В первом случае количество воды увеличивается за счет уменьшенной толщины оболочки твэл, в основном, уменьшением ее наружного диаметра, во втором - дополнительный эффект получается из-за уменьшения числа твэл в ТВС и загрузки топлива. В обоих случаях уменьшается поверхность охлаждения твэл и увеличиваются поверхностные удельные нагрузки.
Во втором случае возрастают и линейные нагрузки. Кроме того, для увеличения загрузки топлива в твэл исключаются отверстия в таблетках. В результате этого возрастают средняя температура топлива и количество аккумулированного тепла в двуокиси урана.
Установленные расчетным путем количественные изменения характеристик позволяют сделать вывод, что некоторые параметры, сравниваемые с соответствующими критериями, имеют незначительные отклонения и, по-видимому, приемлемы (запас до кризиса теплоотдачи, давление под оболочкой твэл и др.) Другие как, например, коэффициенты реактивности по температуре замедлителя, хотя и имеют небольшие изменения по величине, однако, изменяют свой знак (- на +), что в соответствии с российскими нормами вообще для ВВЭР недопустимо (в критическом состоянии), и требуется введение выгорающего поглотителя в топливо. Третьи параметры заметно изменяют численные значения (например, температуры двуокиси в центре таблеток), и, хотя они остаются приемлемыми для стационарного режима работы, могут заметно увеличить температурный выбег оболочек в аварийных процессах с течью I контура и повлиять на число твэл, разгерметизирующихся в таких случаях, а значит и на суммарный выход активности в реакторное помещение и в окружающую среду. Это особенно важно учитывать в анализах безопасности, т.к. аварийный режим может происходить при увеличенной глубине выгорания в новом топливе (что является основной целью вносимых изменений), когда при переходе через определенное граничное значение резко возрастает выход продуктов деления из двуокиси урана под оболочку твэл уже в стационарном режиме.
При аналогичной схеме размещения ТВС в активной зоне (отечественного производства и зарубежного поставщика) имеет место значительное различие в неравномерности распределения энерговыделения при увеличенной продолжительности топливного цикла в случае измененных ТВС. Если изменить схему размещения ТВС с целью выравнивания распределения энерговыделения, эффект от внесенных изменений уменьшается.
При проведении анализов реактивностных аварий (выброс органа СУЗ) следует особое внимание уделять не только достигаемым параметрам процесса, но и специфике поведения облученного материала оболочек твэл зарубежной поставки. Известны данные [ 3], согласно которым облученный циркаллой-4 допускает существенно более низкую энтальпию энерговыделения, чем облученный сплав Э-110. Вследствие этого конечной целью анализа реактивностной аварии должно быть не только вычисление средней энтальпии по радиусу таблетки, максимальных температур оболочек и % толщины их окисления, а определение увеличенного числа разгерметизирующихся твэл и выброса активных продуктов деления в сравнении с проектным случаем.
Аналогичные расчеты по указанным направлениям проводились и проводятся для ТВС реактора ВВЭР-1000.
В таблицах 1 и 2 представлены некоторые результаты нейтронно-физических, теплогидравлических и термомеханических расчетов применительно к твэлам, ТВС и активным зонам реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.
Некоторые расчетные значения параметров указывают на необходимость дальнейших анализов безопасности для определяющих проектных режимов. Эти анализы проводятся в настоящее время, причем конечной целью намечено получение количественных характеристик по числу разгерметизирующихся твэл и по выбросам активности в постулируемых авариях и сопоставление их с действующими в настоящее время нормативными пределами (в частности, с гайдом YVL6.2 (Финляндия), согласно которому число повреждающихся твэл не должно превышать 10% от полного количества в постулируемых авариях класса 2).
Из сказанного выше не следует, что совершенствование топлива для ВВЭР с учетом повышающихся требований по обеспечению безопасности в новых проектах нецелесообразно. Наоборот, соответствующие проработки должны проводиться, в том числе и применительно к эксплуатируемым реакторам. Но одновременно с необходимым углублением исследований по традиционным конструкциям необходимо расширить объем поисков и при более решительных изменениях конструкции твэл и ТВС, поскольку это может привести к положительным результатам по многим показателям при соизмеримых затратах средств. Например, радикально уменьшить диаметр твэлов в реакторх ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 [4 ].
Таблица 1
Некоторые исходные характеристики и результаты расчетов для ТВС реактора ВВЭР-440
| Поставщики ТВС | ||||
| ОАО ?МСЗ¦ | BNFL | EVF | W | |
| Исходные характеристики1. Размер чехла ТВС ?под ключ¦, мм. | 143,0 | 144,2 | 144,2 | 143,0 |
| 2. Наружный диаметр твэл, мм. | 9,10 | 8,90 | 8,80 | 8,80 |
| 3. Количество твэл в ТВС. шт. | 126 | 126 | 120 | 126 |
| 4. Диаметр топливной таблетки, мм. | 7,59 | 7,63 | 7,53 | 7,57 |
| 5. Толщина оболочки твэл, мм. | 0,67 | 0,55 | 0,55 | 0,57 |
| 6. Диаметр центрального отверстия в таблетке, мм. | 1,20 | - | - | - |
| 7. Шаг твэл в решетке, мм. | 12,20 | 12,28 | 12,28 | 12,20 |
| Расчетные характеристики8. Достигаемая глубина выгорания топлива, МВт.сут/кг. урана | 33,00*37,84* | 34,6039,45* | 35,2040,15* | 34,40 |
| 9. Максимальный коэффициент неравномерности в мощности ТВС* и твэл в ТВС | 1,31*1,125 | 1,34*1,105 | 1,44*1,069 | 1,126 |
| 10. Максимальная мощность твэл, квт | 46,4* | 47,4* | 50,5* | - |
| 11. *Коэффициент реактивности по температуре воды, оС-1 (начало цикла, 260оС) | -3,6? 10-5 | - 3,2 10-5 ` ` ` | +1,0? 10-5 | - |
| 12. *Минимальный запас до кризиса теплообмена. | 3,10 | 3,95 | 2,60 | - |
| 13. Максимальная температура топлива, о K. | 13481483* | 14011652* | 13781703* | 1425 |
| 14. Окружная остаточная деформация оболочек твэл, %. | -0,36 | - 0,46 | -0,45 | - |
* Трехмерные расчеты
Таблица 2
Некоторые исходные характеристики и результаты расчетов для ТВС реактора ВВЭР-1000
| Поставщики ТВС | |||
| ОАО ?МСЗ¦ | EVF | W | |
| Исходные характеристики1. Шаг размещения ТВС. мм | 236 | 236 | 236 |
| 2. Наружный диаметр твэл, мм. | 9,10 | 8,90 | 9,14 |
| 3. Количество твэл в ТВС. шт. | 312 | 312 | 312 |
| 4. Диаметр топливной таблетки, мм | 7,57 | 7,43 | 7,84 |
| 5. Толщина оболочки твэл, мм. | 0,63 | 0,60 | 0,57 |
| 6. Диаметр центрального отверстия, мм | 2,20 | - | - |
| 7. Шаг твэл в решетке, мм | 12,75 | 12,75 | 12,75 |
| Расчетные характеристики8. Достигаемая глубина выгорания топлива, МВт.сут/кг урана | 39,0 | 40,0 | 38,8 |
| 9. Максимальный коэффициент мощности твэл в ТВС | 1,053 | 1,056 | 1,062 |
| 10. Минимальный запас до кризиса теплообмена | 2,72 | 2,78 | 2,92 |
| 11. Максимальная температура топлива, K о | 1733 | 1899 | 2212 |
| 12. Максимальное давление в твэле, МПа | 6,46 | 5,94 | 5,54 |
| 13. Окружная остаточная деформация оболочек твэл, % | -0,434 | -0,419 | -0,371 |
Список литературы
Development of a New VVER-440 Fuel Design, David Concill, Totju Totev, The Nuclear Engineering, V.40, No. 3.
Future fuel: Vattenfall-s new approach. The Nuclear engineering, September 1997, p.25-28.
Special issue of ?Nuclear Safety, V. 37, No 4, 1996.
?Основные преимущества и возможные пути перевода реактора ВВЭР-440 на ТВС с твэлами уменьшенного диаметра, Лунин Г.Л. и др. (РНЦ ?КИ¦), Панюшкин А.К. и др.(ОАО¦МСЗ¦), Афров А.М. и др.( ОКБ), Сборник докладов международной конференции ?Ядерное топливо для человечества, 5-8.10.98, г.Электросталь, Россия.