ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ РЕШЕТОК-ИНТЕСИФИКАТОРОВ В ТВСА ВВЭР-1000

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ
РЕШЕТОК-ИНТЕСИФИКАТОРОВ В ТВСА ВВЭР-1000
О.Б. Самойлов, А.А. Фальков, Д.Л. Шипов, В.Е.Лукьянов, О.Н.Морозкин
ОАО «ОКБМ Африкантов», г. Н.Новгород, Россия
Введение
ТВСА – тепловыделяющая сборка с жестким уголковым каркасом эксплуатируется на
21 блоке ВВЭР-1000 Калининской АЭС, АЭС Украины, Болгарии и Чехии. Изготовлено
более 6000 ТВСА. Достигнуты высокие ресурсные показатели ТВСА: максимальное
выгорание по ТВС 65 МВтсут/кгU, по твэлу 72 МВтсут/кгU, ресурс 50000 эфф. ч. [1, 2].
Важным направлением развития ТВСА является применение перемешивающих решеток
- интенсификаторов теплообмена (ПР) для выравнивания температур, снижения локального
паросодержания, повышения эксплуатационной надежности и теплотехнических запасов.
Перемешивающие решетки реализованы в конструкции ТВСА-АЛЬФА и ТВСА-Т для
АЭС «Темелин». Конструкция ПР представляет собой пластинчатую решетку с
дефлекторами потока.
В настоящее время активные зоны 1 и 2 блока АЭС «Темелин» эксплуатируются с
полной загрузкой из ТВСА-Т. Впервые в российском топливе в активной зоне ВВЭР
применены перемешивающие решетки. ТВСА-АЛЬФА с ПР в эксплуатации на 1 блоке
Калининской АЭС в течение 5 лет.
Разработана топливная сборка ТВСА-12PLUS с оптимизированным размещением ДР
(шаг ДР - 340 мм) и обеспечением повышенной жесткости каркаса. Предусмотрено
использование твэлов увеличенной ураноемкости и применение перемешивающих решеток.
На основе оптимизационных проработок и исследований разработана более эффективная
ПР с размещением дефлекторов по схеме «прогонка», которая дает повышение критического
теплового потока за счет ПР на ~30%.
Выполнен большой объем исследований и обоснований, включая теплогидравлические,
механические и ресурсные испытания ПР. Теплогидравлическое обоснование ПР
выполнялось совместно ОКБМ, ФЭИ и НГТУ. Результаты исследований свидетельствуют
об эффективности конструкции ПР по интенсивности перемешивания и повышению
критического теплового потока.
Работы выполнялись по договорам с ОАО «ТВЭЛ».
Тепловыделяющая сборка ТВСА-Т для АЭС «Темелин»
В рамках контракта на поставку топлива для АЭС «Темелин» (Чехия) разработана
тепловыделяющая сборка ТВСА-Т с применением перемешивающих решеток и удлинением
топливного столба на 150мм.
Конструкция ТВСА-Т характеризуется применением комбинированных решеток.
Комбинированная двухярусная решетка состоит из ячейковой ДР и пластинчатой
перемешивающей решетки с дефлекторами потока, расположенных в одном ободе.
Комбинированные ДР обеспечивают выравнивание гидравлического сопротивления с
референсными ТВС в смешанной активной зоне и перемешивание теплоносителя по сечению
ТВС.
Таблица 1.
Основные характеристики и параметры ТВСА-Т
Наименование характеристики
Максимальная тепловая мощность активной зоны, МВт
Высота топливного столба, мм
Максимальная относительная мощность твэл
Максимальная линейная нагрузка на твэл, Вт/см
на высоте 0,5 Наз / на высоте 0,8 Наз
Максимальное выгорание по твэлам, МВт сут/кгU
Значение
3120
3680
1,63
448 / 375
72
Рис.1. Комбинированная решетка ТВСА-Т
Характеристики ТВСА-Т обеспечивают эксплуатацию в условиях гибкого
топливного цикла с уменьшенной утечкой нейтронов с возможностью
изменения длительности кампании в пределах 230-500 эфф. сут. Референсный
топливный цикл для ТВСА-Т – 5-годичный цикл с 36 ТВС подпитки
длительностью 320 эфф.сут.
Результаты эксплуатации ТВСА-Т на блоках АЭС «Темелин»
положительны. Успешная эксплуатация ТВСА-Т создала условия для
увеличения мощности блоков АЭС «Темелин» до 104% (до 3120 МВт) в рамках
экономически эффективного 5-годичного топливного цикла. Выполнено
обоснование повышения мощности блоков №1 и 2 АЭС «Темелин» до 104%.
Основные характеристики топливной сборки ТВСА-Т и параметры активной зоны на
мощности 104%Nном представлены в таблице 1.
В проекте и обосновании безопасности ТВСА-Т применена усовершенствованная
методика обоснования запасов до кризиса теплоотдачи с применением новой корреляции для
ПР типа «закрутка» CRT-1.
Задача совершенствования методики обоснования запасов до кризиса теплоотдачи
актуальна для обоснования перспективных ВВЭР, характеризующихся увеличением
мощности активной зоны и повышенными параметрами
Тепловыделяющая сборка ТВСА-12PLUS
Разработана топливная сборка ТВСА-12PLUS с оптимизированным размещением ДР
(шаг ДР - 340 мм) и обеспечением повышенной жесткости каркаса с увеличенной
ураноемкостью и улучшенными теплотехническими характеристиками за счет применения
ПР.
Конструктивные решения ТВСА-12PLUS:
 12 дистанционирующих решеток «арочного» типа высотой 35 мм;
 антивибрационный нижний узел;
 твэлы повышенной ураноемкости (высота топливного столба 3680
мм, топливная таблетка 7,8/0мм);
 обогащение по u235 – до 4,95%;
 разборность и ремонтопригодность конструкции;
 антидебрисный фильтр (опция);
 применение перемешивающих решеток (опция).
Рис.2. Перемешивающая решетка-интенсификатор
ПР – пластинчатая решетка с дефлекторами потока без функции
дистанционирования твэлов, устанавливается между основными ДР в
верхней части активной зоны (рисунок 2).
В ТВСА-12PLUS
сохраняются все эксплуатационные и
теплогидравлические положительные качества ТВСА. ТВСА-12PLUS
характеризуется низким гидравлическим сопротивлением и имеет резерв
на постановку ~3-5 перемешивающих решеток-интенсификаторов.
Совершенствование методики обоснования запаса до кризиса теплоотдачи
Статистический учет отклонений и неопределенностей
При обосновании теплотехнической надежности активных зон с ТВСА в режимах
нормальной эксплуатации (НЭ) и режимах нарушения нормальной эксплуатации (ННЭ)
применена вероятностная (статистическая) методика учета отклонений локальных
параметров и неопределенностей [3].
Статистический учет отклонений позволяет увеличить DNBR на ~10-12% по сравнению
с предельным детерминистским подходом.
Коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи DNBR определяется по соотношению:
qкр
(1)
DNBR 
 (1  DNBR )
qS
Полное отклонение для коэффициента запаса DNBR статистически учитывает
неопределенности, исходя из обеспечения уровня доверительной вероятности не менее 95%
и определяется через отклонения локальных параметров (xi), которые можно рассматривать
как независимые:
2
 DNBR 
 (x ) 2
(2)
DNBR(x 1 , x2 ,...xi )   
i



x
i 
i

Величины отклонений xi соответствуют доверительной вероятности не менее 0,95. Для
нормального закона распределения xi = 1,645·i,
Значение DNBR включает следующие отклонения и неопределенности:
– погрешность расчета критического теплового потока(КТП);
– неопределенность локального теплового потока;
– неопределенность локального подогрева;
- неопределенность кода и расчета нестационарных режимов..
Учет определяющих режимов нарушения нормальной эксплуатации ( ННЭ)
Критерий исключения кризиса теплоотдачи должен выполняться в режимах НЭ и ННЭ,
при этом лимитирующими являются режимы нарушения нормальной эксплуатации.
Соответственно, все усовершенствования методики расчета запаса до кризиса теплоотдачи
должны быть применены для анализа режимов ННЭ.
Расчет DNBR проводится для набора состояний, охватывающих параметры
определяющих режимов НЭ и ННЭ. Рассматриваются режимы ННЭ, являющиеся
определяющими по условиям охлаждения активной зоны - с повышением мощности,
уменьшением расхода теплоносителя, снижением давления в 1 контуре и повышением
входной температуры. Для каждого режима определяются коэффициенты чувствительности.
По результатам определяется максимальное значение DNBR.
С учетом режимов ННЭ в статистическую сумму (2) дополнительно включена
составляющая, связанная с погрешностью кода и нестационарного расчета.
При расчете DNBR в режимах ННЭ применяется ячейковая модель горячей ТВС
аналогично расчету режимов НЭ.
Исследования в обоснование ПР
Теплогидравлическое обоснование ПР выполнялось совместно ОКБМ, ФЭИ и НГТУ и
включало гидравлические
испытания
на
фрагментах
и
полномасштабном
макете, исследование смесительных свойств на крупномасштабной модели методом
пропанового трассера, исследование кризиса теплоотдачи на 19-стержневых моделях
и обоснование корреляции для критического теплового потока.
Исследование межъячейкового обмена и эффективности перемешивания теплоносителя
при использовании ПР проведено по заказу ОКБМ на аэродинамическом стенде НГТУ
методом пропанового трассера на 3 масштабных моделях:
– 19-стержневая модель ТВСА;
– 61-стержневая модель ТВСА;
– 57-стержневая модель фрагмента активной зоны, включающая сегменты трех соседних
топливных сборок и межкассетное пространство.
Исследования теплогидравлических характеристик и кризиса теплоотдачи проводились
на 19-стержневых моделях ТВСА-Т и ТВСА с ПР на двух водяных теплофизических стендах
– на стенде Л-186 ОКБМ и стенде СВД-2 ФЭИ.
Проведены оптимизационные проработки и исследования с целью повышения
эффективности ПР – оптимизация размера, угла наклона и размещения дефлекторов.
Выполнена оптимизация ПР с размещением дефлекторов по так называемой схеме порядная
«прогонка».
По результатам выполненных исследований показана более высокая эффективность ПР
типа «порядная прогонка» по значениям коэффициента перемешивания и эффекту
увеличения критического теплового потока по сравнению с ранее исследованной ПР с
размещением дефлекторов по схеме «закрутка» вокруг твэла.
В обоснование теплотехнических характеристик ТВСА с ПР типа «прогонка» был
выполнен комплекс экспериментальных исследований на электрообогреваемых 19стержневых сборках [2].
Испытания проводились в условиях равномерной и неравномерной (ступенчатой)
радиальной эпюры тепловыделений при следующих режимных параметрах:
– давление…………………………………………….9,8-16,7 МПа
– температура теплоносителя на входе в модель…..290-310°С
– массовая скорость…………………………………..1000-3900 кг/(м2.с)
Исследования эффективности ПР типа «прогонка» выполнены на 18-ти
19-стержневых моделях ТВСА на стенде ОКБМ Л-186, включая модели с тремя ПР и пятью
ПР с шагом ДР 510 и 340 мм (всего 1300 режимов).
Перемешивающие решетки размещались в верхней части моделей между ДР.
Исследования выполнялись в условиях равномерного и двух типов неравномерного
высотного распределения тепловыделения с максимумом в средней и верхней частях
моделей.
Анализ экспериментальных данных для сборок с тремя ПР с шагом ДР 510 мм показал,
что имеется повышение критической мощности на 10-12% (25-30% по критическому
тепловому потоку) по сравнению с моделями без ПР.
В экспериментах на моделях с тремя ПР с шагом установки ДР 340 мм получены
аналогичные результаты по повышению КТП, показывающие сохранение эффективности
ПР.
Установка трех ПР обеспечивает выравнивание распределения температуры по сечению
сборки за счет перемешивания теплоносителя. Снижение максимальной температуры
теплоносителя на выходе из наиболее напряженных ячеек в сборках с центральносимметричной радиальной неравномерностью энерговыделения при подогревах 50-60°С
составляет ~3-5°С, а при больших подогревах 80-90°С – до 8°С.
Р=13,2 МПа, pw=3000 кг/(м2*с)
3000
КТП эксперимент
КТП расчет с Fpr
2500
КТП, кВт/м2
КТП расчет по Безрукову
2000
1500
1000
500
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
Энтальпия, отн.ед.
Р=15,7 МПа, pw=3000 кг/(м2*с)
3000
КТП эксперимент
КТП, кВт/м2
2500
КТП расчет с Fpr
КТП расчет по Безрукову
2000
1500
1000
500
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
Энтальпия, отн.ед.
Рис. 3. Сопоставление корреляций для расчета КТП с экспериментальными данными
На рисунке 3 представлены значения КТП, рассчитанные по корреляции Безрукова Ю.А.
с учетом поправки, и экспериментальные значения. Из представленных графиков видно, что
расчетные значения критических тепловых потоков с учетом поправочной функции хорошо
совпадают с экспериментальными значениями для всего диапазона параметров.
Разработка и обоснование корреляции для расчета КТП
На основе результатов экспериментов на моделях ТВСА с ПР типа «прогонка»,
выполненных на теплофизическом стенде ОКБМ, получено поправочное соотношение для
корреляции Безрукова Ю. А., учитывающее увеличение критического теплового потока для
областей после ПР:
qcr  795  1  x n  wm  1  0,0185  P  *Fpr, кВт/м2,
(3)
где
х – относительное массовое паросодержание,
w – массовая скорость теплоносителя, кг/(м2·с),
P – давление, МПа;
Fpr – поправка на КТП для областей за ПР типа «прогонка»
Fpr=(1+A•ρwn)•(В +С•x)
(4)
Массив данных для получения поправочной функции, учитывающей эффект
перемешивающих решеток, включает ~370 экспериментальных значений КТП.
Обработка экспериментальных данных проводилась по ячейковой теплогидравлической
программе КАНАЛ. Учитывалось увеличение коэффициента межъячейкового обмена для
областей после перемешивающих решеток.
Среднеквадратическая погрешность расчета кризисных режимов с использованием
поправочного соотношения составляет 7,3%, а среднее отклонение по всем данным равно
нулю.
3000
2750
КТП расчетный, кВт/м2
2500
2250
2000
1750
1500
1250
1000
750
500
500
750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000
КТП экспериментальный, кВт/м2
Рис. 4. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений КТП для моделей
ТВСА-12PLUS с ПР типа «прогонка»
На рисунке 4 представлено сопоставление экспериментальных и рассчитанных с
использованием корреляции Безрукова Ю. А. и поправочного соотношения (4) значений
критического теплового потока.
Теплотехнические характеристики активной зоны на базе ТВСА с ПР
Наличие ПР приводит к выравниванию подогревов теплоносителя, снижению
локального паросодержания, увеличению DNBR, позволяет реализовать эффективные
топливные циклы с увеличенным энерговыделением твэлов и дает возможность
дополнительного повышения мощности активной зоны.
Влияние перемешивающих решеток на минимальные коэффициенты запаса для
действующих блоков ВВЭР-1000 в режиме работы на мощности 104%Nном представлено в
таблице 2.
Таблица 2
Минимальные коэффициенты запаса до кризиса теплоотдачи активных зон
с ТВСА-12PLUS без ПР и с ПР на мощности 104%
Тепловая мощность, МВт
Температура теплоносителя на входе, °С
Давление, МПа
Длина активной части, мм
Максимальная относительная мощность твэл (Кrmax)
Коэффициент распределения относительного
энерговыделения по высоте, Kz
Линейные нагрузки ql, Вт/см на высоте h=0,5Hаз (начало
кампании) и на высоте h=0,8 Hаз (конец кампании)
Минимальный коэффициент запаса до кризиса
теплоотдачи (без ПР/с ПР)
3120
290
15,7
3680
1,63
1,45
1,23
448
380
1,62/1,79
1,57/2,04
Проведенный анализ эффективности применения ПР в составе ТВСА-12PLUS в
активной зоне ВВЭР-1000 показал, что интенсификация теплообмена в верхней части
активной зоны (в области после постановки ПР) приводит к увеличению минимального
запаса до кризиса теплоотдачи на 10…20% в зависимости от вида распределения
энерговыделения и дает больший эффект для активных зон с высокой напряженностью.
Для перспективных ВВЭР оценка основных теплотехнических характеристик активной
зоны из ТВСА с ПР представлена в таблице 3.
Таблица 3
Основные теплотехнические характеристики активной зоны
из ТВСА с ПР для перспективных ВВЭР
Характеристика
Тепловая мощность, МВт
Температура теплоносителя на входе, °С
Давление, МПа
Длина активной части, мм
Максимальная относительная мощность твэлов
Максимальная линейная нагрузка твэл qlдоп, Вт/см
на высоте 0,5Наз / на высоте 0,8Наз
Минимальный DNBR
Значение
3300
298,6
16,2
3730
1,63
448 / 380
1,54
Температура на входе, оС
Применение ПР является необходимым условием обеспечения надежного охлаждения
твэл при реализации максимального фактора неравномерности Кrmax=1,63 на максимальном
уровне мощности 110%.
Применение ПР позволяет снизить эксплуатационные ограничения по локальной
нагрузке твэлов в верхней части активной зоны – qlдоп=380 Вт/см.
330
ТВСА с ПР
ТВСА без ПР
320
310
300
290
280
270
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
Относительная мощность реактора
Рис. 5 Пределы активной зоны для номинального режима по критерию
предотвращения кризиса теплоотдачи ( DNBR = 1,00 )
Наиболее наглядно теплотехнические эффекты ПР демонстрируются на пределах
активной зоны по условию предотвращения кризиса теплоотдачи (Core Thermal Limits),
представленных на рисунке 5. Применение ПР дает увеличение предела активной зоны по
мощности, соответствующего DNBR=1,00, на ~10%.
Для определения влияния ПР на характеристики кипения теплоносителя выполнено
сопоставление паросодержания по высоте наиболее напряженной ячейки ТВСА с ПР и без
ПР для режима работы на мощности 3300 МВт (рисунок 6).
Эффект снижения паросодержания за счет ПР увеличивается по высоте активной
зоны и достигает ~30% отн. на выходе из наиболее напряженной ячейки.
18
Паросодержание, %
16
ТВСА без ПР
ТВСА с ПР
14

12
10
8
6
Х
4
2
0
50
60
70
80
90
100
Высота активной зоны, %Наз
Рис 6. Распределение массового (Х) и объемного () паросодержания теплоносителя по
высоте горячей ячейки (Kr=1,63, Kq=1,45)
Относительная мощность твэл
Принимая во внимание распределение неравномерности мощности твэлов по
активной зоне («сенсус») для референсного стационарного топливного цикла 512 месяцев
(рисунок 7), можно оценить долю поверхности твэлов в активной зоне, находящихся в
условиях кипения.
1,5
1,0
0,5
0,0
0
20
40
60
80
100
Доля твэлов, %
Рис 7. Распределение твэл в активной зоне по мощности
Анализ распределения паросодержания по высоте и сечению ТВСА-Т, выполненный
для различных энерговыделений твэлов показал, что применение ПР в составе ТВСА-Т
позволяет снизить долю поверхности твэлов, находящихся в условиях кипения, с 4% до 1,5%
по отношению к активной зоне в целом. Снижение паросодержания в активной зоне важно
для повышения ресурса топлива и достижения высокого выгорания.
Таким образом, применение ПР в составе ТВСА с ПР (на примере ТВСА-12PLUS)
приводит к снижению паросодержания в «горячих» ячейках, улучшению условий работы
твэлов и повышению запасов до кризиса теплоотдачи.
На основе результатов выполненных исследований характеристики ТВСА с ПР дают
возможность повышения мощности активной зоны энергоблоков ВВЭР-1000 до 110% при
обеспечении допустимых энерговыделений твэл Krmax =1.63 (для реализации эффективных
топливных циклов).
Заключение
Обоснована конструкция пластинчатой перемешивающей решетки с дефлекторами
потока для ТВСА ВВЭР-1000, обладающая необходимой эффективностью.
ТВСА-АЛЬФА с ПР прошли эксплуатацию на 1 блоке Калининской АЭС в течение 5
лет.
С 2010 г. ТВСА-Т с ПР эксплуатируются в составе полных загрузок активных зон 1 и 2
блока АЭС «Темелин».
Разработана топливная сборка ТВСА-12PLUS с оптимизированным размещением ДР
(шаг ДР - 340 мм) и обеспечением повышенной жесткости каркаса. Предусмотрено
использование твэлов увеличенной ураноемкости и применение перемешивающих решеток.
Применение ПР приводит к выравниванию температуры по сечению сборки, снижению
доли поверхности твэлов, находящихся в условиях кипения, снижению локального
объемного паросодержания в наиболее напряженных областях ТВС на ~30%отн. и
повышению запасов до кризиса теплоотдачи до ~ 30%.
Конструкция ТВСА с использованием ПР позволяет обеспечить высокие техникоэкономические характеристики действующих энергоблоков ВВЭР-1000 и перспективных
ВВЭР и обеспечивает конкурентность российского топлива.
Список литературы
1.
2.
3.
О.Б. Самойлов, В.Б. Кайдалов, А.А. Фальков, В.А. Болнов, О.Н. Морозкин
«Тепловыделяющая сборка ТВСА-Т для АЭС «Темелин». Основные результаты
проекта и анализов безопасности. Направления развития». Сб. трудов
международной конференции «ВВЭР-2010, Опыт и Перспективы», Прага,
01-03.11.2010.
О.Б. Самойлов, А.И. Романов, А.А. Фальков, Д.Л. Шипов «Разработка и обоснование
ТВСА с перемешивающими решетками» Сб. трудов 7-й Международной научнотехнической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск,
2011.
А.А.Фальков, О.Б.Самойлов, Д.Л.Шипов, О.Н.Морозкин. Уточнение вероятностного
учета локальных отклонений при определении теплотехнических запасов в активной
зоне из ТВСА ВВЭР-1000. Сб. трудов 4-й Международной научно-технической
конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", Подольск, 2005.