ВВЭР-1000 Активная зона

Назначение и проектные основы

Активная зона предназначена для генерации тепла и передачи его с поверхности тепловыделяющих элементов (твэлов) теплоносителю первого контура.

Таблица 3

Основные конструкционные характеристики активной зоны ВВЭР-1000

Эквивалентный диаметр, мм		3120
Высота, мм		3550
Объём, м3		27
Отношение площади замедлителя к площади топлива в поперечном сечении активной зоны		2
Шаг между топливными сборками, мм		241
Рабочее давление, МПа		16
Температура те- плоносителя, °С	на входе в реактор	289
	на выходе из реактора	320
Расход теплоносителя через реактор, кг/с		19000
Гидравлическое сопротивление активной зоны, МПа		0,18
Гидравлическое сопротивление реактора, МПа		0,4
Температура теплоносителя на выходе из максимально нагруженной сборки, °С		310
Загрузка ректора топливом, кг		75000
Обогащение топлива, %		4,4–3,3
Скорость тепло- носителя, м/с	в патрубке реактора (вход/выход)	9,8/11
	в активной зоне (средняя)	5,5
Среднее время работы между перегрузками топлива, с		25,2´106
Средняя удельная энергонапряженность объема активной зоны, кВт/л		111
Число механизмов регулирования		109

Активная зона реактора относится к устройствам нормальной эксплуатации и к первой категории сейсмостойкости.

Активная зона реактора обеспечивает выполнение следующих требований, вытекающих из нормативно-технической документации в области безопасности АЭС:

непревышение допустимых пределов повреждения оболочек твэлов в ТВС в пределах проектного срока службы;
поддержание требуемой геометрии положения твэлов в ТВС и ТВС в реакторе;
возможность осевого и радиального расширения твэлов и ТВС при температурных и радиационных воздействиях, разности давлений, взаимодействия топливных таблеток с оболочкой;
прочность при воздействии механических нагрузок в проектных режимах;
выбростойкость при воздействии потока теплоносителя, с учетом перепада и пульсации давления, нестабильности потока, вибрации;
стойкость материалов против коррозионных, электрохимических, тепловых, механических и радиационных воздействий;
непревышение проектных значений температуры топлива и оболочки;
отсутствие кризиса теплообмена в постулированных проектом ре- жимах;
стойкость СУЗ в пределах проектного ресурса от воздействия ней- тронного потока, температуры, перепада и изменения давления, износа и ударов, связанных с перемещениями;
возможность размещения внутри ТВС контролирующих датчиков;
взаимозаменяемость свежих, частично и выгоревших до необходимой глубины ТВС и ПС СУЗ благодаря унификации установочных размеров;
выполнение критериев аварийного охлаждения активной зоны в соответствии с действующей нормативно – технической докумен- тацией в проектных режимах;
предотвращение расплавления топлива;
сведения к минимуму реакции между металлом и водой;
перевод активной зоны в подкритическое состояние, его поддержание в пределах определенных проектом;
возможность послеаварийного расхолаживания активной зоны. Для режимов нормальных условий эксплуатации установлен эк-

сплуатационный предел повреждения твэлов – за счет образования микротрещин с дефектами типа газовой неплотности оболочки не должен превышать 0,2 % твэлов и 0,02 % твэлов при прямом контакте ядерного топлива с теплоносителем.

Для режимов нарушения условий нормальной эксплуатации установлен предел безопасной эксплуатации твэл.

Предел безопасной эксплуатации по количеству и величине дефектов твэл составляет 1 % твэлов с дефектами типа газовой неплотности и 0,1 % твэлов, для которых имеет место прямой контакт теплоносителя ядерного топлива.

Критерием допустимости установленных пределов повреждаемо- сти твэлов является величина активности воды первого контура.

В качестве эксплуатационного предела выбрано значение суммар- ной удельной активности радионуклидов йода 131-135 в теплоносителе I контура 3,7.107 Бк/кг (1,0.10–3 Ки/кг). Пределом безопасной эксплуатации является максимальная суммарная удельная активность радио- нуклидов йода 131-135 в теплоносителе I контура 1,85.108 Бк/кг (5.10–3 Ки/кг). Суммарная удельная активность радионуклидов йода 131-135 в теплоносителе I контура должна определяться в пересчёте к проектному расходу на очистку 30 т/ч и коэффициенте очистки фильтров по изотопам йода не менее 10.

Для аварийных ситуаций установлен максимальный проектный предел повреждения твэлов:

температура оболочек твэлов не более 1200 °С;
локальная глубина окисления оболочек твэлов не более 18 % от первоначальной глубины стенки;
доля прореагировавшего циркония не более 1 % его массы в активной зоне.

Непревышение проектных пределов повреждения твэлов в режи- мах нормальной эксплуатации обосновываются путем проверки вы- полнения следующих критериев теплотехнической надежности охлаж- дения активной зоны:

коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи должен быть не менее 1,0 с доверительной вероятностью не менее 95 %;
температура топлива должна быть ниже температуры плавления топлива (последняя принимается равной 2600 °С с учетом выгора- ния топлива);
температура оболочки твэла должна быть не более длительно допустимой температуры 350 °С.

Состав и общее описание

Активная зона состоит из 61 регулируемых, 102 нерегулируемых кассет, из них при трехгодичной компании не более 54 кассет содержат пучки СВП.

Регулируемая кассета содержит тепловыделяющую сборку и пучок ПЭЛ.

Кассета с пучком СВП содержит тепловыделяющую сборку и пучок, унифицированный по присоединительным и габаритным размерам с пучком ПЭЛ.

Нерегулируемая кассета содержит только тепловыделяющую сборку. Активная зона собирается установкой кассет в соответствии с кар-

тограммой загрузки в опорные стаканы шахты реактора.

Предотвращение ТВС от всплытия и уменьшение вибрации обеспечено посредством поджатия подпружиненной головки ТВС крышкой реактора через БЗТ. Дистанционирование ТВС в плане обеспечено посадкой концевых деталей ТВС в плите БЗТ и в днище шахты ВКУ.

ТВС состоит из пучка твэлов, головки, хвостовика.

ТВС содержит твэлы, соединенные дистанционирующими решетками и закрепленные на нижней несущей решетке, направляющие каналы для ПС СУЗ и центральную трубку, на которой фиксируются дистанционирующие решетки и в которой может размещаться КНИ.

Твэлы расположены по треугольной разбивке. Твэлы – гладко- стержневого типа, цилиндрической формы. Оболочка твэла имеет диаметр 9,1 +0, 08мм, внутренний диаметр 7,72 + 0,07 мм. Длина твэла 3837 мм.

–0,05мм

Длина топливного столба в холодном состоянии 3530 мм. (рис. 10).

Оболочка и концевые детали выполнены из сплава циркония с 1 % ниобия так называемый сплав Э 110.

Рис. 10. Тепловыделяющий элемент (твэл)
Дистанционирование твэлов осуществляется решетками «сотового» (ячеистого) типа. Решетка представляет собой набор ячеек, приваренных друг к другу и заключенных в обод, имеющий скосы для исключения возможности зацепления соседней кассеты при загрузке выгрузке.
На месте центральной ячейки установлена втулка для крепления дистанционирующих решеток к центральной трубке.
Нижняя решетка является упорной для твэлов. Крепление твэлов к нижней решетке осуществляется шплинтовкой.
Нижняя решетка крепится к хвостовику посредством приварки шести уголков и подкрепляется ребрами, приваренными к хвостовику ТВС.

Конструкцией, воспринимающей осевые усилия, действующие на ТВС, является каркас, состоящий из направляющих каналов, закре- пленных на головке и нижней решетке ТВС посредством сварки.

В гнездо днища шахты ТВС устанавливается хвостовиком, опираясь шаровой поверхностью на конусную часть гнезда. Для ориентации в плане на хвостовике ТВС имеется фиксирующий штырь.

Головка ТВС содержит неподвижную часть, которая посредством сварки закреплена на направляющих каналах, и подвижную, которая соединяется с неподвижной тремя несущими винтами.

Между подвижной и неподвижной частями размещены 15 пружин для поджатия ТВС в реакторе. Кроме того, имеется подпружиненный шток для демпфирования падения ПС СУЗ.

Усилие поджимаемых пружин выбрано из условия удержания ТВС от всплытия при эксплуатации (с учетом технологических допусков на высоту канала, в который устанавливается ТВС, и на высоту ТВС). При этом запас на максимальное гидродинамическое усилие поджатия при максимальном расходе теплоносителя по ТВС составляет свыше 20 %. Равнодействующая всех сил, приложенных к ТВС, при работе четырёх ГЦН направлена вниз с усилием 850...950 кг.

Для обеспечения быстрого прекращения ядерной реакции, автоматического поддержания мощности на заданном уровне и перевода реактора с одного уровня мощности на другой, предупреждения и по- давления ксеноновых колебаний реактивности поглощающие стержни системы управления и защиты – ПС СУЗ.

ПС СУЗ состоит из ПЭЛов, захватной головки (траверсы), пружин индивидуальной подвески ПЭЛов.

ПЭЛ представляет собой стержень, состоящий из оболочки, заполненной поглощающим материалом и заглушенной наконечниками.

Головка ПС СУЗ представляет собой втулку с ребрами, на которых выполнены отверстия для подвески ПЭЛ.

Стержни выгорающего поглотителя (СВП) служат для выравнива- ния поля энерговыделения по радиусу активной зоны и для компенса- ции запаса реактивности.

Пучок СВП состоит из стержней СВП и захватной головки (тра- версы). В отличии от крепления ПЭЛов, в захватной головке СВП крепятся без пружин. Конструктивно СВП представляет собой, также как и ПЭЛ, стержень, состоящий из оболочки и поглощающего материала выгорающего поглотителя.

В качестве ядерного топлива используется двуокись урана UO₂. Основные достоинства двуокиси урана – высокая температура плавле

ния (около 2800 °С); достаточная радиационная стойкость при больших выгораниях, совместимостью с материалом оболочек твэл и химиче- ская инертность по отношению к воде при рабочих температурах теплоносителя. Однако, с нейтронно-физической и теплофизической то- чек зрения двуокись урана имеет и некоторые недостатки, основные из них – низкие теплопроводность и плотность.

Двуокись урана применяют в виде топливных таблеток. Таблетки двуокиси урана изготавливают по методу порошковой металлургии (прессование мелкого порошка двуокиси урана с пластификатором, сушка, гранулирование, прессование, сушка, спекание, шлифование). Таблетки закладывают в трубку из циркониевого сплава. По концам твэла в трубке помещаются разрезные втулки из сплава Э 110, которые удерживают столб таблеток в оболочке в определённом положении. Заполнение оболочки таблеток производится в атмосфере аргона и гелия, герметизация концов твэла осуществляется электронно-лучевой свар- кой, швы подвергаются отжигу, затем проводят контроль качества изготовления твэла.

Загрузка ВВЭР-1000 по урану составляет приблизительно 70 тонн, среднее обогащение по активной зоне у установившемся режиме

~ 3,0...3,3 %, что приблизительно соответствует 2100 кг по изотопу U235. Для ВВЭР-1000 средняя температура топлива составляет 876 °С. При этом средние температуры таблетки: UO₂ таковы: наружная температура сердечника : min/max = 606/414 °С, внутренняя сердечника: min/max = 1407/620 °С. На внешней стороне оболочки твэла максимальная температура, установленная ТРБЭ, составляет 350 °С, ей соответствует температура на внутренней поверхности оболочки твэла 410 °С. При нормальных условиях эксплуатации 98 % газообразных продуктов деления (Xe, Kr, Ra, J, Cs) содержится в топливной матрице UO₂. При температуре топлива свыше 1600 °С выход газообразных продуктов деления резко возрастает. Отсюда вытекает требование ТРБЭ по ограничению температуры 1690 °С в середине топливного сердечника. В процессе работы топлива наблюдается объемное распухание топливных таблеток из-за накопления продуктов деления и увеличивается давление газообразных осколков деления под оболочкой. Распухание топлива компенсируется созданием радиального и высотного зазора между топливом и оболочкой. Кроме этого, зазоры компенсируют раcширение топлива при переходе от холодного к рабочему состоянию. Для компенсации колебаний объема двуокиси урана при изменениях уровня мощности реактора и ее перераспределения в центральной части топливных таблеток выполнены осевые отверстия. Одновременно центральные отверстия служат приемником для газообразных продуктов деления, а также несколько снижают максимальную температуру топлива в твэлах.

Надежная герметичность оболочек тепловыделяющих элементов, предотвращающая выход радиоактивных осколков деления из топлива, гарантирует радиационную безопасность атомной электростанции и окружающей местности. Герметичность оболочек должна сохраняться в течение всего срока работы ТВС в реакторе и последующего хранения отработавшего топлива до отправки на переработку. В связи с этим свойства материала оболочек твэлов должны удовлетворять требованиям коррозионной стойкости, прочности и пластичности в условиях нормальной работы реактора и максимального разогрева в аварийных ситуациях. Одним из основных требований к материалу оболочек твэлов является малое сечение захвата нейтронов.

В качестве такого материала используется цирконий. Преимущество циркония заключается в удачном сочетании ядерных и физических характеристик с механическими и коррозионными свойствами.

Цирконий коррозионно стоек в большинстве сред, применяемых в качестве теплоносителей ядерных реакторов, и достаточно технологичен. Наибольшее распространение в реакторах типа ВВЭР получил сплав циркония с одним весовым процентом ниобия (сплав Э 110).

Описание конструкции

Активная зона реактора набирается из вертикально расположенных тепловыделяющих сборок (ТВС) шестигранной формы, устанавливаемых цилиндрическими хвостовиками в гнезда опорных труб днища внутрикорпусной шахты.

На рис. 11 представлена картограмма активной зоны с указанием расположения групп ОР СУЗ, термопар (ТП), КНИ, секторов симметрии, осей центрального зала, циркуляционных петель.

Ориентация ТВС в плане однозначная и определяется посадкой в паз опорной трубы пальца на хвостовике ТВС. Фиксация головок ТВС и удержание ТВС от всплытия и вибрации во всех случаях эксплуата- ции реактора, включая возможные аварийные ситуации, выполняется при помощи нижней плиты блока защитных труб.

В ТВС реакторов ВВЭР-1000 с РУ проекта В-320 в качестве регулирующего органа применен пучок (кластер) поглощающих стержней, который с помощью привода СУЗ может перемещаться по высоте активной зоны в специальных каналах, размещенных в головках и то- пливных сборках.

Рис. 11. Картограмма активной зоны реактора ВВЭР-1000

При работе реактора, извлеченные из ТВС пучки поглощающих стержней размещаются в защитных трубках БЗТ. На реакторах ВВЭР-1000 с РУ проекта В-320 применена бесчехловая ТВС. Тепловые сборки реактора ВВЭР-1000 с РУ проекта В-320 рассчитаны на работу при двухгодичной и трехгодичной компании топлива. Для варианта активной зоны с трехгодичной компанией топлива в свежих кассетах с обогащением 4,4 % (не более чем в 54 шт.) устанавливаются стержни с выгорающим поглотителем (СВП).

Все топливные сборки могут устанавливаться в реактор и извлека- ться из него как вместе с регулирующими стержнями и пучками СВП, так и без них.

Головка ТВС (рис. 12) состоит из неподвижной части – хвостовика, который приваривается к каналам, и подвижной части обечайки, соединяющейся с неподвижной частью тремя несущими винтами. Между этими двумя частями установлены 15 пружин, служащие для

предотвращения всплытия, вибрации и компенсации технологических допусков ТВС и внутрикорпусных устройств при работе реактора.

Рис. 12. Габаритные размеры ТВС

На наружной части обечайки имеются две шпонки (каждая шири- ной 22 мм, длиной 100 мм, высотой 16,2 мм), предназначенные для ориентации ТВС в реакторе, а также для захвата и транспортировки ТВС (с кластером или без него). Головка ТВС имеет центральный подпружиненный шток для уменьшения динамических нагрузок на траверсу и поглощающие стержни, возникающих при сбросе кластера.

Рис. 13. Верхняя часть ТВС

Топливная часть ТВС реактора ВВЭР-1000 содержит 312 твэл, соединенных дистанционирующими решетками и закрепленных на ни- жней решетке, 18 направляющих каналов для поглощающих стержней (кластера) и центральную трубку. Дистанционирование твэл осуществляется решетками «сотового» (ячеистого) типа. Решетка представляет собой набор ячеек приваренных друг к другу и заключенных в обод, имеющий скосы для исключения возможности зацепления соседних ТВС при загрузке-выгрузке.

Твэлы в дистанционирующей решетке расположены по треугольной разбивке. На месте центральной ячейки решетки установлена втулка для крепления дистанционирующих решеток в пучке твэл, а также для установки в нее датчика замера энерговыделения. Крепления решеток к центральной трубе осуществляется обжатием центральных втулок в прорези на центральной трубе. Нижняя решетка в ТВС является опорной для твэл.

Твэлы в ТВС имеют возможность свободного радиационного (на 35 мм) и температурного роста до достижения значения температуры 1200 °С, выбранной в качестве максимального проектного предела повреждения твэлов, согласно ПБЯ РУ АС-89. Это обеспечивается существованием зазора между нижней решёткой головки и верхними торцами твэлов в исходном состоянии равного 55 мм.

Хвостовики ТВС имеет цилиндрическую направляющую часть, сферическую опорную часть и фиксатор (палец) для ориентации ТВС в плане.

Транспортно-технологические операции с ТВС, т. е. извлечение ТВС из реактора, транспортировка ТВС и установка их в бассейн выдержки и перегрузки, в пеналы КГО выполняются при помощи рабочей штанги перегрузочной машины. При этом, под слоем борного раствора, захват рабочей штанги перегрузочной машины сцепляется с головкой ТВС.

ТВС при помощи штанги поднимается на необходимую высоту, транспортируется в вертикальном положении и устанавливается в за- данную ячейку. Указанные операции контролируются при помощи телевизионной штанги перегрузочной машины. Обязательный телеконтроль (визуальное наблюдение) производится с постоянного пульта перегрузочной машины.

Извлечение из ТВС, транспортировка и установка в ТВС класте- ров выполняется при помощи чехла кластера, который в вертикальном положении предварительно сцепляется с рабочей штангой перегрузоч- ной машины и устанавливается на головку ТВС.

Конструкция чехла кластера, кроме концевых деталей, аналогична конструкции защитной трубы блока защитных труб (БЗТ), то есть в нем, как и в защитных трубах БЗТ, размещены направляющие каркасы, обеспечивающие устойчивость ПЭЛ и исключающие их застревание при вертикальном перемещении кластеров. Внутри рабочей штанги перегрузочной машины имеется захват кластера, концевая часть которого ответствует концевой части промштанги привода ШЭМ.

После сцепления чехла кластера с головкой ТВС, при помощи зах- вата кластера, кластер стягивается в чехол. Поворотом штанги чехол расцепляется с головкой ТВС, перемещается рабочей штангой на заданную ТВС и кластер в обратной последовательности устанавливается в заданную ТВС и расцепляется с захватом кластера.

Рис. 14. Соединение БЗТ, привода СУЗ и ТВС

При установке блока защитных труб цилиндрические части головок и шпонки ТВС входят в ячейки нижней плиты БЗТ. При этом про

исходит «разбор» ТВС с шагом 236 мм. Подпружиненные траверсы регулирующих стержней входят в пазы направляющих каркасов труб БЗТ на 10 мм. В случае несовпадения траверс регулирующих стержней с пазами в направляющих каркасах труб БЗТ ориентация до совпадения их осуществляется при сцеплении и фиксации промштанги привода ШЭМ с траверсой регулирующих стержней.

При установке верхнего блока на корпус реактора происходит дополнительное утопание траверс регулирующих стержней в пазы направляющих каркасов труб БЗТ на величину 11,5 ± 3,5 мм. Таким образом, минимальное утопание траверсы регулирующих стержней составляет 18 мм. Так как максимально возможный ход центральной пружины го- ловки ТВС при падении кластера составляет 15 мм, выход траверсы регулирующих стержней из пазов направляющих каркасов при аварийном сбросе невозможен.

Рис. 15. Разрез защитной трубы БЗТ А-А

В нижней части направляющих каналов для поглощающих стержней имеются отверстия для прохода теплоносителя диаметром 4 мм (рис. 16). Раньше этих отверстий было 4 шт., они располагались под углом 90 друг относительно друга. Сейчас применяются ТВС с направляющими каналами, где имеется только два отверстия, расположенных на одной оси. Это объясняется тем, что при наличии четырёх отверстий после падения органов регулирования СУЗ на нижние концевые выключатели под действием защиты реактора при распитанных электромагнитах ШЭМ может произойти всплытие ПС СУЗ под действием восходящего потока теплоносителя (что и имело место в практике эксплуатации, в частности, на ЗАЭС). С целью предотвращения всплытия ОР СУЗ, инструкцией по ликвидации аварий предписывается подать питание на привода СУЗ после срабатывания аварийной за- щиты реактора. Существует так называемое условие невсплытия ТВС:

, то есть расход через проходное сечение центрального отверстия в нижней части направляющего канала должно быть меньше
площади проходного сечения кольцевого зазора между стержнем ПС СУЗ и стенками направляющего канала. В настоящее время при наличии двух отверстий это условие соблюдается и угрозы всплытия ОР СУЗ нет, даже при отсутствии электропитания на приводах.

Рис. 16. Нижняя часть направляющего канала ТВС
До недавнего времени для реакторов ВВЭР 1000 проекта В 320 применялись ТВС с урановым топливом, в качестве поглощающего материала в ПС СУЗ использовался карбид бора B4C (тип ПС СУЗ 0401.01.04.000), в качестве выгорающего поглотителя применялись
стержни СВП, содержащие CrB2+Al – диборид бора в алюминиевой матрице. В настоящее время появились новые виды топливных кассет (ти- пы кассет 0401.12.00.000 и 496.00.000 с уран – гадолиниевым топливом) и ПС СУЗ (типы ПС СУЗ 0401.12.04.000 и 496.00.070). Характеристики типов кассет, типов ПС СУЗ, пучков СВП указаны в таблицах № 8–14.

Кассеты с уран – гадолиниевым топливом, в отличие от кассет с урановым топливом, которые содержат 312 твэлов, содержат 306 твэлов и 6 так называемых твэгов, расположенных по краям ТВС. Твэги – это топливные элементы, где в качестве топлива используется смесь диоксида урана (UO₂) и оксида гадолиния (Gd₂O₃). Содержание оксида гадолиния в смеси составляет 5 ± 2 %. При использовании в активной зоне реактора кассет с уран

– гадолиниевым топливом не применяются пучки СВП – в качестве выгорающего поглотителя служит гадолиний, который находится прямо в топливе. Это снижает стоимость и время проведения ТТО по перегрузке топлива. Кроме того, стержни СВП (CrB₂+Al – диборид бора в алюминиевой матрице) искажают поле энерговыделения по радиусу ТВС. Использование в активной зоне реактора кассет с уран – гадолиниевым топливом позволяет существенно выровнять поле энерговыделения по радиусу ТВС.

Новые ПС СУЗ типа 0401.12.04.000 и 496.00.070 имеют ту же поглощающую способность, что и применяемые ранее, но утяжелены (300 мм в нижней части занимает титанат диспрозия Dy₂O₃·TiO₂). При этом вес кластера увеличился на 2,5 кг – с 16 до 18,5 кг. Применение утяжелённых кластеров позволит сократить время падения ОР СУЗ на нижние выключатели при срабатывании аварийной защиты (согласно требованиям ТРБЭ, это время не должно превышать 4 секунды). Пред- полагается также использовать в нижней части ПС СУЗ в качестве утяжелителя гафний (Hf). Вес такого кластера будет составлять 21,2 кг.

Изначально топливные таблетки не имели отверстий внутри, их диаметр составлял 7,53 мм, а высота – 10 мм (рис. 17, а). Затем увеличилась высота топливных таблеток до 18 мм (рис. 17, б), внутри появилось отверстие для снижения температуры диаметром 1,4 мм (рис. 17, б). Дальнейшая эволюция топлива привела к следующим изменениям:

снижена высота топливной таблетки (до 12 мм) (рис. 17, с));
увеличен диаметр внутреннего отверстия таблетки (с 1,4 до 2,2 мм) (рис. 17, с);
выполнена внутренняя фаска в таблетках (рис. 17, с);
увеличена плотность топлива;
выполнено напыление на внутреннюю поверхность твэл;
увеличен начальный газовый объём под твэл с 18 до 30,5 см3;
увеличено давление гелия внутри твэла с 2.105 до 22.105 Па.

Рис. 17. Топливная таблетка

Рассмотрим влияние данных изменений на прочностные и меха- нические характеристики топлива и оболочки твэл.

Увеличение высоты таблетки: значительно снижает при нормальных условиях эксплуатации долю выхода под оболочку твэл газообразных и летучих продуктов деления топлива. Так, при Т UО₂< 1690 °С, за счет снижения суммарной площади поверхности таблеток, эта доля уменьшается с 5 до 2 %. Однако это предъявляет более жесткие требования к скорости изменения нагрузки РУ из-за возможности растрескивания топливных таблеток по высоте.

Использование увеличенного диаметра внутреннего отверстия:

снижает аккумулированную теплоёмкость топлива;
снижает внутренние температурные напряжения и деформации в топливе;
увеличивает допустимые глубины выгорания.

Использование в таблетках внутренней фаски: снижает вероятность возникновения точечных контактных напряжений между оболочкой и топливом вследствие растрескивания таблеток.

Снижение плотности топлива: облегчает накопление газообразных продуктов деления в керамической матрице без выхода их под оболоч- ку ТВЭЛ при практически неизменном коэффициенте теплопроводно- сти топлива.

Напыление чистого циркония на внутреннюю поверхность твэл: снижает опасность химической коррозии под напряжением на границе цирконий – ниобиевых зерен со стороны агрессивных продуктов деления топлива в (J, Cd, Cs и др.), за счет постепенного образования пленки диоксида циркония ZrO₂. Пленка диоксида циркония создается при взаимодействии чистого циркония с высвобождающимся из топлива кислородом и является абсолютно устойчивой к агрессивным летучим продуктам деления до температур 800 °С. В этом случае необходимо некоторое время, для постепенного окисления чистого циркония, при этом, соответственно не происходит разрушения основной оболочки. Наличие защитной пленки ZrO₂ также позволяет более эффективно длительно удерживать нарабатываемые анионы йода до образования ими с катионами цезия соединение CsJ – уже не опасного для оболочки (цезий является еще одним продуктом деления, выход которого в 10 раз превышает выход йода).

Такие оболочки ТВЭЛ (созданные методом совместного прессования) появившиеся в 1987 г., предъявляют дополнительные требования к Кv – коэффициентам неравномерности энерговыделения по объему активной зоны, так как, в отличие от сплава циркония с ниобием, чистый цирконий имеет на 6...8 % больший коэффициент теплового рас- ширения и имеется вероятность его отслоения, особенно в быстрых переходных процессах.

Увеличение начального свободного газового объема под твэл с 18,0 до 30,5 см3: значительно облегчает накопление летучих продуктов деления (при 100 % мощности РУ свободный объем составляет 21,8 см3), особенно при условии увеличенного начального давления гелия, что снижает максимально достигаемое давление под твэл в конце кампании топлива.

Увеличение давление гелия внутри твэла:

улучшает теплопроводность газового слоя;
уменьшает возможность резких контактов оболочка/топливо;
уменьшает локальные сгибы оболочки при распухании топлива;
уменьшает точечные напряжения от растрескавшихся таблеток, за счет общего растягивающего давления;
убирает эффект «наползания» оболочки при гидроиспытаниях I контура (когда под действием давления происходит деформация оболочки твэла по форме топливных таблеток).

При этом более высокие уровни давления под твэл в конце их кампании компенсируются увеличением свободного газового объема.

Характеристики кассет с урановым топливом

Характеристика

Значение

Тип кассет

0401.03.00.000 с

урановым топливом

0401.12.00.000 с

урановым топливом

496.00.000 с

урановым топливом

Количество

твэлов, шт.

312

Топливо использу-

емое в твэлах

Спечёная двуокись

урана (UO2)

Спечёная двуокись

урана (UO2)

Спечёная двуокись

урана (UO2)

Материал оболо-

чек твэлов

Сплав циркония

Э 110

Сплав циркония

Э 110

Сплав циркония

Э 110

Материал дистан- ционирующих ре-

шеток

Сталь 06Х18Н10Т

Сплав Э 110

Материал напра-

вляющих каналов

Сталь 06Х18Н10Т

Сплав Э 110

Таблица 5

Характеристики кассет с уран-гадолиниевым топливом

Характеристика	Значение
Тип кассет	0401.12.00.000 с уран-га- долиниевым топливом	1. Тип кассет
Количество твэлов, шт.	306	2. Количество твэлов, шт.
Количество твэгов, шт.	6	3. Количество твэгов, шт.
Топливо, используемое в твэлах	Спечёная двуокись урана (UO2)	4. Топливо, используемое в твэлах
Топливо, используемое в твэгах	Спечёная двуокись урана (UO2) с добавлением ок- сида гадолиния (Gd2O3)	5. Топливо, используемое в твэгах
Материал оболочек твэлов и твэгов	Сплав циркония Э 110	6. Материал оболочек твэлов и твэгов
Материал дистанцио- нирующих решёток	Сплав циркония Э 110	7. Материал дистанцио- нирующих решёток
Материал направляю- щих каналов	Сплав циркония Э 110	8. Материал направляю- щих каналов

Характеристики ПС СУЗ

Характеристика	Значение
Тип ПС СУЗ	0401.01.04.000	1. Тип ПС СУЗ	0401.01.04.000
Количество ПЭЛ, шт.	18	2. Количество ПЭЛ, шт.	18
Поглощающий материал	В4С – карбид бора	3. Поглощающий материал	В4С – карбид бо- ра
Плотность погло- щающего материа- ла, г/см3, не менее	В4С – 1,7	В4С – 1,7 Dy2O3·TiO2 – 4,9
Высота столба по- глощающего ма- териала, мм, но- минальная	3710	3500 (из них 300 мм – Dy2O3·TiO2, остальные 3200 мм – В4С)
Масса номиналь- ная, кг	16	18,5
Обозначение кассет, в состав которых входит данный тип ПС СУЗ	0401.03.00.000-01, -04	04.01.12.00.000

Таблица 7

Характеристики пучков СВП

Характеристика	Значение
1. Количество СВП, шт.	18
2. Поглощающий материал	CrB2+Al (диборид бора в алюми- ниевой матрице)
3. Плотность поглощающего материа- ла по бору, г/см3, номинальная	0,064; 0,050; 0,041; 0,036; 0,020, в зависимости от типа СВП
4. Высота столба поглощающего мате- риала, мм, номинальная	3550
5. Материал оболочек СВП	Сплав циркония Э110
6. Масса номинальная, кг	21

Общие характеристики ТВС, используемых для загрузки в активную зону реакторов типа ВВЭР-1000

Таблица 8

Наименование параметра, размерность	Значение
Размер ТВС «под ключ», см	23,4
Длина всей ТВС, мм	4665 ± 2,5
Количество твэл в тепловой сборке, шт.	312
Количество нетопливных трубок в топливной сборке (шт.), в том числе
а) количество трубок размером 12,6´0,8 мм для размещения погло- тителей;	18
б) трубка 10,3 0,65 мм в центре топливной сборки	1
Количество дистанционирующих решеток в топливной сборке в пределах активной части, шт.	15
Масса дистанционирующей решетки, кг	0,653
Количество стержней с для ПЭЛ, шт.	18
Высота столба свежего топлива в холодном состоянии, мм, номи- нальная	3530

Общие характеристики твэл, используемых для загрузки в активную зону реакторов типа ВВЭР-1000

Таблица 9

Наименование параметра, размерность	Значение
Наружный диаметр твэл, мм	9,1
Шаг между твэл, мм	12,75
Толщина оболочки твэл, мм	0,7
Внешний диаметр топливной таблетки, мм	7,57
Материал топливной таблетки	двуокись урана UO2

Общие характеристики рабочих органов СУЗ, используемых в реакторах типа ВВЭР-1000

Таблица 10

Наименование параметра, размерность	Значение
Число органов СУЗ, шт.	61
Тип привода СУЗ	ШЭМ
Наружный диаметр поглощающего стержня, без оболоч- ки, мм	7,0
Наружный диаметр и толщина оболочки поглощающего стержня, мм	8,2´0,6
Материал оболочки поглощающего стержня	нержавеющая сталь
Номинальная скорость перемещения органов СУЗ, см/с	2 ± 0,15

Основные характеристики корпуса ВВЭР

Параметр	ВВЭР-210	ВВЭР-365	ВВЭР-440	ВВЭР-1000
Рабочее давление, МПа	10	10,5	12,5	16
Внутренний диаметр, мм	3600	3560	3560	4155
Высота, мм	11100	12000	11800	10880
Максимальный диа- метр, мм	4400 по бандажу	4400 по бандажу	4270 по бандажу	4535 по бандажу
Толщина, мм	цилиндрической части	100	120	140
Толщина, мм	зоны патрубков	180	200	200
Количество отверстий под входные и выход- ные патрубки	2/6	2/8	2/6	2/4
Масса корпуса, кг	185,4.103	209,2.103	200,8.103	304,3.103
Количество шпилек	60	60	60	54
Диаметр резьбы шпи- лек, мм	M130´6	M130´6	M130´6	M170´6

Г.Н. Колпаков, О.В. Селиваникова
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КОНСТРУКЦИИ ТВЭЛОВ, КАНАЛОВ И АКТИВНЫХ ЗОН ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Обсудить на форуме