Расчет работоспособности тепловыделяющих элементов (твэлов) водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) - Дипломная работа

Твэл должен обеспечить надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю и сохранить герметичность при эксплуатации в АЭС. 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. 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 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.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; 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.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; SC3 - Потеря окружной устойчивости оболочки от перепада давления;Для изучения поведения твэлов новых конструкций в переходных режимах проводится ряд специальных испытаний в исследовательских реакторах. 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. Дополнительное механическое нагружение оболочки наблюдается при увеличении линейных нагрузок в твэлах и твэгах, что связано с подъемом мощности реактора и с перераспределением энерговыделения в активной зоне при перемещении регулирующих стрежней. При осуществлении переходных режимов эксплуатации важно знать: - предельное значение мощности при скачке, выше которого происходит разрушение твэла;Реактор МИР предназначен для ресурсных испытаний ТВС, фрагментов ТВС и отдельных твэлов энергетических и исследовательских реакторов. Одним из главных требований, предъявляемых к реактору, является обеспечение и поддержание заданных условий облучений для экспериментов, проводимых одновременно в разных петлевых каналах реактора.Активная зона: высота, мм 1000 эквивалентный диаметр, мм 1220 количество ячеек для рабочих ТВС 48 максимальный диаметр петлевого канала, мм 120 максимальное количество петлевых каналов 11 Известен способ испытания твэлов в режиме скачкообразного увеличения мощности [4], предусматривающий размещение испытываемых твэлов во внутриреакторном облучательном устройстве, вокруг которого расположен экран в виде трубчатой спирали с газообразным поглотителем, соединенной с внереакторным стендом, поддерживающим требуемое давление газа, вывод реактора на заданную мощность, работу в течение заданного времени и последующее подключение экранов к емкости, в к

Содержание

Перечень сокращений и условных обозначений

Введение

1. Проектные основы и проектные критерии работоспособности реакторов ВВЭР

1.1 Проектные основы обоснования работоспособности твэлов

1.2 Проектные критерии твэла

2. Эксперименты на скачки мощности

2.1 Особенности поведения твэлов в переходных режимах

2.2 Методы проведения экспериментов на скачках мощности

2.3 Анализ ВТО-разрушений в твэлах ВВЭР

2.4 Описание экспериментов R1-R12 на скачки мощности

2.5 Эксперимент R11 на твэлах ВВЭР-440 и его расчетное моделирование

2.5.1 Описание эксперимента

2.5.2 Определение линейных тепловых нагрузок в твэлах

2.5.3 Результаты послереакторных исследований

2.5.4 Подготовка к проведению расчета параметров ПМТ № 111

2.5.5 Результаты расчетов базового облучения твэла № 111

2.5.6 Результаты расчета характеристик твэла № 111 после скачка мощности

2.6 Эксперимент на скачки мощности для топлива 3-его поколения без центрального отверстия ТВСА-АЛЬФА № ИД01077

2.6.1 Описание эксперимента

2.6.2 Расчетные исследования характеристик твэлов ТВСА-АЛЬФА № ИД01077 в сравнении результатами послереакторных исследований

2.7 Эксперимент с твэгами ВВЭР-1000 ТВСА-АЛЬФА № ИД01077 (RAMP 2)

2.7.1 Исходные данные базового облучения

2.7.2 Результаты потвэльных расчетов базового облучения твэгов

2.7.3 Результаты расчета характеристик твэгов после скачка мощности

3. Расчетное исследование работоспособности твэлов3-его поколения АЭС «Дукованы»

3.1 Проектные основы и проектные режимы работы АЭС «Дукованы»

3.2 Построение огибающей кривой

3.3 Вероятностный подход к обоснованию работоспособности твэлов

3.4 Основные термины, используемые при обосновании методики вероятностного расчета

3.5 Описание метода Монте-Карло

3.6 Методика вероятностных расчетов

3.7 Вероятностный расчет

Заключение

Список литературы

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 передается 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;

3 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».