность, %Nном
35
1_OP
30
4_OP
25
20
15
10
5
0
5
10
15
20
25
30
35
Величина недохода, см
40
45
50
55
Разрыв паропровода (продолж.)
Минимальная реактивность, βef
-4
-5
1_OP
-6
4_OP
-7
-8
-9
-10
-11
0
5
10
15
20
25
30
35
Величина недохода, см
40
45
50
55
Максимальная реактивность, βef
Разрыв паропровода (оконч.)
0
-0.5
-1
-1.5
1_OP
-2
4_OP
-2.5
-3
-3.5
-4
-4.5
0
5
10
15
20
25
30
35
Величина недохода, см
40
45
50
55
2. Пробка чистого конденсата
Проведён анализ безопасности запроектного режима с пробкой ЧК
при пуске первого ГЦН после перегрузки топлива, с учётом
неполного перекрытия топлива поглотителем для активной зоны
серийного реактора ВВЭР-1000, состоящей из ТВС-2М. Анализ
проведён на начало кампании стационарного цикла выгорания с
проектными характеристиками блока №1 Балаковской АЭС.
Сложности и неопределённости моделирования подобных режимов
относятся к аспектам сценария образования пробки как таковой,
механизму её накопления и размывания в петле, перемешивания в
тракте до входа в активную зону. Эти аспекты недостаточно
изучены и в настоящее время проводятся работы по расчётному и
экспериментальному их изучению с использованием кодов типа
CFD и экспериментальных измерений на стенде ОКБ
"Гидропресс".
Экспериментальное исследование проводилось на стенде в
масштабе 1/5 для пробки ЧК эквивалентным объёмом 9 м3 в
аспекте её размывания и перемешивания до входа в активную
зону.
Пробка чистого конденсата (продолж.)
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0
10
20
30
40
50
60
Изменение средней относительной концентрации в пробке на входе в активную зону
для различных значений расходов. Experimental data.
Пробка чистого конденсата (продолж.)
В результате проведенных экспериментов получено, что
минимальная усреднённая по сечению относительная
концентрация в пробке на входе в активную зону
(сглаженность) Свmin / СВо находится в диапазоне 0,67 –
0,78 отн. ед. Относительная концентрация распределяется
по сечению активной зоны неравномерно и изменяется в
диапазоне от 1 до 0,4.
Расчётное моделирование такого режима проводилось с
ориентировкой на полученные экспериментальные
результаты таким образом, чтобы обеспечить
консервативность расчётов. Так, в расчёте
моделировалась минимальная усреднённая сглаженность
Свmin / СВо ≈ 0,4.
Пробка чистого конденсата (продолж.)
Получены следующие консервативные выводы о допустимости величины
недохода ОР СУЗ для ТВС-2М :
- увеличение недохода ОР СУЗ от (0 – 83) до 200 мм (НЖУ), практически
никак не ухудшает значений критериальных и сопутствующих
параметров безопасности. Обеспечивается выполнение всех приёмочных
критериев, с достаточно большими запасами;
- увеличение недохода ОР СУЗ от 200 до (283 – 300) мм (НКВ) хотя и
обеспечивает выполнение приёмочных критериев, однако не оставляет
запаса подкритичности (кратковременно);
-дальнейшее увеличение недохода ОР СУЗ от 300 до 370 мм может
привести к кратковременной нейтронной вспышке на мгновенных
нейтронах. Тем не менее, все критерии безопасности по топливу
удовлетворяются;
-увеличение недохода ОР СУЗ до 555 мм и выше может привести к
опасной
нейтронной
вспышке,
сопровождающейся
тяжёлым
повреждением активной зоны.
Пробка чистого конденсата (продолж.)
Core maximal power, %Nnom
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
Nonoverlapping, cm
30
35
40
Maximal linear power rate, W/cm
Пробка чистого конденсата (продолж.)
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
15
20
25
Nonoverlapping, cm
30
35
40
Пробка чистого конденсата (продолж.)
o
Maximal temperature, C
500
450
400
Fuel
350
Cladding
300
0
5
10
15
20
25
Nonoverlapping, cm
30
35
40
Пробка чистого конденсата (продолж.)
Maximal radially averaged fuel
enthalpy, J/g
140
130
120
110
100
0
5
10
15
20
25
Nonoverlapping, cm
30
35
40
Более детально режим с пробкой ЧК проанализирован
по сопряжённому коду КОРСАР/ГП в докладе
AER Working Group D
Paris, May 2007
Accident with a Slug of Unborated
Water and Safety of WWER-1000 at
its Modernization
G.Ponomarenko, Yu.Dragunov, M.Bykov
(OKB Gidropress, Russian Federation)
Distribution of a boric acid concentration in the core bottom cross-section at the
moment 215,8 s when achieves the maximal reactivity in a mode with a SLUG.
Modelling with the CORSAR /GP with orientation to the characteristics
measured at the experimental stand
29
Change of relative boric acid concentration in the WWER-1000 core
in a mode with a SLUG. Modelling with the CORSAR /GP with
orientation to the characteristics measured at the experimental stand 30
Description of variants for a mode with deborated Slug
Number and
designation of
variant
Number of a
Full
quantity of cell with CR
CR CPS, stuck on the
core top
pieces
CRs
nonoverlappin
g of fuel on
the bottom,
cm
Shut-down
Boric
reactivity, eff
(%)
1. 97CR-0_20cm-2%B
97
-
20
-3,2 (-1,9)
2. 85CR-0_20cm-2%B
85
-
20
-3,2 (-1,9)
3. 85CR-0_10cm-2%B
85
-
10
-3,2 (-1,9)
4. 61CR-0_20cm-4%B
61
-
20
-7,4 (-4,3)
5. 61CR-0_10cm-4%B
61
-
10
-7,4 (-4,3)
6. 49CR-0_10cm-5%B
49
-
10
-8,6 (-5,1)
7. 49CR-0_10cm-4%B
49
-
10
-7,4 (-4,3)
8. 61CR-0_10cm-2%B
61
-
10
-3,2 (-1,9)
9. 61CR-0_20cm-2%B
61
-
20
-3,2 (-1,9)
10. 61CR-155_10cm-2%B
61
155
10
-3,2 (-1,9)
11. 49CR-126_10cm-5%B
49
126
10
-8,6 (-5,1)
31
Basic results for variants 1-7 with maintenance of
subcriticality for a mode with unborated Slug
Number and
designation of variant
Total reactivity
Bor+CRs, eff
Total reactivity during
movement of the Slug
in the core, eff
Maximal rate of
reactivity insertion,
eff/s
1. 97CR-0_20cm-2%B
-27,2
-12,4
8,2
2. 85CR-0_20cm-2%B
-24,4
-5,2
19,4
3. 85CR-0_10cm-2%B
-24,6
-9,2
4,3
4. 61CR-0_20cm-4%B
-19,8
-3,7
12,0
5. 61CR-0_10cm-4%B
-19,9
-3,7
6,0
6. 49CR-0_10cm-5%B
-19,6
-3,4
5,8
7. 49CR-0_10cm-4%B
-18,2
-0,6
10,1
32
Basic results for variants 8-11 with default of subcriticality criterion for a
mode with deborated Slug
Characteristics of a
mode
Total reactivity Bor+CRs,
eff
Maximal dynamic reactivity during
Slug movement together with Doppler,
eff
Nmax/Nnom
, rel. inits
Qlmax, W/cm
- Without Hot Channel
- With account of Hot Channel
Hmax, J/g
- Without Hot Channel
- With account of Hot Channel
Tfmax, oC
- Without Hot Channel
- With account of Hot Channel
Tcmax, oC
- Without Hot Channel
- With account of Hot Channel
Maximal rate of reactivity insertion,
eff/s
Performance of fuel criteria
Number and designation of variant
8. 61CR-0
_10cm-2%B
9. 61CR-0 _20cm2%B
10. 61CR-155
_10cm-2%B
11. 49CR-126
_10cm-5%B
-15,5
-15,3
-15,3
-19,4
+1,7
+1,8
+1,8
+1,04
2,3
2,9
2,4
0,029
22580
33920
29783
44675
30308
45385
203,5
305,3
521
989
769
More 1000
824
1431
49,5
-
1974
2700
2497
More 3000
2549
3393
361
363
52,0
805
More 1000
90,0
900
1126
105,8
186,0
89
18,8
33
No
No
No
Yes
Fig. 4a – Reactivity (eff ) versus time for variants with
maintaining of subcriticality
34
Fig. 4b – Reactivity (eff ) versus time for variants with with
overcriticality
35
Fig. 4c – Reactivity (eff ) versus time for variants with with
overcriticality
36
Fig. 5a – Reactor power versus time for variants with
overcriticality
37
Fig. 5b – Reactor power versus time for variants with
overcriticality
38
Fig. 5c – Maximal linear power rate with account of Hot Channel
(Qlmax_g_k) and without account of Hot Channel (Qmax)
versus time for variants with overcriticality
39
Fig. 6a – Maximal radially averaged enthalpy with account of
Hot Channel (Hmax_g_k) and without account of Hot Channel
(Hmax) versus time for variants with overcriticality
40
Fig. 6b – Maximal fuel temperature with account of Hot Channel
(Tf_g_k) and without account of Hot Channel (Tmax_fuel)
versus time for variants with overcriticality
41
Cross-section 2
Cross-section 5
Cross-section 8
Cross-section 11
Fig. 7 – Distribution of fuel temperature (oC), averaged on assembly cross-section, in
different cross-sections on the core height from the bottom, for variant «61CR155_10cm-2%B» at the moment 217,4 s (achievement of maximal value Tfmax)
42
a
b
Fig. 8 – Distribution of linear power rate (a) (W/cm) and fuel
temperature (b) (oC), averaged on assembly cross-section, in
cross-section 2 from the core bottom, for variant «61CR-0_10cm2%B» at the moment 215,85 s
43
Fig. 9a – Change of linear power rate, averaged on «Hot»
assemblies for different cross-sections on the core height. Variant
«61CR-0_10cm-2%B»
44
Fig. 9b – Change of linear power rate, averaged on «Hot»
assemblies for different cross-sections on the core height. Variant
«61CR-0_10cm-2%B»
45
Fig. 9c – Change of linear power rate, averaged on «Hot»
assemblies for different cross-sections on the core height. Variant
«61CR-0_10cm-2%B»
46
Fig. 10a – Change of linear power rate, averaged on
«Warm» assemblies for different cross-sections on the core
height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»
47
Fig. 10b – Change of linear power rate, averaged on
«Warm» assemblies for different cross-sections on the core
height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»
48
Fig. 10c – Change of linear power rate, averaged on
«Warm» assemblies for different cross-sections on the core
height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»
49
Fig. 11 – Change of fuel temperature, averaged on «Hot»
assemblies for different cross-sections on the core height. Variant
«61CR-0_10cm-2%B»
50
Fig. 12 – Change of fuel temperature, averaged on «Warm»
assemblies for different cross-sections on the core height. Variant
«61CR-0_10cm-2%B»
51
Заключение
Таким образом, показано, что при проектном
удлинении топливного столба ТВС-2М
штатная конструкция приводов СУЗ и самих
ПС СУЗ может быть пригодной для
использования без конструктивных
изменений