Опыт эксплуатации новых топливных сборок и перспективы

Опыт эксплуатации новых топливных
сборок и перспективы развития
топливных циклов для АЭС с ВВЭР
Докладчик:
Мохов В. А.
Международная научно-техническая конференция
«Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики»,
Москва, 26-27 мая 2010
Новые топливные сборки – ТВС-2 (2М)
Краткая предыстория разработки нового топлива ВВЭР-1000
Новое российское топливо – совокупность конструктивных и
технологических усовершенствований, проведенных с конца
90-х годов и нашедших оформление в облике
тепловыделяющих сборок ТВС-2 (2М) и ТВСА, на базе которых
разработаны универсальные топливные циклы, но
существенно отличающихся по конструкции.
Здесь речь идет о ТВС-2 (2М), ставшей прототипом для нового
проекта ТВС АЭС-2006.
Это топливо разрабатывалось не одновременно с проектом РУ,
а независимо, с адаптацией к условиям уже работающих
блоков с целью снижения топливной составляющей
эксплуатационных затрат и сохранения топливного рынка
ВВЭР за российским Поставщиком.
2
Новые топливные сборки – ТВС-2 (2М)
Актуальные эксплуатационные задачи
•Увеличение мощности блоков
•Внедрение 18-месячных топливных
циклов
Увеличение КИУМ
•Улучшение эксплуатационных свойств
•Снижение удельного расхода
природного урана
Конструктивное обеспечение в ТВС
•Увеличение загрузки топлива
•Увеличение исходного обогащения топлива до 5%
•Модернизации и обоснования для повышения
надёжности при обращении и эксплуатации
3
Новые топливные сборки – ТВС-2 (2М)
Основные конструкторские решения бесчехловой ТВС-2 (2М)
реактора ВВЭР-1000
• каркас, образованный при помощи сварки ДР и НК;
• НК размером 13х1мм;
• ЦДР высотой 30 мм с толщиной стенки ячейки 0,3 мм,
расставленные по пучку с шагом 340 мм;
• твэл с Дн=9,1 мм с различными вариантами исполнения
топливного столба;
•съемная головка;
Сопряжение
ячейки с
твэлом
0,3
• хвостовик, содержащий АДФ;
• ПР сотового типа;
•длина активной зоны 3680 мм.
Участники разработки ТВС-2 (2М):
ОАО «ТВЭЛ», ОКБ «ГИДРОПРЕСС», ОАО «ВНИИНМ», РНЦ
«Курчатовский институт», ОАО «НЗХК», ГНЦ РФ ФЭИ
4
5
6
46
446
Новые топливные сборки – ТВС-2 (2М)
Преемственность конструкции с
существенным улучшением свойства
формоустойчивости.
2.
Совместимость с предшествующей
конструкцией, подтверждённая
опытом эксплуатации.
3.
Достаточная неуязвимость при ТТО.
4.
Оптимизированный шаг
расположения ДР, обеспечивающий
жёсткость ТВС и отсутствие фреттингизноса твэл.
255
1.
258
250
30
3805
13255=3315
210
Важные особенности ТВС-2 (2М)
УТВС, ТВС- 2 с 15 ДР
ТВС- 2 с 12 ДР
ТВС- 2М
7
Опыт эксплуатации ТВС-2 (2М)
Количество эксплуатируемых ТВС
Год
По блокам
Балаковской АЭС
Всего
По блокам
Волгодонской АЭС
1
2
3
4
1
2
2003
54
54
-
-
-
-
-
2004
162
54
54
54
-
-
-
2005
217
55
54
54
54
-
-
2006
164
48 (6)
55
-
55
-
-
2007
271
54
48
55
60
54
-
2008
222
- (60)
60
54
-
48
-
2009
427
-
72
72
72
48
- (163)
Всего по состоянию
на апрель 2010
1517
331
343
289
241
150
163
Достигнутое максимальное
выгорание, МВт*сут/кг U
50,67
50,36
46,90
49,67
50,67
31,20
-
8
Опыт эксплуатации ТВС-2 (2М)
Общие показатели
•Время падения ОР СУЗ – менее 2,5 сек.
•Усилия перемещения ОР СУЗ – менее 6 кгс
•Усилия извлечения-установки ТВС в активной
зоне – в пределах проектных величин (±75 кгс)
Характерно для
«свежей» активной
зоны
•Достигнутая надёжность – 1,6·10-6
•Достигнутый КИУМ – 90% (при сопутствующей
надежной работе оборудования)
•В настоящее время на блоках с ТВС-2 (2М)
отсутствуют негерметичные твэлы
•Интегральный показатель отсутствия
деформации ТВС-2 (2М) – закономерный
суммарный средний рост ТВС на ~ 1,5 мм за цикл
9
Опыт эксплуатации ТВС-2 (2М)
Увеличение скорости перегрузки активной зоны с ТВС-2 (2М)
Сопутствующий фактор:
Извлечение
Установка
4500
4500
4000
4000
3500
3500
3000
3000
2500
2500
Сила отрыва обода от поля
ячеек по данным НЗХК ~ в два
раза выше максимально
возможного усилия,
прикладываемого к ТВС при
перегрузке – 225 кгс
Высота, мм
Высота, мм
1,2 м/мин
1,8 м/мин
2,4 м/мин
3,0 м/мин
2000
2000
4,0 м/мин
1500
1500
1000
1000
500
500
Уставка
75 кгс
На Балаковской АЭС
установлена скорость
вертикального
перемещения ТВС-2 (2М) в
активной зоне: 1,2 м/мин.
0
0
0
20
40
60
Изменение веса, кгс
80
100
0
20
40
60
Изменение веса, кгс
80
100
Обоснована в проекте:
максимальная – 4,0 м/мин.
10
Опыт эксплуатации ТВС-2 (2М)
График активности теплоносителя 1 контура блока 2
Балаковской АЭС при переходе на 104 % Nном
16 кампания, работа 100 % Nном,
испытания на 104 % Nном
3200
17 кампания,
работа на 104 % Nном
3200
1,0E-03
1,00E-03
3000
3000
100% Nном
100% N ном
2800
2800
Мощность
2600
2600
Мощность
1,00E-04
2000
1800
2400
Активность, Ки/кг
2200
Тепловая мощность, МВт
2400
Активность, Ки/кг
Тепловая мощность, МВт
1,0E-04
2200
2000
1800
1,00E-05
1,0E-05
Активность
1600
1600
Активность
1400
1400
1200
1200
1000
31.10.07
1,0E-06
18.12.07
11.02.08
28.03.08
Дата
12.05.08
26.06.08
1000
02.09.2008
13.10.2008
27.11.2008
16.01.2009
04.03.2009
Дата
20.04.2009
08.06.2009
22.07.2009
1,00E-06
03.09.2009
11
Развитие топливных циклов
Повышение мощности и переход на топливный цикл 3х18 мес.
(на примере блоков 1 и 2 Балаковской АЭС)
2007
2008
2009
2010
2011
Перевод ТВС- 2М с бланк.
в пром. экспл.
Переход на
18 месячный цикл
1/ 3 ТВС- 2М с бланк.
2/ 3 ТВС- 2
Внедрение
ТВС- 2М без бланк.
1/ 3 ТВС- 2М без бланк.
2/ 3 ТВС- 2М с бланк.
2/ 3 ТВС- 2М с бланк.
1/ 3 ТВС- 2
6 ТВС- 2М с бланк.
157 ТВС- 2
БЛК- 1
16 т .з., 11,9 мес., N=100% 17 т .з., 12,2 мес., N=100%
14,54 МВт * сут / кг U
30,95 МВт * сут / кг U
18 т .з., 13,6 мес., N=100%
50,45 МВт * сут / кг U (расч.)
19 т .з., 14,7 мес., N=104%
53,5 МВт * сут / кг U (расч.)
20 т .з., 15,5 мес., N=104%
51,7 МВт * сут / кг U (расч.)
2012
2013
2/ 3 ТВС- 2М без бланк.
1/ 3 ТВС- 2М с бланк.
21 т .з., 17,3 мес., N=104%
49,5 МВт * сут / кг U (расч.)
Повышение мощност и
до 104 %
Переход на
18 месячный цикл
БЛК- 2
163 ТВС- 2
15 т .з., 11,5 мес., N=100%
46,9 МВт * сут / кг U
163 ТВС- 2
163 ТВС- 2
16т .з., 8,8 мес., N=104% 17 т .з., 12,4 мес., N=104%
46,3 МВт * сут / кг U
45,8 МВт * сут / кг U
Повышение мощност и
до 104 %
163 ТВС- 2
18 т .з., 15,2 мес., N=104%
45,5 МВт * сут / кг U (расч.)
Внедрение
ТВС- 2М с бланк.
1/ 3 ТВС- 2М с бланк.
2/ 3 ТВС- 2
19 т .з., 16,8 мес., N=104%
45,0 МВт * сут / кг U (расч.)
2/ 3 ТВС- 2М с бланк.
1/ 3 ТВС- 2
20 т .з., 17 мес., N=104%
52,5 МВт * сут / кг U (расч.)
- Внедрение ТВС- 2М с бланкет ами
- Внедрение ТВС- 2М без бланкет ов
- Переход на 18- месячный т опливный цикл
- 104% Nном
12
Развитие топливных циклов
Перспективный топливный цикл 5х1 год
Наименование параметра
Коэффициент неравномерности относительной мощности твэлов по активной зоне
(максимальный), Кr
Значение
1,63
1,65
Инженерный коэффициент по тепловому потоку, Kqинж:
- для первого периферийного ряда твэлов;
- для второго периферийного ряда твэлов;
- для остальных твэлов
1,15
1,12
1,10
Тепловая мощность реактора, МВт
3120
Расход теплоносителя через реактор (при температуре входа в реактор), м3/ч
83870
Усредненный расход теплоносителя через ТВС, приведенный к температуре входа в
реактор, м3/ч (за вычетом протечек теплоносителя 3 %)
469,3
Температура теплоносителя на входе в реактор, С
Минимальный коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи, Кзап
290
1,35
1,32
Рассмотрены наихудшие, по результатам обоснования повышения мощности до 104 % Nном, режимы:
- обесточивание АЭС;
- потеря питательной воды во все парогенераторы;
- большие течи теплоносителя в результате разрыва трубопровода (Ду>100 мм, включая разрыв ГЦТ)
С учетом выполненных при повышении мощности до 104% Nном модернизаций:
Кризис теплоотдачи в режимах «Обесточивание АЭС» и «Потеря питательной воды во все парогенераторы» не возникает.
В результате вариантных расчетов режима «Большие течи…» выполняется максимальный проектный предел повреждения твэлов:
- максимальная температура топлива не превышает температуры плавления топлива
- локальная глубина окисления оболочек твэлов – не более 18 % от первоначальной толщины стенки
- максимальная температура оболочки твэла не превышает 1200 С
- доля окисленного циркония не превышает 1,0 %
13
Развитие топливных циклов
Продолжительность топливного цикла при увеличении
ураноемкости для разных уровней мощности
510
490
470
%
104
%
107
%
h = 3730 мм
d 7,8 / 0 мм
530
100
h =3680
d 7,8 / 0 мм
Т, эфф.сут.
550
h = 3530 мм
d 7,6 / 1,2 мм
570
Масса топлива в ТВС, кг
14
Модернизация СВРК при внедрении ТВС-2М с
удлиненным топливным столбом
Внутриреакторный
измерительный канал
(КНИ), размещенный
в ТВС
Расположение ДПЗ КНИ-5Б относительно границ
топлива и ДР ТВС-2М для В-320
Оптимальный вариант расположения ДПЗ в
модернизируемых КНИ по высоте активной зоны ТВС-2М
Планируется совмещение термоконтроля
и контроля энерговыделения в активной зоне
с помощью КНИТ аналогично современным
проектам (зарубежные, АЭС-2006)
15
Актуальные задачи дальнейшего развития
конструкции и топливных циклов
1. Внедрение на опытно-промышленную эксплуатацию ТВС
с увеличенной ураноемкостью
2. Внедрение новых сплавов (Э110М, Э125, Э635М)
3. Внедрение ТВС с упрощенной возможностью извлечения
твэлов
4. Внедрение перемешивающих решеток
5. Осевое профилирование топлива и выгорающего
поглотителя
6. Реализация топливных циклов с выгоранием топлива
более 60 МВт*сут/кг U
16
Заключение
Базовая конструкция ТВС-2 (2М) имеет
беспроблемный опыт эксплуатации и является
надежной основой для дальнейших
усовершенствований
Спасибо за внимание!
17