ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ
(выпускной квалификационной работе ВКР)
НА ТЕМУ: Расчет работоспособности
тепловыделяющих элементов (твэлов) водо-водяного энергетического реактора
(ВВЭР)
Москва 2016
Содержание
Перечень сокращений и условных обозначений
Введение
. Проектные основы и проектные критерии работоспособности реакторов ВВЭР
.1 Проектные основы обоснования работоспособности твэлов
.2 Проектные критерии твэла
. Эксперименты на скачки мощности
.1 Особенности поведения твэлов в переходных режимах
.2 Методы проведения экспериментов на скачках мощности
.3 Анализ ВТО-разрушений в твэлах ВВЭР
.4 Описание экспериментов R1-R12 на скачки мощности
.5 Эксперимент R11 на твэлах ВВЭР-440 и его расчетное моделирование
.5.1 Описание эксперимента
.5.2 Определение линейных тепловых нагрузок в твэлах
.5.3 Результаты послереакторных исследований
.5.4 Подготовка к проведению расчета параметров ПМТ № 111
.5.5 Результаты расчетов базового облучения твэла № 111
.5.6 Результаты расчета характеристик твэла № 111 после скачка мощности
.6 Эксперимент на скачки мощности для топлива 3-его поколения без центрального отверстия ТВСА-АЛЬФА № ИД01077
.6.1 Описание эксперимента
.6.2 Расчетные исследования характеристик твэлов ТВСА-АЛЬФА № ИД01077 в сравнении результатами послереакторных исследований
.7 Эксперимент с твэгами ВВЭР-1000 ТВСА-АЛЬФА № ИД01077 (RAMP 2)
.7.1 Исходные данные базового облучения
.7.2 Результаты потвэльных расчетов базового облучения твэгов
.7.3 Результаты расчета характеристик твэгов после скачка мощности
. Расчетное исследование работоспособности твэлов3-его поколения АЭС «Дукованы»
.1 Проектные основы и проектные режимы работы АЭС «Дукованы»
.2 Построение огибающей кривой
.3 Вероятностный подход к обоснованию работоспособности твэлов
.4 Основные термины, используемые при обосновании методики вероятностного расчета
.5 Описание метода Монте-Карло
.6 Методика вероятностных расчетов
.7 Вероятностный расчет
Заключение
Список литературы
Перечень сокращений и условных обозначений
АЗ -аварийная защита
АЭС -атомная электростанция
ГПД -газообразные продукты деления
ВВЭР -водо-водяной энергетический реактор
ВТО -взаимодействие топливо-оболочка
ДПЗ -детектор прямой разрядки-датчик плотности потока нейтронов (отн.ед)
ДР -дистанционирующая решетка
Кассета АРК -кассета аварийной защиты, регулирования и компенсации
КРН -коррозионное растрескивание под напряжением
ЛВР
ЛМ
ЛТН -легководный водяной реактор
линейная мощность
-линейная тепловая нагрузка
НДС -напряженно-деформированное состояние
НК -направляющий канал
НЭ -нормальная эксплуатация
ННЭ -нарушение нормальной эксплуатации
НФХ -нейтронно-физические характеристики
ОР СУЗ
ОУ -органы регулирования системы управления и защиты
-облучательное устройство
ПМТ -полномасштабный твэл
ПЭЛ -поглощающий элемент
РУ -реакторная установка
РК -рабочая кассета
РФТ -рефабрикованый твэл
ТВС -тепловыделяющая сборка
твэл -тепловыделяющий элемент
Твэг -тепловыделяющий элемент с уран-гадолиниевым топливом
ТСП -термометр сопротивления платиновый
ТЭП -термоэлектрический преобразователь-датчик температуры топлива
УГТ -уран-гадолиниевое топливо-расчеты наилучшей оценки-расчеты наилучшей оценки с учетом неопределённости-силовое взаимодействие оболочки с топливом
RAMP -испытания на скачок мощности
Введение
Актуальность исследования. На современном этапе развития атомной энергетики важнейшей задачей является обеспечение безопасной и эффективной работы АЭС. Тепловыделяющий элемент - главный конструктивный элемент активной зоны ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В твэлах происходит деление тяжелых ядер U235, Pu239, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. Твэл должен обеспечить надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю и сохранить герметичность при эксплуатации в АЭС.
Обеспечение прочности оболочки твэла в условиях переходных режимов эксплуатации топлива с изменением мощности является важной задачей проектирования твэлов ВВЭР. Наиболее неблагоприятным моментом является наличие механического контакта между топливом и оболочкой на момент скачка мощности. Т.к. наблюдаемой сцепление топлива с оболочкой около трещины в топливе имеет существенное значение для возникновения локальных напряжений в оболочке твэла.
Работоспособность твэла в режимах со скачком мощности требует особого исследования. Основной метод исследования поведения твэлов в этих режимах - реакторные эксперименты, но важная роль отводится расчетным методам. Реакторные эксперименты дорогостоящи, занимают много времени на подготовку, облучение и послереакторные исследования. Поэтому расчетные методы моделирования незаменимы при планировании экспериментов облучения, интерпретации результатов испытаний и прогнозировании работоспособности твэлов в реальных условиях эксплуатации.
Исследование высоковыгоревших твэлов ВВЭР в переходных режимах эксплуатации стало предметом многочисленных экспериментальных работ, включающих тестовое до облучение полномасштабных, рефабрикованных и инструментованных твэлов, а также детальные после реакторные обследования. Эти работы проводились с целью выявления закономерностей физических процессов, протекающих в твэлах в ходе переходных режимов различной интенсивности и влияния этих процессов на работоспособность твэлов.
В последнее время решением этой проблемы успешно занимается одно из подразделений ОАО «ВНИИНМ» им А.А. Бочвара. Проводятся эксперименты по моделированию нестационарного поведения твэла ВВЭР при скачке мощности в исследовательском реакторе МИР, в условиях механического контакта между топливом и оболочкой, с максимальным выгоранием топлива до 60МВт·сут/кгU,со скачком мощности величиной до ~250 Вт/см.
Есть необходимость в обработке полученных результатов, проведении расчетного анализа экспериментов на скачки мощности, результаты которых будут использованы при обосновании работоспособности твэлов ВВЭР современных конструкций в различных режимах эксплуатации.
В последние годы возрастает интерес к разработке программных комплексов, обеспечивающих численный анализ безопасности РУ АЭС (реакторных установок атомных электростанций). Причем акцент смещается от консервативного подхода. В соответствии с требованиями МАГАТЭ и NRS [24]в настоящее время для успешного прохождения процедуры лицензирования ядерного топлива необходимо проводить обоснование работоспособности твэлов и твэгов с использованием BE кодов с оценкой неопределенностей расчетных параметров, так называемыйBEPU (BestEstimatePlusUncertainty) подходу.Вероятностная методика позволяет уменьшить консерватизм при обосновании работоспособности твэлов ВВЭР. Применение вероятностного подхода позволяет получить значения параметров более близкие к реальным их значениям, нежели при детерминистическом консервативном подходе.
Этим проблемам и посвящен данный дипломный проект.
Цель дипломной работы - провести расчетное моделирование экспериментов на скачки мощности в твэлах и твэгах в реакторе МИР. Выполнить расчетное исследование параметров работоспособности твэлов в стационарном и переходных режимах эксплуатации АЭС «Дукованы» на основе вероятностной методики.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить состояние вопроса на данном этапе;
провести анализ нейтронно-физических характеристик (НФХ) истории промышленной эксплуатации исследуемых твэлов и твэгов;
разработать утилиты для обработки входных и выходных данных расчетного кода;
сформировать входные расчетные данные, соответствующие сценарию эксперимента на скачок мощности в реакторе МИР;
произвести расчетное моделирование экспериментов на скачки мощности для твэлов и твэгов в реакторе МИР и сравнение полученных выходных данных с результатами послереакторных исследований исходных твэлов и твэгов;
сформировать входной файл, содержащий нейтронно-физические характеристики топлива для АЭС «Дукованы», составить схему перегрузок топливных кассет;
произвести выбор варьируемых параметров;
произвести анализ неопределенности расчетных параметров для нескольких наиболее нагруженных твэлов с применением методики BEPU;
изучить и проанализировать полученные в ходе расчетов данные.
В качестве входных данных для применения вероятностного метода расчета используются НФХ 30-ой -50-ой топливных загрузок 1 блока АЭС «Дукованы», предоставленные НИЦ «Курчатовский институт» в виде бинарных файлов.
Достоверность результатов исследования подтверждается экспериментальными данными.
Научная новизна работы:
1 на базе современного твэльного кода были проведены расчетные исследований параметров работоспособноститвэлов 3-его поколения с топливом с таблеткой без центрального отверстия, предполагаемых к поставке на 1 блок АЭС «Дукованы»;
2 для расчетных исследований параметров работоспособности твэлов 3 поколения применен перспективный метод расчета, основанный на вероятностной методикеBEPU;
впервые проведены расчетные исследования поведения твэгов в эксперименте на скачок мощности в эксперименте RAMP 2 и в твэлах в эксперименте RAMP11.
Практическая значимость результатов работы.
Разработаны новые алгоритмы и программы обработки входных и выходных данных экспериментов на скачки мощности.
Результаты расчетного моделирования эксперимента RAMP11 на скачок мощности для полномасштабных твэлов ВВЭР-440, отработавших на Нововоронежской АЭС, а так же эксперимента RAMP 2 для полномасштабных твэгов ТВСА-АЛЬФА ВВЭР-1000, отработавших на Калининской АЭС, применены для расчетных исследований параметров работоспособности твэлов современных конструкций ВВЭР.
Результаты расчетов по вероятностной методике параметров
работоспособноститвэлов 3-его поколения ВВЭР-440с таблеткой без центрального
отверстия будут представлены в материалах в рамках выполнения контракта на
поставку топлива ОАО«ТВЭЛ» для АЭС «Дукованы».
1. Проектные основы и проектные критерии работоспособности реакторов ВВЭР
1.1 Проектные основы обоснования работоспособности твэлов
Процесс проектирования направлен на предотвращение различных форм разрушения конструкции тепловыделяющих элементов и выполнение ими ряда функциональных требований.
Основные требования к твэлам, вытекающие из документов рос. технадзораи аналогичных документов, используемых при разработке и лицензировании зарубежных легководных реакторов, заключаются в следующем:
- обеспечивать в составе РК и ТВС кассеты АРК способность выдерживать механические нагрузки в соответствующих проектных режимах;
- обеспечивать наличие барьера, разделяющего топливо, продукты деления и теплоноситель в режимах НЭ и ННЭ;
- выдерживать коррозионные, электрохимические, тепловые, механические и радиационные воздействия на материалы;
- обеспечивать приемлемый расход теплоносителя и теплопередачу в проектных режимах;
- обеспечивать работоспособность в составе топливной сборки.
Выполнение этих требований обеспечивается тем, что технические решения как по конструкции и технологии изготовления тепловыделяющих элементов, так и по режимам их эксплуатации принимаются с учетом основных известных факторов, причин и механизмов разрушения твэлов/твэгов при проектном отсутствии повреждений в нормальной эксплуатации и при нарушениях нормальной эксплуатации.
Тепловыделяющие элементы считаются способными выполнить свое
функциональное назначение при условии, что их конструкция удовлетворяет
приведенному выше списку требований. Поскольку эти функциональные требования
носят достаточно общий характер, то для оценки их выполнимости принимаются
специальные проектные критерии.
.2 Проектные критерии твэла
Используемые проектные критерии должны обеспечивать работоспособность, как самих тепловыделяющих элементов, так и их надежность как элемента конструкции кассеты. Поэтому часть критериев устанавливается конструктором кассеты, а остальные являются результатом анализа условий эксплуатации, физических процессов в твэле и твэге, свойств конструкционных материалов.
Для подтверждения выполнимости проектных основ в НЭ и ННЭ используются четыре группы проектных критериев - прочностные (SC), деформационные (DC), теплофизические (TC) и коррозионные (KC).
Прочностные критерии:
- SC1 - Коррозионное растрескивание под напряжением в присутствии агрессивных продуктов деления;
- SC2 - Предельные эквивалентные напряжения в оболочке;
- SC3 - Потеря окружной устойчивости оболочки от перепада давления;
- SC4 - Усталостная и длительная прочность оболочки;
- SC5 - Предельная остаточная деформация оболочки.
Деформационные критерии:
- DC1 - Предельное значение изменения диаметра оболочки;
- DC2 - Предельное значение удлинения твэла.
- Теплофизические критерии:
- TС1 - Предельная температура топлива;
- TС2 - Предельное значение давления газов под оболочкой твэла;
Коррозионные критерии:
- KC1 - Окисление наружной поверхности оболочки;
- КС2 - Гидрирование оболочки.
Выполнение критериев, согласно требованиям нормативных документов, подтверждается расчетными исследованиями с использованием лицензированных для проектных работ термомеханических кодов, либо специальными экспериментами, с учетом опыта эксплуатации и послереакторных исследований.
Расчетное моделирование твэлов в экспериментах на скачки мощности в реакторе МИР позволяют определить допустимые значения ряда прочностных критериев работоспособности твэлов.
тепловыделяющий нейтронный мощность реактор
2. Эксперименты на скачки мощности
.1 Особенности поведения твэлов в переходных режимах
Для изучения поведения твэлов новых конструкций в переходных режимах проводится ряд специальных испытаний в исследовательских реакторах. Одним из видов испытаний является скачкообразное увеличение мощности (в зарубежной литературе - RAMP). Эксперимент предусматривает подъем мощности после продолжительной работы твэлов на пониженном уровне со скоростью, превышающей скорость релаксации напряжений в оболочке твэла, которые возникают за счет воздействия на нее топливного сердечника. Сценарий эксперимента отражает тот факт, что возможные процессы повреждения тепловыделяющих элементов могут развиваться только при наличии термомеханического взаимодействия топлива с оболочкой, то есть критерием опасности переходного режима может являться появление дополнительных растягивающих напряжений в оболочке твэла и твэга.