Выговский Физические и конструкционные особенности ядерных 2011
.pdf•улучшены условия охлаждения активной зоны в аварийных ситуациях с потерей теплоносителя (за счет увеличения объема теплоносителя в реакторе);
•снижены дозовые нагрузки на персонал за счет использования конструкционных материалов с минимальным содержанием кобальта;
•используется схема перегрузки топлива с загрузкой выгоревшего топлива на периферию активной зоны;
•снижено содержание никеля в обечайках корпуса реактора.
В качестве главного циркуляционного насоса применяется ГЦНА-1391, в котором здесь отметим следующие особенности:
•использован главный радиально-осевой подшипник с водяной смазкой;
•индивидуальная система смазки;
•планируется водяное охлаждение за счет исключения масляной системы охлаждения;
•пуск двигателя осуществляется вначале до 750 об./мин, а затем производится переход на номинальную скорость вращения
1000 об./мин.
Особенности активной зоны и топливного цикла реактора ВВЭР-1200 заключаются в следующем:
•активная зона предусматривает возможность продления топливного цикла за счет использования температурного и мощностного эффектов реактивности на срок до 60-ти суток;
•активная зона предусматривает повышенный уровень выгорания топлива на уровне 70 МВт*сут/кг урана в среднем по максимально выгоревшей ТВС;
•конструкция ТВС является ремонтопригодной и обеспечивает возможность дистанционного извлечения и замены дефектного твэл с помощью простых ремонтных приспособлений;
•увеличение массы загружаемого в реактор топлива за счет усовершенствования твэл (удлинение топливной части твэл и уменьшение центрального отверстия в топливной таблетке);
•использование в конструкции современных ТВС угловых ребер жесткости, которые устраняют очень вредный азимутальный изгиб кассет.
231
Характеристики активной зоны |
Таблица 2.12 |
|
|
|
|
|
|
|
Наименование характеристики, размерность |
|
Величина |
Номинальная тепловая мощность, МВт |
|
3200 |
Число ТВС, шт. |
|
163 |
|
|
|
Номинальная загрузка реактора UO2, кг |
|
~85412 |
Высота активной зоны в холодном состоянии, м |
|
3,73 |
Эквивалентный диаметр активной зоны, м |
|
3,165 |
Средняя линейная тепловая мощность твэла, кВт/см |
|
~167,8 |
Средняя энергонапряженность твэл, кВт/шт. |
|
~62,9 |
Давление теплоносителя на выходе из активной зоны, но- |
|
16,2 |
минальное, МПа |
|
|
|
|
|
Расход теплоносителя через реактор, м3/ч |
|
86000 |
Температура теплоносителя на входе в реактор при номи- |
|
298 |
нальной мощности, °С |
|
|
|
|
|
01 |
|
|
|
|
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
02 |
|
|
0 |
0 |
|
10 |
7 |
9 |
6 |
11 |
|
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
03 |
|
|
0 |
11 |
1 |
3 |
|
2 |
5 |
4 |
1 |
10 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
04 |
|
0 |
6 |
4 |
|
2 |
4 |
12 |
1 |
2 |
|
3 |
7 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
05 |
|
0 |
9 |
5 |
1 |
8 |
|
6 |
3 |
8 |
4 |
2 |
9 |
0 |
|
06 |
0 |
7 |
2 |
12 |
|
3 |
5 |
10 |
5 |
6 |
|
12 |
5 |
6 |
0 |
|
|
|
|||||||||||||
07 |
0 |
10 |
3 |
4 |
6 |
9 |
|
7 |
7 |
9 |
3 |
1 |
4 |
11 |
0 |
|
|
||||||||||||||
08 |
0 |
1 |
2 |
8 |
|
5 |
7 |
11 |
7 |
5 |
|
8 |
2 |
1 |
0 |
09 |
0 |
11 |
4 |
1 |
3 |
10 |
|
7 |
7 |
10 |
6 |
4 |
3 |
10 |
0 |
10 |
0 |
6 |
5 |
12 |
|
6 |
5 |
9 |
5 |
3 |
|
12 |
2 |
7 |
0 |
11 |
|
0 |
9 |
2 |
4 |
8 |
|
3 |
6 |
8 |
1 |
5 |
9 |
0 |
|
12 |
|
0 |
7 |
3 |
|
2 |
1 |
12 |
4 |
2 |
|
4 |
6 |
0 |
|
13 |
|
|
0 |
10 |
1 |
4 |
|
5 |
2 |
3 |
1 |
11 |
0 |
|
|
14 |
|
|
0 |
0 |
|
11 |
6 |
9 |
7 |
10 |
|
0 |
0 |
|
|
15 |
|
|
|
|
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
26 |
|
28 |
30 |
32 |
34 |
36 |
38 |
40 |
42 |
|
|
Рис. 2.36. Распределение ОР СУЗ по группам |
|
||||||||||||
232
Механическая система управления и защиты состоит из 121 ОР СУЗ. Все 121 ОР СУЗ ВВЭР-1200 разбиты на 12 групп. Каждая группа содержит от шести до 12 одновременно перемещаемых ОР СУЗ. Распределение ОР СУЗ по группам приведено на рис. 2.36.
Четыре группы с номерами 12, 11, 10 и 9, содержащие соответственно по шесть, семь и девять ОР СУЗ, являются регулирующими. Они выбраны исходя из возможности останова реактора с номинального уровня мощности при наименьшем возмущении распределения энерговыделения. Данные группы могут использоваться также в проектных режимах разгрузки реактора и при управлении распределением энерговыделения в переходных режимах на ксеноне. Группа №12 является рабочей.
Поглощающие стержни каждой группы располагаются на одной высоте и перемещаются одновременно. ОР СУЗ представляет собой пучок из 18 одинаковых поглощающих стержней, каждый из которых содержит в нижней части (~ 300 мм) поглотитель из титаната диспрозия, а в остальной части – карбид бора с естественным содержанием изотопов бора. Диспрозий является (n,γ) поглотителем и он в меньшей степени подвержен радиационным повреждениям по сравнению с боросодержащим (n,α) поглотителем. Применение комбинированного поглотителя позволяет увеличить срок службы ПС СУЗ.
Для выполнения проектного задания по длительности кампании топлива, связанного с переходом на 4-годичный и 5-годичный топливные циклы (топливо от момента загрузки находится в зоне 4 или 5 лет), в активную зону загружаются свежие ТВС с обогащением топлива по урану-235 4.0 и 4.95 % в разной пропорции для 4-летнего и 5-летнего циклов. Для компенсации избыточной реактивности в начале кампании в составе ТВС используется повышенное по сравнению с ВВЭР-1000 число ТВЭГ, равное 12 (для реализации трехгодичного топливного цикла в составе ТВС используется 6 или 9 ТВЭГ). Эта ТВС является базовой для проекта АЭС-2006. Картограмма базовой ТВС показана на рис. 2.37.
233
твэл с обогащением топлива 4.95 %
Направляющий канал
Топливный элемент с гадолинием (ТВЭГ, х=3.6 %, е=5 %)
Центральная трубка
Рис. 2.37. Расположение тепловыделяющих и конструктивных элементов в ТВС для ЛАЭС-2 (х – обогащение топлива ТВЭГ, е – содержание оксида гадолиния в ТВЭГ)
К примеру, для ЛАЭС-2 (Ленинградская АЭС-2) и НВАЭС-2 (Ново-Воронежская АЭС-2) планируется 4-летний топливный цикл. Каждый год планируется загружать 42 ТВС со свежим топливом. Из них в зону загружаются:
234
•6 ТВС со средним обогащением топлива 3.98 % (300 твэл обогащением 4.0 %, 12 ТВЭГ с обогащением топлива 3.3 %), пять из них находится в зоне 3 года, а одна ТВС – 4 года;
•12 ТВС со средним обогащением топлива 4.92 % (300 твэл обогащением 4.95 %, 12 ТВЭГ с обогащением топлива 3.6 %), все ТВС находятся в зоне 4 года;
•12 ТВС со средним обогащением топлива 4.93 % (306 твэл обогащением 4.95 %, 6 ТВЭГ с обогащением топлива 3.6 %), все ТВС находятся в зоне 4 года;
•12 ТВС с обогащением топлива 4.95 % без ТВЭГ, все ТВС находятся в зоне 4 года.
В табл. 2.13 приводятся основные нейтронно-физические характеристики стационарной топливной загрузки, планируемой для ЛАЭС-2 в рамках проекта АЭС-2006.
Таблица 2.13 Основные нейтронно-физические характеристики стационарной
топливной загрузки
Характеристика |
Проектные |
|
данные |
||
|
||
Количество загружаемых свежих ТВС, шт |
42 |
|
Среднее обогащение свежего топлива, % |
4,79 |
|
Количество ТВЭГ в свежих ТВС, шт. |
288 |
|
Длительность работы, эфф. сут. |
343 |
|
Критическая концентрация борной кислоты в начале |
|
|
работы загрузки (номинальная мощность, стационарное |
8,0 |
|
отравление Xe и Sm), г/кг |
|
|
Выгорание выгружаемого топлива, МВт·сут./кгU |
|
|
- среднее по ТВС |
55,8 |
|
- максимальное по ТВС |
59,7 |
|
- максимальное по твэл |
66,0 |
|
- максимальное по таблетке твэл |
71,7 |
|
- максимальное по ТВЭГу |
54,7 |
|
- максимальное по таблетке ТВЭГа |
59,0 |
|
Максимальное значение относительной мощности ТВС, |
|
|
Kq: |
1,34 |
|
- начало работы топливной загрузки |
235
|
Продолжение табл. 2.13 |
|
|
Характеристика |
Проектные |
|
данные |
|
|
|
|
- конец работы топливной загрузки |
1,33 |
|
- в течение работы топливной загрузки |
1,36 |
|
Максимальное значение относительной мощности ТВЭЛ, |
|
|
Kr (твэл): |
1,52 |
|
- начало работы топливной загрузки |
||
- конец работы топливной загрузки |
1,49 |
|
- в течение работы топливной загрузки |
1,52 |
|
Максимальное значение линейной тепловой мощности |
|
|
ТВЭЛ (без учета коэффициентов запаса и возможного |
|
|
перемещения рабочей группы ОР СУЗ в процессе |
|
|
эксплуатации загрузки), Вт/см: |
|
|
- начало работы топливной загрузки |
306,0 |
|
- конец работы топливной загрузки |
281,0 |
|
- в течение работы топливной загрузки |
306,0 |
|
Коэффициент реактивности по температуре теплоносителя |
|
|
с учетом изменения его плотности, |
|
|
10-5/°С: |
|
|
- номинальная мощность: |
|
|
1) |
начало работы топливной загрузки |
минус 31,6 |
2) |
конец работы топливной загрузки |
минус 82,7 |
- МКУ мощности (разотравленное состояние): |
|
|
1) |
начало работы топливной загрузки |
минус 0,8 |
2) |
конец работы топливной загрузки |
минус 29,4 |
Коэффициент реактивности по концентрации борной |
|
|
кислоты, 10-2/(г/кг): |
|
|
- номинальная мощность: |
|
|
1) |
начало работы топливной загрузки |
минус 1,0 |
2) |
конец работы топливной загрузки |
минус 1,3 |
- МКУ мощности (разотравленное состояние): |
|
|
1) |
начало работы топливной загрузки |
минус 1,1 |
|
|
|
236
Окончание табл. 2.13 |
||
Характеристика |
Проектные |
|
данные |
||
|
||
2) конец работы топливной загрузки |
минус 1,3 |
|
Эффективность аварийной защиты при застревании одного |
|
|
наиболее эффективного ОР СУЗ, % |
|
|
- номинальная мощность(H 1исх−11 =100%, Н12исх =90 %): |
|
|
1) начало работы топливной загрузки |
12,5 |
|
2) конец работы топливной загрузки |
12,5 |
|
- МКУ мощности (H 1исх−11 = 100 %, Н12исх = 0 %): |
|
|
1) начало работы топливной загрузки |
11,0 |
|
2) конец работы топливной загрузки |
11,0 |
|
Температура повторной критичности (в конце работы топ- |
|
|
ливной загрузки, отравленное ксеноном состояние без |
|
|
бора, все ОР СУЗ кроме наиболее эффективного органа |
|
|
погружены), оС |
68,0 |
|
Максимальная (по модулю) отрицательная реактивность, |
|
|
вводимая при падении одного ОР СУЗ из крайнего верхне- |
|
|
го положения на номинальной мощности, %: |
|
|
- начало работы топливной загрузки |
0,14 |
|
- конец работы топливной загрузки |
0,14 |
|
Максимальная реактивность, вводимая при выбросе одного |
|
|
ОР СУЗ из рабочей группы, %: |
|
|
- номинальная мощность (Н12исх = 50 %) |
0,08 |
|
- МКУ мощности (Н12исх = 0 %) |
0,20 |
|
Эффективная доля запаздывающих нейтронов (номиналь- |
|
|
ная мощность), %: |
|
|
- начало работы топливной загрузки |
0,63 |
|
- конец работы топливной загрузки |
0,56 |
|
Для сопоставления теплотехнических параметров ЯЭУ с ВВЭР-1000 и параметров ЯЭУ с ВВЭР-1200 их значения приведены в табл. 2.14.
237
Таблица 2.14
Тепло-гидравлические характеристики реактора и активной зоны ЯЭУ с ВВЭР-1000 и с ВВЭР-1200
|
Значение |
|
Наименование параметра |
ВВЭР- |
ВВЭР- |
|
1000 |
1200 |
Общие характеристики реактора и активной зоны: |
|
|
-тепловая мощность реактора, МВт; |
3200 |
3000 |
-давление на выходе из реактора, МПа; |
16,2 |
15,7 |
-температура теплоносителя на входе в реактор, °С; |
298,0 |
289 |
-температура теплоносителя на выходе из реактора, °С; |
330,2 |
319 |
-проектный расход теплоносителя через реактор (на |
86100 |
87000 |
входе), м3/ч; |
||
- средний гидравлический диаметр пучка твэлов, мм; |
10,5 |
10,6 |
- проходное сечение теплоносителя в активной зоне, м2; |
4,14 |
4,17 |
- массовая скорость в активной зоне (на входе), |
3930 |
3850 |
кг/(м2с); |
||
-скорость теплоносителя в активной зоне (средняя на |
|
|
входе), м/с; |
5,4 |
5,2 |
-общая поверхность теплообмена в активной зоне |
|
|
(в горячем состоянии), м2; |
5452 |
5161 |
-количество твэлов в активной зоне, шт.; |
50856 |
50856 |
-плотность мощности в активной зоне (средняя), кВт/л; |
114,8 |
113,7 |
-тепловой поток с поверхности твэла (средний), кВт/м2; |
610,4 |
604,5 |
-линейный тепловой поток (средний), Вт/см. |
174,5 |
172,3 |
Коэффициенты неравномерности энерговыделения в |
|
|
активной зоне: |
|
|
-неравномерность мощности кассет; |
1,40 |
1,35 |
-радиальный коэффициент неравномерности энерговы- |
|
|
деления по твэлам, Kr; |
1,57 |
1,50 |
-коэффициент неравномерности энерговыделения по |
|
|
высоте, Kz: |
|
|
1) начало кампании; |
1,35 |
1,49 |
238
Окончание табл. 2.14
Наименование параметра |
Значение |
|
|
ВВЭР- |
ВВЭР- |
|
1000 |
1200 |
2) конец кампании |
1,16 |
1,20 |
- максимальный коэффициент неравномерности тепло- |
|
|
вого потока, K0; |
2,12 |
2,24 |
- общий коэффициент неравномерности теплового по- |
|
|
тока |
2,40 |
2,60 |
(с учетом максимального инженерного коэффициента |
||
по тепловому потоку = 1,13) |
|
|
-максимальная температура топлива, °С; |
1810 |
1800 |
-максимальная температура наружной поверхности |
|
|
оболочки твэла, °С; |
354,1 |
352 |
Из вышесказанного можно сформулировать следующие тенденции в развитии ВВЭР:
•увеличение единичной мощности энергоблока (в дальнейшем до 1500МВт);
•увеличение срока службы корпусного оборудования АЭС до
60 лет;
•удлинение топливной кампании и увеличение средней глубины выгорания выгружаемого топлива до 62 МВт*сут./кг (максимальной – до 70).
Достигаются эти цели за счет совершенствования конструкции твэл и ТВС, за счет использования усовершенствованных схем перегрузок топлива и совершенствования расчетного обоснования проекта и расчетного сопровождения эксплуатации оборудования АЭС.
2.17.Перспективы мировой атомной энергетики на базе водо-водяных реакторов
В ближайшие 15−20 лет в России планируется построить от 25 до 34 энергоблоков с реактором ВВЭР-1200(1500). В табл.2.15 приведены названия площадок под строительство АЭС для этих энергоблоков.
239
Таблица 2.15 Названия площадок под строительство АЭС с ВВЭР-1200(1500)
|
|
Количество |
АЭС |
реакторов, планируемых |
|
|
к постройке |
|
|
|
|
|
min |
max |
Нижегородская |
3 |
4 |
НВ АЭС-2 |
2 |
2 |
ПАТЭС |
2 |
2 |
Центральная АЭС |
2 |
2 |
Южно-Уральская АЭС |
2 |
4 |
Тверская АЭС |
1 |
4 |
Северская АЭС |
2 |
2 |
Калининградская АЭС |
2 |
2 |
Волгодонская (Ростовская) |
2 |
2 |
Балаковская |
2 |
2 |
Белоярская |
1 |
1 |
Калининская |
1 |
1 |
Курская |
1 |
1 |
Ленинградская |
2 |
2 |
Башкирская |
0 |
3 |
Итого: |
25 |
34 |
Перспектива воодушевляет, но она потребует не только напряженной и слаженной работы большого количества институтов, проектных организаций и заводов, но и высоко-профессиональной подготовки кадров для атомной отрасли во многих вузах страны, и в первую очередь в НИЯУ МИФИ. Одну из этих задач по подготовке кадров и решает настоящее учебное пособие, предназначенное для студентов старших курсов, аспирантов и преподавателей НИЯУ МИФИ.
Что касается наших коллег на Западе, то ведущую роль в атомной энергетике принадлежит американской фирме «Westinghouse Electric», европейскому консорциуму AREVA, образованному на
240