RU2242810C2 - Fuel assembly for water-moderated water-cooled reactor - Google Patents
Fuel assembly for water-moderated water-cooled reactorInfo
- Publication number
- RU2242810C2 RU2242810C2 RU2002128472/06A RU2002128472A RU2242810C2 RU 2242810 C2 RU2242810 C2 RU 2242810C2 RU 2002128472/06 A RU2002128472/06 A RU 2002128472/06A RU 2002128472 A RU2002128472 A RU 2002128472A RU 2242810 C2 RU2242810 C2 RU 2242810C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- rod
- mass
- uranium
- water
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к ядерной технике и касается усовершенствования конструкции тепловыделяющих сборок (ТВС), из которых набирается активная зона ядерных реакторов, в которых в качестве теплоносителя и замедлителя используется вода (так называемых водоохлаждаемых ядерных реакторах), применяемых как источник тепла для электростанций, в силовых установках и пр., особенно в реакторах тепловой мощностью порядка (1150-1700) МВт.The invention relates to nuclear engineering and relates to the improvement of the design of fuel assemblies (FAs) from which the core of nuclear reactors is recruited, in which water (the so-called water-cooled nuclear reactors) is used as a heat carrier and used as a heat source for power plants in power plants etc., especially in reactors with thermal power of the order of (1150-1700) MW.
Уровень техникиState of the art
Топливная загрузка реакторов состоит из большого числа тепловыделяющих элементов (твэлов), количество которых в активной зоне водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) исчисляется десятками тысяч. Для обеспечения необходимой жесткости стержневых твэлов, а также удобства монтажа, перегрузки, транспортировки и обеспечения требуемых условий охлаждения их объединяют в пучки. Каждый пучок представляет единую конструкцию тепловыделяющей сборки. Число твэлов в тепловыделяющей сборке может составлять от нескольких штук до нескольких десятков или даже сотен. Твэлы в ТВС соединяются между собой с помощью двух концевых и более пяти - десяти промежуточных дистанционирующих решеток, устанавливаемых на определенном расстоянии друг от друга по высоте сборки, что обеспечивает жесткое дистанционирование тепловыделяющих элементов при обтекании их теплоносителем и соблюдение зазоров между твэлами для прохода теплоносителя и обеспечения необходимого водо-уранового соотношения в поперечном сечении сборки.The fuel loading of reactors consists of a large number of fuel elements (fuel elements), the number of which in the active zone of pressurized water reactors (VVER) is tens of thousands. To ensure the necessary rigidity of the rod fuel rods, as well as ease of installation, reloading, transportation and ensuring the required cooling conditions, they are combined in bundles. Each bundle represents a single fuel assembly design. The number of fuel rods in a fuel assembly can range from several to several tens or even hundreds. The fuel rods in the fuel assemblies are interconnected by means of two end and more than five to ten intermediate spacing grids installed at a certain distance from each other along the height of the assembly, which ensures rigid spacing of the fuel elements when they flow around the coolant and compliance with the clearances between the fuel rods for the passage of the coolant the necessary water-uranium ratio in the cross section of the assembly.
Активные зоны водо-водяных энергетических ядерных реакторов ВВЭР-400 набираются из ТВС, содержащих пучок твэлов, расположенный в кожухе шестигранной формы (см. И.Я.Емельянов, В.И.Михан, Солонин М.И. и др. Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с.76-78).The active zones of water-cooled nuclear power reactors VVER-400 are recruited from fuel assemblies containing a bundle of fuel rods located in a hexagonal casing (see I.Ya. Emelyanov, V.I. Mikhan, M. Solonin, etc. Design of nuclear reactors , M., Energoizdat, 1982, pp. 76-78).
ТВС, как правило, состоит из пучка твэлов и каркаса. Каркас ВС обеспечивает объединение и закрепление твэлов в сборке и их дистанционирование. Каркас сборки состоит из следующих основных деталей: несущего стержня, концевых решеток, дистанционирующих или направляющих решеток, продольных соединительных элементов, различных видов дистанционаторов и опорных полозков, а также обжимных втулок. Причем ТВС из твэлов, выполненных длиной, соответствующей длине активной зоны, дополняется еще следующими деталями: головкой сборки, к которой крепится верхняя часть каркаса сборки; хвостовиком сборки, который присоединяется к нижней части каркаса; подвеской сборки - устройством, с помощью которого ТВС перемещают, устанавливают и удерживают в вертикальном канале; амортизатором ТВС - деталью сборки, с помощью которой обеспечивается снижение ударной нагрузки при падении сборки на опору, а также компенсация вибраций, возникающих в процессе работы реактора; тарировочной шайбой - деталью сборки, предназначенной для определения расхода теплоносителя через ТВС (см. Г.Н.Ушаков Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1981, с.84-86).A fuel assembly, as a rule, consists of a bundle of fuel rods and a frame. The aircraft frame provides for the integration and fastening of fuel rods in the assembly and their spacing. The assembly frame consists of the following main parts: the supporting rod, end grids, spacer or guide grids, longitudinal connecting elements, various types of spacers and support runners, as well as crimp bushings. Moreover, fuel assemblies from fuel rods made with a length corresponding to the length of the active zone are supplemented by the following details: assembly head, to which the upper part of the assembly frame is attached; shank assembly, which is attached to the bottom of the frame; assembly suspension - a device with which fuel assemblies are moved, installed and held in a vertical channel; TVS shock absorber - a part of the assembly, which helps to reduce the shock load when the assembly falls on the support, as well as compensate for vibrations that occur during operation of the reactor; a calibration washer - a part of an assembly designed to determine the coolant flow rate through a fuel assembly (see G.N. Ushakov Technological channels and fuel elements of nuclear reactors, M., Energoizdat, 1981, pp. 84-86).
Для снижения доли конструкционного материала в активной зоне тепловыделяющие сборки могут не иметь кожуха, так называемые бесчехловые ТВС, в которых пучок твэлов объединен дистанционирующими решетками, а опорные решетки сборки соединены трубками и/или уголками, (см. И.Я.Емельянов, В.И.Михан, Солонин В.И. и др. Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с.77, рис.3.10 в).To reduce the share of structural material in the core, fuel assemblies may not have a casing, the so-called caseless fuel assemblies, in which the fuel rod bundle is connected by spacer grids, and the assembly support grids are connected by tubes and / or corners (see I.Ya. Emelyanov, V. I.Mikhan, Solonin V.I. et al. Design of nuclear reactors, M., Energoizdat, 1982, p.77, fig. 3.10 c).
Кассета реактора ВВЭР-440 состоит из пучка стержневых тылов, шестигранного корпуса-чехла, цилиндрического хвостовика, головки и каркаса кассеты, с помощью последнего обеспечивается крепление твэлов в кассете. Каркас кассеты включает в себя гексагональные дистанционирующие решетки (нижнюю несущую решетку, верхнюю и средние направляющие решетки из циркониевого сплава), которые механически связаны между собой центральной трубой из циркониевого сплава. Нижние концы твэлов закреплены в несущей решетке, а верхние концы твэлов имеют возможность продольного перемещения в направляющей решетке при температурных расширениях. Нижняя несущая решетка крепится к цилиндрическому хвостовику кассеты, а верхняя направляющая решетка - соответственно к головке кассеты. С помощью хвостовика и головки кассета устанавливается в корпусе реактора (см. Г.Н.Ушаков Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1981, с.89, рис. 2.8 а).The VVER-440 reactor cassette consists of a bunch of rod backs, a hexahedral housing, a cylindrical shank, a head and a cassette frame, with the help of which the fuel rods are mounted in the cassette. The cassette frame includes hexagonal spacer grids (lower support grid, upper and middle guide grids of zirconium alloy), which are mechanically connected to each other by a central tube of zirconium alloy. The lower ends of the fuel rods are fixed in the carrier grid, and the upper ends of the fuel rods have the possibility of longitudinal movement in the guide grid with thermal expansions. The lower carrier grill is attached to the cylindrical shank of the cartridge, and the upper guide grille, respectively, to the cartridge head. Using the shank and head, the cartridge is installed in the reactor vessel (see G.N. Ushakov Technological channels and fuel elements of nuclear reactors, M., Energoizdat, 1981, p. 89, Fig. 2.8 a).
Конструкции стержневых твэлов и ТВС для ВВЭР-440 должны обеспечить механическую устойчивость и прочность, в том числе в аварийных условиях при высоких температурах, что усложняется наличием мощных долгосрочных потоков нейтронов и гамма-излучения. Повреждение твэла влечет за собой радиоактивное загрязнение контура продуктами деления. Нарушение первоначальной геометрической формы твэла может ухудшить условия теплоотдачи от твэла к теплоносителю. Поэтому при разработке конструкции ТВС необходимо в первую очередь учитывать возможность увеличения величины отношения теплопередающей поверхности твэла к активному объему, занимаемому ядерным топливом.The design of rod fuel elements and fuel assemblies for VVER-440 should provide mechanical stability and strength, including in emergency conditions at high temperatures, which is complicated by the presence of powerful long-term flows of neutrons and gamma radiation. Damage to a fuel rod entails radioactive contamination of the circuit with fission products. Violation of the initial geometric shape of a fuel element can worsen the conditions of heat transfer from the fuel element to the coolant. Therefore, when developing a fuel assembly design, it is necessary first of all to take into account the possibility of increasing the ratio of the heat transfer surface of a fuel element to the active volume occupied by nuclear fuel.
Известная тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора содержит каркас и пучок стержневых твэлов с ядерным топливом в виде диоксида урана (см. “Future fuel: Vattenfall′ s new approach” Nuclear Engineering International, September 1997, p.25-31). В пучке известной ТВС реактора ВВЭР-440 содержится (120÷ 126) стержневых твэлов, выполненных с наружным диаметром от 8,80· 10-3 м до 9,14· 10-3 м и имеющих среднюю линейную тепловую нагрузку на твэл от 12,92 кВт/м до 15,01 кВт/м. Такой твэл обеспечивает относительно высокий уровень выгорания топлива в известной ТВС и хорошо себя зарекомендовал за время эксплуатации на отечественных и зарубежных АЭС с реакторами ВВЭР-440. Однако следует отметить, что в случае перегрева оболочек твэлов, возникающего при изменении условий их охлаждения, может произойти разгерметизация и даже разрушение твэлов. Дело в том, что низкая теплопроводность окисного топлива, используемою и реакторах ВВЭР-440, обуславливает его высокую температуру при работе в режимах нормальной эксплуатации, относительно большое количество аккумулированного тепла и, как следствие, при аварии с обесточиванием АЭС и при аварии с потерей теплоносителя это приводит к значительному разогреву оболочек твэлов в первые несколько секунд. Достигаемые при авариях с потерей теплоносителя температуры при использовании штатных ТВС в значительной мере зависят от исходных тепловых линейных нагрузок на твэл. Так, при большой течи первого контура реактора ВВЭР-440, твэлы с максимальной тепловой нагрузкой к пятой секунде имеют расчетную температуру оболочки 850° С. В то же время, в этих же условиях твэлы с нагрузкой, близкой к средней, разогреваются до (550÷ 600)° С.A known fuel assembly of a pressurized water reactor contains a frame and a bundle of rod fuel elements with nuclear fuel in the form of uranium dioxide (see “Future fuel: Vattenfall's new approach” Nuclear Engineering International, September 1997, p.25-31). The beam of the known fuel assembly of the VVER-440 reactor contains (120 ÷ 126) rod fuel elements made with an outer diameter of 8.80 · 10 -3 m to 9.14 · 10 -3 m and having an average linear thermal load on the fuel element of 12, 92 kW / m to 15.01 kW / m. Such a fuel rod provides a relatively high level of fuel burnup in a known fuel assembly and has proven itself during operation at domestic and foreign nuclear power plants with VVER-440 reactors. However, it should be noted that in the event of an overheat of the cladding of the fuel rods that occurs when the conditions for their cooling change, depressurization and even destruction of the fuel rods can occur. The fact is that the low thermal conductivity of the oxide fuel used by VVER-440 reactors causes its high temperature during normal operation, a relatively large amount of accumulated heat and, as a result, in an accident with de-energized nuclear power plants and in an accident with loss of coolant leads to a significant heating of the cladding of the fuel rods in the first few seconds. The temperatures achieved during accidents with loss of coolant when using standard fuel assemblies are largely dependent on the initial thermal linear loads on the fuel elements. So, with a large leak of the primary circuit of the VVER-440 reactor, fuel rods with a maximum heat load by the fifth second have an estimated sheath temperature of 850 ° C. At the same time, under the same conditions, fuel rods with a load close to average are heated to (550 ÷ 600) ° C.
Экспериментальные и расчетные исследования показывают, что, с точки зрения предотвращения возможности разгерметизации твэлов применительно к авариям с потерей теплоносителя, предельные температуры оболочек не должны превышать уровень ~700° С. Следовательно, если в активной зоне реактора ВВЭР-440 снизить максимальные тепловые линейные нагрузки, то возможный разогрев оболочек не превысил бы вышеупомянутого предельного уровня температур. Это принципиально решает проблему возможной разгерметизации твэлов на начальном этапе аварии с потерей теплоносителя. В особенности данная проблема усугубляется при повышении глубины выгорания топлива, когда работоспособность твэлов даже в нормальных условиях эксплуатации близка к предельно допустимой.Experimental and computational studies show that, from the point of view of preventing the possibility of depressurization of fuel rods in relation to accidents with loss of coolant, the limiting temperatures of the shells should not exceed ~ 700 ° C. Therefore, if the maximum thermal linear loads are reduced in the VVER-440 reactor core, then a possible heating of the shells would not exceed the aforementioned temperature limit. This fundamentally solves the problem of possible depressurization of fuel rods at the initial stage of an accident with loss of coolant. In particular, this problem is aggravated by increasing the fuel burnup depth, when the fuel rod performance, even under normal operating conditions, is close to the maximum permissible.
Из вышеизложенного следует, что для повышения уровня безопасности действующих и вновь проектируемых АЭС с ВВЭР-440 необходимо разработать стержневые твэлы контейнерной конструкции уменьшенного диаметра при увеличенном их числе в ТВС (при условии сохранения мощности реактора и близкого к штатной ТВС водо-уранового отношения топливной решетки), которые позволят принципиально решить проблему возможной разгерметизации твэлов на начальном этапе аварии с потерей теплоносителя. Кроме того, при разработке модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440 необходимо осуществить выбор основных параметров из условия максимального сохранения конструкции активной зоны и ядерной энергоустановки, а также обеспечения приемлемых нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик, близких к штатным характеристикам активной зоны реактора ВВЭР-440, так как задачей настоящего изобретения не является разработка принципиально нового реактора.It follows from the foregoing that in order to increase the safety level of operating and newly designed NPPs with VVER-440, it is necessary to develop rod fuel elements of a container structure of reduced diameter with an increased number of fuel assemblies in the fuel assemblies (provided that the reactor power is maintained and the water-uranium ratio of the fuel grate is close to the standard fuel assembly) , which will fundamentally solve the problem of possible depressurization of fuel rods at the initial stage of an accident with loss of coolant. In addition, when developing the modernized core of the VVER-440 reactor, it is necessary to select the main parameters from the condition of maximum preservation of the design of the core and the nuclear power plant, as well as ensuring acceptable neutron-physical and thermal hydraulic characteristics close to the standard characteristics of the core of the VVER-440 reactor, since the objective of the present invention is not to develop a fundamentally new reactor.
Такой подход вызывает определенные ограничения, накладываемые на выбор основных параметров модернизированной активной зоны, которые сводятся к следующему:This approach causes certain restrictions imposed on the selection of the main parameters of the modernized core, which boil down to the following:
- шаг (147+/-0,3 мм) между осями ТВС и высота модернизированной ТВС в активной зоне должны быть такими же, как и в штатной конструкции ТВС ВВЭР-440;- the step (147 +/- 0.3 mm) between the axes of the fuel assemblies and the height of the upgraded fuel assemblies in the core should be the same as in the standard design of the VVER-440 fuel assemblies;
- размер "под ключ" и высота топливных сердечников модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-440 не должны превышать 1,5% и 2,5% соответственно;- the “turnkey” size and height of the fuel cores of the upgraded fuel assemblies in comparison with the standard design of the VVER-440 fuel assemblies should not exceed 1.5% and 2.5%, respectively;
- диаметр твэлов и их количество в модернизированной ТВС должны обеспечивать снижение линейных тепловых нагрузок в твэлах модернизированной активной зоны;- the diameter of the fuel rods and their number in the upgraded fuel assemblies should ensure a decrease in linear thermal loads in the fuel rods of the upgraded core;
- уменьшение загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС реактора ВВЭР-440 не должно превышать 10%;- the decrease in fuel loading in the upgraded fuel assemblies in comparison with the standard design of the fuel assemblies of the VVER-440 reactor should not exceed 10%;
- увеличение гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС не должно превышать имеющихся запасов по напору главного циркуляционного насоса (ГЦН) реактора ВВЭР-440;- the increase in hydraulic friction losses in the upgraded fuel assemblies in comparison with the standard design of the fuel assemblies should not exceed the available reserves for the pressure of the main circulation pump (MCP) of the VVER-440 reactor;
- количество, диаметр и размещение органов СУЗ должно быть таким же, как и в штатной конструкции активной зоны реактора ВВЭР-440.- the number, diameter and placement of the CPS bodies should be the same as in the standard design of the VVER-440 reactor core.
При увеличении глубины выгорания ядерного топлива или для повышения безопасности эксплуатации при заданной нагрузке из-за ограничений, связанных с допустимой температурой топлива и теплоотводом, стремятся к увеличению отношения поверхности твэла к его весу, при котором обеспечивается уменьшение теплового потока за счет увеличения поверхности. Понижение удельных тепловых нагрузок на твэлы может достигаться за счет использования твэлов с уменьшенным диаметром, а именно с диаметрами твэлов 6,0· 10-3 м и 6,80· 10-3 м (см. Бек Е.Г., Горохов В.Ф., Духовенский А.С., Колосовский В.Г., Лунин Г.Л., Панюшкин А.К. и Прошкин А.А. “Совершенствование характеристик топлива реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 путем уменьшения диаметра тепловыделяющих элементов”, доклад на конференции “Top Fuel-97”, Манчестер, 1997 г.). Однако, так как загрузка топлива в модернизированной ТВС на 3,4% меньше, чем у штатной ТВС для реактора ВВЭР-440, то несмотря на то, что в модернизированной ТВС с твэлами диаметром 6,8· 10-3 м при исходном обогащении, равном обогащению топлива в штатной ТВС, имеем глубину выгорания топлива на 2,1% больше, чем у штатной ТВС, это не компенсирует полностью потерю в продолжительности работы топливной загрузки по сравнению с вариантом при штатной ТВС. Поэтому к вышеуказанным ограничениям следует также добавить следующее:When increasing the burnup depth of nuclear fuel or to increase operational safety at a given load due to restrictions associated with the permissible temperature of the fuel and heat sink, they tend to increase the ratio of the surface of a fuel rod to its weight, which ensures a decrease in heat flux due to an increase in surface. The reduction of specific thermal loads on the fuel rods can be achieved through the use of fuel rods with a reduced diameter, namely with the diameters of the fuel rods 6.0 · 10 -3 m and 6.80 · 10 -3 m (see Bek E.G., Gorokhov V. F., Dukhovensky A.S., Kolosovsky V.G., Lunin G.L., Panyushkin A.K. and Proshkin A.A. “Improving the fuel characteristics of VVER-440 and VVER-1000 reactors by reducing the diameter of the fuel elements” , report at the conference “Top Fuel-97”, Manchester, 1997). However, since the fuel loading in the upgraded fuel assemblies is 3.4% less than that of the standard fuel assemblies for the VVER-440 reactor, despite the fact that in the upgraded fuel assemblies with fuel rods with a diameter of 6.8 × 10 -3 m during initial enrichment, equal to the enrichment of fuel in a standard fuel assembly, we have a fuel burnup depth of 2.1% more than that of a standard fuel assembly, this does not completely compensate for the loss in the duration of the fuel load compared to the version with a standard fuel assembly. Therefore, the following should also be added to the above limitations:
- для обеспечения проектной продолжительности работы топливной загрузки уменьшение загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС.- to ensure the projected duration of the fuel loading operation, the decrease in fuel loading in the upgraded fuel assemblies as compared to the standard design of the fuel assemblies should be compensated by an increase in the burnup depth in the upgraded fuel assemblies relative to the standard fuel assemblies.
Наиболее близкой по технической сущности к описываемому техническому решению является тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора, содержащая каркас, гексагональные дистанционирующие решетки, в ячейках которых размещен пучок стержневых тепловыделяющих элементов с топливным сердечником из диоксида урана, заключенным в оболочку (RU 2143144, G 21 С 3/32, 20.12.1999).The closest in technical essence to the described technical solution is a fuel assembly of a pressurized water power reactor containing a frame, hexagonal spacing grids, in the cells of which there is a bundle of rod fuel elements with a uranium dioxide fuel core enclosed in a shell (RU 2143144, G 21
Использование таких ТВС в модернизированных активных зонах реактора ВВЭР-440 позволяет за счет снижения тепловых нагрузок твэлов обеспечить возможность расширения диапазона маневрирования мощностью реактора, повысить глубину выгорания топлива и снизить вероятность разгерметизации твэлов.The use of such fuel assemblies in the modernized active zones of the VVER-440 reactor allows, by reducing the thermal loads of the fuel rods, to expand the maneuvering range of the reactor power, increase the fuel burnup depth and reduce the likelihood of depressurization of fuel rods.
Однако сравнительная оценка стоимостей штатной ТВС ВВЭР-440 (диаметр твэлов 9,1· 10-3 м) и модернизированной ТВС (твэлы уменьшенного диаметра) показала, что заводская себестоимость модернизированной ТВС для реакторов ВВЭР-440 возросла на 18%, что является одной из причин, почему такие тепловыделяющие сборки не нашли пока практического применения.However, a comparative assessment of the costs of the standard VVER-440 fuel assemblies (diameter of the fuel rods 9.1 · 10 -3 m) and the upgraded fuel assemblies (reduced-diameter fuel rods) showed that the factory cost of the upgraded fuel assemblies for VVER-440 reactors increased by 18%, which is one of the reasons why such fuel assemblies have not yet found practical application.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание новых тепловыделяющих сборок водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 1150 МВт до 1700 МВт, обладающих улучшенными характеристиками, в частности повышенной безопасностью и надежностью при эксплуатации вновь проектируемых и действующих реакторов, позволяющими скомпенсировать повышенную себестоимость модернизированной ТВС и получить в целом увеличение экономической эффективности.The objective of the present invention is the development and creation of new fuel assemblies of a pressurized-water power reactor with a thermal power of 1150 MW to 1700 MW, having improved characteristics, in particular, increased safety and reliability in the operation of newly designed and existing reactors, allowing to compensate for the increased cost of the upgraded fuel assemblies and to obtain overall increase in economic efficiency.
В результате решения данной задачи при реализации изобретения могут быть получены технические результаты, заключающиеся в снижении тепловых нагрузок тепловыделяющих элементов, уменьшении вероятности разгерметизации оболочек твэлов, снижении неравномерности энерговыделения, расширении диапазона маневрирования мощностью реактора и улучшении характеристик топливоиспользования за счет повышения глубины выгорания ядерного топлива.As a result of solving this problem during the implementation of the invention, technical results can be obtained consisting in reducing the thermal loads of the fuel elements, reducing the likelihood of depressurization of the claddings of the fuel rods, reducing the unevenness of energy release, expanding the range of maneuvering of the reactor power and improving fuel consumption by increasing the burnup depth of nuclear fuel.
Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке водо-водяного энергетического реактора, содержащей каркас, включающий гексагональные дистанционирующие решетки, в ячейках которых размещен пучок стержневых тепловыделяющих элементов с топливным сердечником из диоксида урана, заключенным в оболочку, дистанционирующие решетки содержат 217 ячеек для пучка, содержащего от 174 до 216 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 6,00· 10-3 м до 8,00· 10-3 м и от 5,09· 10-3 м до 6,79· 10-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 82,24 кг до 190,78 кг, или дистанционирующие решетки содержат 169 ячеек для пучка, содержащего от 132 до 168 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7,80· 10-3 м до 8,79· 10-3 м и от 6,62· 10-3 м до 7,47· 10-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 105,44 кг до 179,14 кг, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,69 до 2,69.These technical results are achieved in that in the fuel assembly of a pressurized water-water reactor containing a framework comprising hexagonal spacer grids, in the cells of which there is a beam of rod fuel elements with a uranium dioxide fuel core enclosed in a shell, the spacer grids contain 217 cells for the beam containing from 174 to 216 rod fuel elements with outer and inner shell diameters from 6.00 · 10 -3 m to 8.00 · 10 -3 m and from 5.09 · 10 -3 m to 6.79 · 10 - 3 m respectively naturally, and the mass of uranium dioxide in the beam is selected from 82.24 kg to 190.78 kg, or the spacer grids contain 169 cells for the beam containing from 132 to 168 rod fuel elements with outer and inner shell diameters from 7.80 · 10 - 3 m to 8.79 · 10 -3 m and from 6.62 · 10 -3 m to 7.47 · 10 -3 m, respectively, and the mass of uranium dioxide in the beam is selected from 105.44 kg to 179.14 kg, moreover, the water-uranium ratio of the cell is selected from 0.69 to 2.69.
Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что дистанционирующие решетки содержат 217 ячеек для пучка, содержащего от 174 до 216 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 6,00· 10-3 м до 8,00· 10-3 м и от 5,09· 10-3 м до 6,79· 10-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 82,24 кг до 190,78 кг, или дистанционирующие решетки содержат 169 ячеек для пучка, содержащего от 132 до 168 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным диаметром и внутренним диаметрами оболочки от 7,80· 10-3 м до 8,79· 10-3 м и от 6,62· 10-3 м до 7,47· 10-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 105,44 кг до 179,14 кг, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,69 до 2,69, что характеризует новую концепцию ТВС реактора ВВЭР-440 и соответственно активных зон реактора ВВЭР-440, обладающих повышенной работоспособностью как в нормальных условиях эксплуатации, так и в аварийных режимах и обусловлено следующим. Поскольку каркас, с помощью которого обеспечивается крепление пучка стержневых твэлов в ТВС, должен быть аналогичен каркасу штатной ТВС реактора ВВЭР-440, а значение водо-уранового отношения топливной решетки должно быть близким к значению штатной ТВС (водо-урановое отношение ячейки штатной ТВС-1,47), то водо-урановое отношение ячейки модернизированной ТВС выбрано от 0,69 до 2,69, а в дистанционирующих решетках выполнены 217 ячеек для пучка, содержащего от 174 до 216 стержневых твэлов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 6,00· 10-3 м до 8,00· 10-3 м и от 5,09· 10-3 м до 6,79· 10-3 м соответственно, и массой диоксида урана в пучке от 82,24 кг до 190,78 кг или 169 ячеек для пучка, содержащего от 132 до 168 стержневых твэлов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7,80· 10-3 м до 8,79· 10-3 м и от 6,62· 10-3 м до 7,47· 10-3 м соответственно, и массой диоксида урана в пучке от 105,44 кг до 179,14 кг, поэтому средняя линейная нагрузка на твэлы модернизированной ТВС уменьшается в 1,20÷ 1,76 раза, при условии сохранения номинальной мощности реакторов и обеспечения нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик, близких к штатным характеристикам реактора ВВЭР-440. Или, как показывают расчеты, можно повысить тепловую мощность активной зоны при условии сохранения требуемой безопасности эксплуатации реактора на величину до 3,6%, что необходимо для компенсации повышенной стоимости модернизированных ТВС.A distinctive feature of the present invention is that the spacer grids contain 217 cells for a beam containing from 174 to 216 rod fuel elements with outer and inner shell diameters from 6.00 · 10 -3 m to 8.00 · 10 -3 m and from 5.09 · 10 -3 m to 6.79 · 10 -3 m, respectively, and the mass of uranium dioxide in the beam is selected from 82.24 kg to 190.78 kg, or spacer grids contain 169 cells for a beam containing from 132 to 168 rod fuel elements with an outer diameter and inner diameter of the shell from 7.80 · 10 -3 m to 8.79 · 10 -3 m and from 6.62 · 10 -3 m to 7.47 · 10 -3 m, respectively, and the mass of uranium dioxide in the beam is selected from 105.44 kg to 179.14 kg, and the water-uranium ratio of the cell is selected from 0.69 to 2.69, which characterizes the new concept of the fuel assemblies of the VVER-440 reactor and, accordingly, the active zones of the VVER-440 reactor, which have increased efficiency both under normal operating conditions and in emergency conditions and is due to the following. Since the framework with which the beam of fuel rods is secured in the fuel assemblies must be similar to the framework of the standard fuel assemblies of the VVER-440 reactor, and the water-uranium ratio of the fuel grate should be close to the value of the standard fuel assemblies (water-uranium cell ratio of the standard fuel assembly-1 47), then the water-uranium ratio of the cell of the upgraded fuel assembly is selected from 0.69 to 2.69, and in the spacer grids 217 cells are made for a beam containing from 174 to 216 rod fuel elements with an outer and inner diameter of the shell of 6.00 10 -3 m to 8.00 × 10 -3 and from 5.09 · 10 -3 m to 6.79 × 10 -3 m, respectively, and the mass of uranium dioxide in the beam from 82.24 kg to about 190.78 kg or 169 cells for a bundle containing from 132 to 168 fuel rods with outer and inner shell diameters from 7.80 · 10 -3 m to 8.79 · 10 -3 m and from 6.62 · 10 -3 m to 7.47 · 10 -3 m, respectively, and the mass of uranium dioxide in beam from 105.44 kg to 179.14 kg, therefore, the average linear load on the fuel rods of the upgraded fuel assemblies decreases by 1.20 ÷ 1.76 times, provided that the rated power of the reactors is maintained and the neutron-physical and thermal-hydraulic characteristics are close regular characteristics VVER-440. Or, as calculations show, it is possible to increase the thermal power of the core, provided that the required safety of reactor operation is maintained by up to 3.6%, which is necessary to compensate for the increased cost of upgraded fuel assemblies.
Целесообразно, чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 131,23 кг до 163,02 кг, от 7,00· 10-3 м до 7,50· 10-3 м и от 5,94· 10-3 м до 6,36· 10-3 м соответственно для пучка из (204÷ 210) стержневых тепловыделяющих элементов или чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 127,82 кг до 157,76 кг, от 7,90· 10-3 м до 8,40· 10-3 м и от 6,70· 10-3 м до 7,13· 10-3 м соответственно для пучка из (156÷ 162) стержневых тепловыделяющих элементов, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,99 до 1,66.It is advisable that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element, be from 131.23 kg to 163.02 kg, from 7.00 · 10 -3 m to 7.50 · 10 -3 m and from 5 , 94 · 10 -3 m to 6.36 · 10 -3 m, respectively, for a beam of (204 ÷ 210) rod fuel elements or that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element, should be from 127.82 kg up to 157.76 kg, from 7.90 · 10 -3 m to 8.40 · 10 -3 m and from 6.70 · 10 -3 m to 7.13 · 10 -3 m, respectively, for a beam of (156 ÷ 162) rod fuel elements, and the water-uranium ratio of the cell is selected from 0.99 to 1.66.
Также целесообразно, чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 130,67 кг до 162,02 кг, от 7,20· 10-3 м до 7,70· 10-3 м и от 6,11· 10-3 м до 6,53· 10-3 м соответственно для пучка из (192÷ 198) стержневых тепловыделяющих элементов или чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 124,04 кг до 153,11 кг, от 8,10· 10-3 м до 8,60· 10-3 м и от 6,87· 10-3 м до 7,30· 10-3 м соответственно для пучка из (144÷ 150) стержневых тепловыделяющих элементов, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,86 до 1,51.It is also advisable that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element be from 130.67 kg to 162.02 kg, from 7.20 · 10 -3 m to 7.70 · 10 -3 m and 6.11 · 10 -3 m to 6.53 · 10 -3 m, respectively, for a beam of (192 ÷ 198) rod fuel elements or for the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element to be from 124.04 kg to 153.11 kg, from 8.10 · 10 -3 m to 8.60 · 10 -3 m and from 6.87 · 10 -3 m to 7.30 · 10 -3 m, respectively, for a beam of (144 ÷ 150) rod fuel elements, moreover, the water-uranium ratio of the cell is selected from 0.86 to 1.51.
Кроме того, целесообразно чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 129,41 кг до 160,21 кг, от 7,40· 10-3 м до 7,90· 10-3 м и от 6,28· 10-3 м до 6,70· 10-3 м соответственно для пучка из (180÷ 186) стержневых тепловыделяющих элементов или чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 124,81 кг до 144,15 кг, от 8,30· 10-3 м до 8,70· 10-3 м и от 7,04· 10-3 м до 7,38· 10-3 м соответственно для пучка из 138 стержневых тепловыделяющих элементов, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,74 до 1,37.In addition, it is advisable that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element ranged from 129.41 kg to 160.21 kg, from 7.40 · 10 -3 m to 7.90 · 10 -3 m and from 6.28 · 10 -3 m to 6.70 · 10 -3 m, respectively, for a beam of (180 ÷ 186) rod fuel elements or that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element, are 124, 81 kg to 144.15 kg, from 8.30 · 10 -3 m to 8.70 · 10 -3 m and from 7.04 · 10 -3 m to 7.38 · 10 -3 m, respectively, for a beam of 138 rod heat dissipation the constituent elements, wherein the water-to-uranium ratio of the cell is selected from 0.74 to 1.37.
Не менее целесообразно, чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 138,95 кг до 158,86 кг, от 7,00· 10-3 м до 7,30· 10-3 м и от 5,94· 10-3 м до 6,19· 10-3 м соответственно для пучка из 216 стержневых тепловыделяющих элементов или масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 134,19 кг до 152,12 кг, от 7,80· 10-3 м до 8,10· 10-3 м и от 6,62· 10-3 м до 6,87· 10-3 м соответственно для пучка из 168 стержневых тепловыделяющих элементов, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,13 до 1,75.It is equally advisable that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element, be from 138.95 kg to 158.86 kg, from 7.00 · 10 -3 m to 7.30 · 10 -3 m and from 5.94 · 10 -3 m to 6.19 · 10 -3 m, respectively, for a beam of 216 rod fuel elements or the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element ranged from 134.19 kg to 152, 12 kg, of 7.80 x 10 -3 m to 8.10 × 10 -3 m and from 6.62 · 10 -3 m to 6.87 × 10 -3 m, respectively, for the beam of the 168 fuel rod elements s, wherein the water-to-uranium ratio of the cell is selected from 1.13 to 1.75.
Наиболее целесообразно, чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 131,95 кг до 153,69 кг, от 7,60· 10-3 м до 8,00· 10-3 м и от 6,45· 10-3 м до 6,79· 10-3 м соответственно для пучка из 174 стержневых тепловыделяющих элементов или чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 122,28 кг до 140,75 кг, от 8,40· 10-3 м до 8,79· 10-3 м и от 7,13· 10-3 м до 7,46· 10-3 м соответственно для пучка из 132 стержневых тепловыделяющих элементов, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,69 до 1,30.It is most advisable that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element, be from 131.95 kg to 153.69 kg, from 7.60 · 10 -3 m to 8.00 · 10 -3 m and 6.45 · 10 -3 m to 6.79 · 10 -3 m, respectively, for a beam of 174 rod fuel elements or that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element, are from 122.28 kg to 140, 75 kg of 8,40 · 10 -3 m to 8.79 × 10 -3 m and from 7.13 · 10 -3 m to 7.46 × 10 -3 m, respectively, for a beam of 132 fuel rod lementov, wherein the water-to-uranium ratio of the cell is selected from 0.69 to 1.30.
Также целесообразно, чтобы масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющею элемента составляли от 132,93 кг до 155,04 кг, от 7,50· 10-3 м до 7,90· 10-3 м и от 6,36· 10-3 м до 6,70· 10-3 м соответственно для пучка из 180 стержневых тепловыделяющих элементов или масса диоксида урана в пучке, наружный и внутренний диаметры оболочки стержневого тепловыделяющего элемента составляли от 124,81 кг до 144,15 кг, от 8,30· 10-3 м до 8,70· 10-3 м и от 7,04· 10-3 м до 7,38· 10-3 м для пучка из 138 стержневых тепловыделяющих элементов, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,74 до 1,37.It is also advisable that the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element, be from 132.93 kg to 155.04 kg, from 7.50 · 10 -3 m to 7.90 · 10 -3 m and 6.36 · 10 -3 m to 6.70 · 10 -3 m respectively for a beam of 180 rod fuel elements or the mass of uranium dioxide in the beam, the outer and inner diameters of the shell of the rod fuel element ranged from 124.81 kg to 144.15 kg, from 8.30 · 10 -3 m to 8.70 · 10 -3 m and from 7.04 · 10 -3 m to 7.38 · 10 -3 m for a bundle of 138 rod fuel elements, moreover, water Hurrah ovoe cell ratio is selected between 0.74 and 1.37.
Следует подчеркнуть, что только вся совокупность существенных признаков обеспечивает решение поставленной задачи изобретения и получение вышеуказанных новых технических результатов. Действительно, известны твэлы с наружным диаметром оболочки 6,8· 10-3 м для ТВС реактора ВВЭР-440. Однако выбор лишь единичного значения наружного диаметра оболочки твэла без указания диапазонов необходимых значений внутренних и наружных диаметров оболочки твэла, соответствующего диапазона массы топлива и их взаимосвязи, а также без указания диапазона значений водо-уранового отношения топливной решетки (что предполагает комбинации входящих в них конкретных величин) не позволяет реализовать новые технические результаты. Кроме того, комбинация величин, составляющих отмеченные пары диапазонов внутренних и наружных диаметров твэлов, без выбора величины массы топлива (диоксида урана), приводит к возможности несоблюдения допустимого изменения значения водо-уранового отношения топливной решетки и/или греющей поверхности твэлов, которое позволяет принципиально решить (при условии сохранения мощности реактора) поставленную задачу.It should be emphasized that only the entire set of essential features provides a solution to the problem of the invention and the receipt of the above new technical results. Indeed, fuel rods with an outer cladding diameter of 6.8 · 10 -3 m are known for fuel assemblies of the WWER-440 reactor. However, the choice is only a single value of the outer diameter of the cladding of a fuel rod without specifying the ranges of the necessary values of the inner and outer diameters of the cladding of the fuel rod, the corresponding range of the mass of fuel and their relationship, as well as without specifying the range of values of the water-uranium ratio of the fuel lattice (which involves combinations of the specific values ) does not allow to implement new technical results. In addition, the combination of values that make up the marked pairs of ranges of the inner and outer diameters of the fuel rods, without choosing the mass of the fuel (uranium dioxide), leads to the possibility of non-compliance with the permissible change in the water-uranium ratio of the fuel grate and / or the heating surface of the fuel rods, which allows you to fundamentally solve (subject to maintaining reactor power) the task.
Перечень фигур чертежейList of drawings
На фиг.1 изображен вариант продольного разреза модернизированной в соответствии с настоящим изобретением тепловыделяющей сборки для реактора ВВЭР-440; на фиг.2 изображен вариант поперечного сечения дистанционирующей решетки с пучком тепловыделяющих элементов; на фиг.3 изображен вариант продольного разреза тепловыделяющего элемента для модернизированной ТВС реактора ВВЭР-440; на фиг.4 показано поперечное сечение модернизированной тепловыделяющей сборки, а на фиг5 представлены кривые, характеризующие изменение максимальной температуры оболочки наиболее энергонапряженного штатного и модернизированного твэла, используемого в описываемой ТВС для реактора ВВЭР-440 при аварии с разрывом трубопровода Ду 500.Figure 1 shows a variant of a longitudinal section of a fuel assembly modernized in accordance with the present invention for a WWER-440 reactor; figure 2 shows a variant of the cross section of a spacer grid with a beam of fuel elements; figure 3 shows a variant of a longitudinal section of a fuel element for a modernized fuel assembly of a VVER-440 reactor; Fig. 4 shows a cross section of a modernized fuel assembly, and Fig. 5 shows curves characterizing the change in the maximum cladding temperature of the most energetically charged standard and upgraded fuel rod used in the described fuel assembly for a VVER-440 reactor in an accident with a pipeline break of DN 500.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention
Тепловыделяющая сборка 1 реактора ВВЭР-440 состоит из пучка стержневых твэлов 2, шестигранного корпуса-чехла 3, цилиндрического хвостовика 4, головки 5 и каркаса 6 (см. фиг.1). Каркас 6 обеспечивает крепление твэлов 2 в ТВС. Каркас 6 сборки 1 включает в себя гексагональные дистанционирующие решетки (нижнюю 7 несущую решетку, верхнюю 8 и средние 9 направляющие решетки из циркониевого сплава), которые механически связаны между собой центральной трубой 10 из циркониевого сплава. Дистанционирующие решетки 7-9 для описываемой ТВС имеют 169 или 217 ячеек 11 (см фт.2). В зависимости от выбранного количества твэлов 2 в пучке, в свободные ячейки дистанционирующих решеток 7-9 могут быть вставлены цилиндрические вытеснители, выгорающие поглотители, технологические каналы и т.п. (не показаны). Нижние концы твэлов 2 жестко закреплены в несущей 7 решетке, а верхние концы твэлов 2 имеют возможность продольного перемещения в направляющей 9 решетке при температурных расширениях. Нижняя 7 несущая решетка крепится к цилиндрическому хвостовику 4 сборки, а верхняя 8 направляющая решетка соответственно - к головке 5 тепловыделяющей сборки. С помощью хвостовика 4 и головки 5 сборка устанавливается в активной зоне реактора.The fuel assembly 1 of the VVER-440 reactor consists of a bundle of
Тепловыделяющий элемент 2 включает топливный сердечник, выполненный диаметром от 5,00· 10-3 м до 7,33· 10-3 м и состоящий из отдельных таблеток 12 с центральным отверстием 13 диаметром от 0,79· 10-3 м до 1,35· 10-3 м (или сплошных) или стерженьков цилиндрической формы длиной от 6,90· 10-3 м до 12,00· 10-3 м, размещенных в оболочке 14, выполненной с наружным и внутренним диаметрами соответственно от 6,00· 10-3 м до 8,79· 10-3 м и от 5,09· 10-3 м до 7,47· 10-3 м, которая является конструкционным несущим элементом и к которой крепятся концевые детали 14 (см. фиг.3 и фиг.4). Оболочка 14 в течение эксплуатации испытывает напряжения за счет расширения и распухания топлива, а также вследствие газовыделения из топлива, особенно в местах, соответствующих границе раздела таблеток или стерженьков. Устранение данных негативных моментов осуществляется профилированием формы таблеток 12 (или стерженьков), в частности путем выполнения их торцов вогнутыми или с конической формой боковой поверхности в районе торцов (не показано).The
В качестве материала таблеток 12 наиболее целесообразно использовать спрессованный и спеченный диоксид урана со средней плотностью (10,4· 103÷ 10,8· 103) кг/м3, но могут использоваться также окислы плутония, тория и карбиды урана или смеси указанных делящихся материалов. Масса диоксида урана в тепловыделяющей сборке составляет от 82,24 кг до 190,78 кг.As the material of
При выборе толщины оболочки 14 твэла модернизированной активной зоны наиболее целесообразно сохранить отношение толщины оболочки к наружному диаметру описываемого твэла таким же, как и в штатных твэлах реактора ВВЭР-440, что с учетом сохранения величины давления заполнения гелием (0,2÷ 0,7) МПа позволяет гарантировать устойчивость оболочек твэла модернизированной активной зоны, не меньшую, чем для штатных твэлов. Кроме того, необходимо также учитывать условие, касающееся того, что радиальный зазор между таблетками 12 топливного сердечника и оболочкой 14 в описываемых твэлах был не менее 0,05· 10-3 м. Это условие обусловлено технологическими трудностями при сборке твэлов.When choosing the thickness of the
Вследствие низкой теплопроводности материала таблеток 12 топливного сердечника, а также с учетом всех вышеприведенных условий, оболочка 14 стержневого твэла описываемой ТВС для модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440 должна иметь наружный и внутренний диаметры (6,00· 10-3÷ 8,00· 10-3) м и (5,09· 10-3÷ 6,79· 10-3) м соответственно для пучка (174÷ 216) твэлов или (7,80· 10-3÷ 8,79· 10-3) м и (6,62· 10-3÷ 7,47· 10-3) м соответственно для пучка (132÷ 168) твэлов. Дело в том, что из первых трех вышеуказанных условий следует, что относительный шаг h расположения твэлов (см. фиг.2) должен обеспечить водо-урановое отношение ячейки 16 (см. фиг.3) для модернизированной активной зоны, близкое к водо-урановому отношению ячейки решеток действующих ВВЭР-440. Значения водо-уранового отношения ячейки для решеток модернизированных ТВС находятся в диапазоне от 0,69 до 2,69. Принимая во внимание все вышеуказанные условия, а также результаты нейтронно-физических, теплогидравлических, термомеханических расчетов и, прежде всего, результаты анализов аварий ВВЭР-440 с течами теплоносителя из первого контура, были определены границы диапазонов основных характеристик описываемой ТВС для модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440. Так, для пучка, содержащего от 174 до 216 твэлов:Due to the low thermal conductivity of the material of the
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 6,00· 10-3 м до 8,00· 10-3 м;- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 6.00 · 10 -3 m to 8.00 · 10 -3 m;
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5,09· 10-3 м до 6,79· 10-3;- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 5.09 · 10 -3 m to 6.79 · 10 -3 ;
- масса диоксида урана выбрана от 82,24 кг до 190,78 кг;- the mass of uranium dioxide selected from 82.24 kg to 190.78 kg;
- в дистанционирующих решетках выполнены 217 ячеек, а для пучка, содержащего от 132 до 168 твэлов:- 217 cells are made in the spacing grids, and for a beam containing from 132 to 168 fuel rods:
- наружный диаметр оболочки твэла выполнен от 7,80· 10-3 м до 8,79· 10-3 м;- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is made from 7.80 · 10 -3 m to 8.79 · 10 -3 m;
- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 6,62· 10-3 м до 7,47· 10-3 м;- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is made from 6.62 · 10 -3 m to 7.47 · 10 -3 m;
- масса диоксида урана выбрана от 105,44 кг до 179,14 кг;- the mass of uranium dioxide selected from 105.44 kg to 179.14 kg;
- в дистанционирующих решетках выполнены 169 ячеек, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,69 до 2,69.- 169 cells are made in the spacer grids, and the water-uranium ratio of the cell is selected from 0.69 to 2.69.
Выполнение твэла описываемой ТВС с пучком от 174 до 216 шт., наружным диаметром менее 6,00· 10-3 м, например 5,90· 10-3 м и соответственно выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки не более 5,08· 10-3 м и массой топлива в ТВС не более 82,23 кг, а также несоблюдение вышеуказанного диапазона водо-уранового отношения (0,69-2,69) приводит к невыполнению условия, касающегося обеспечения проектной продолжительности работы топливной загрузки в связи с уменьшением загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-440 (которое должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС), а выполнение твэла наружным диаметром более 8,00· 10-3 м (например, 8,10· 10-3 м) и соответственно выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки не менее 6,80· 10-3 м и массой топлива в ТВС не менее 190.79 кг приводит к невыполнению условия, касающегося возможного увеличения гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС реактора ВВЭР-440 по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-440 (превышение значения относительного напора ГЦН более 19%). Выполнение же твэла описываемой ТВС с пучком от 132 до 168 шт., наружным диаметром менее 7,80· 10-3 м, например 7,70· 10-3 м, и соответственно выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки не более 6,61· 10-3 м и массой топлива в ТВС не более 105,43 кг, а также несоблюдение вышеуказанного диапазона водо-уранового от ношения приводит тоже к невыполнению условия, касающегося обеспечения проектной продолжительности работы топливной загрузки в связи с уменьшением загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-440 (которое должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС), а выполнение твэла наружным диаметром более 8,79· 10-3 м (например, 8,90· 10-3 м) и соответственно выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки не менее 7,48· 10-3 м и массой топлива в ТВС не менее 179,15 кг приводит к невыполнению условия, касающегося возможного увеличения гидравлических потерь на трение и модернизированной ТВС реактора ВВЭР-440 по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-440 (превышение значения относительного напора ГЦН более 10%).The implementation of the fuel rod of the described fuel assembly with a beam from 174 to 216 units, with an outer diameter of less than 6.00 · 10 -3 m, for example 5.90 · 10 -3 m, and, accordingly, the execution of a fuel element with an inner diameter of the shell of not more than 5.08 · 10 - 3 m and fuel mass in fuel assemblies of not more than 82.23 kg, as well as non-observance of the above range of water-uranium ratio (0.69-2.69) leads to non-fulfillment of the condition for ensuring the design duration of the fuel load due to a decrease in fuel load in the upgraded fuel assemblies in comparison with the standard design of the WWER-440 fuel assemblies (which e must be compensated by increasing the burnup depth in the upgraded fuel assembly relative to the standard fuel assembly), and the performance of a fuel rod with an outer diameter of more than 8.00 · 10 -3 m (for example, 8.10 · 10 -3 m) and, accordingly, the execution of a fuel rod with an internal diameter a shell of at least 6.80 · 10 -3 m and a fuel mass of fuel assemblies of at least 190.79 kg leads to non-fulfillment of the condition regarding a possible increase in hydraulic friction losses in the upgraded fuel assemblies of the VVER-440 reactor compared to the standard design of the VVER-440 fuel assemblies (excess relative head pressure G H more than 19%). The execution of the fuel rod of the described fuel assembly with a beam of 132 to 168 units, with an outer diameter of less than 7.80 · 10 -3 m, for example 7.70 · 10 -3 m, and, accordingly, the execution of a fuel element with an inner diameter of the shell of not more than 6.61 · 10 -3 m and fuel mass in fuel assemblies of not more than 105.43 kg, as well as non-observance of the above range of water-uranium bearing also leads to non-fulfillment of the condition regarding ensuring the design duration of the fuel load due to a decrease in fuel loading in the upgraded fuel assemblies in comparison with the standard design of the VVER-440 fuel assembly (cat Roe must be compensated for increased burnup in the fuel assemblies upgraded with respect to the standard fuel assemblies) and fuel rod performance of external diameter greater than 8.79 × 10 -3 m (e.g., 8.90 · 10 -3 m) and accordingly performance of the fuel element with an inner diameter shells of at least 7.48 · 10 -3 m and fuel mass in fuel assemblies of at least 179.15 kg leads to failure to meet the conditions regarding a possible increase in hydraulic friction losses and upgraded fuel assemblies of the VVER-440 reactor compared to the standard design of the VVER-440 fuel assemblies (excess of relative pressure RCP greater than 10%).
Следует отметить, что первые четыре вышеуказанных условия позволяют уточнить предпочтительные границы диапазонов основных характеристик описываемого твэла для модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440, а именно:It should be noted that the first four of the above conditions allow us to clarify the preferred boundaries of the ranges of the main characteristics of the described fuel element for the modernized core of the VVER-440 reactor, namely:
1) для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 217 ячеек:1) for fuel assemblies with spacer grids containing 217 cells:
- пучок содержит от 204 до 210 твэлов,- the bundle contains from 204 to 210 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7,00· 10-3 м до 7,50· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 7.00 · 10 -3 m to 7.50 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5,94· 10-3 м до 6,36· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 5.94 · 10 -3 m to 6.36 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 131,23 кг до 163,02 кг,- the mass of uranium dioxide in the fuel assembly is selected from 131.23 kg to 163.02 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,99 до 1,66 или пучок содержит от 192 до 198 твэлов,- the water-uranium ratio of the cell is selected from 0.99 to 1.66 or the bundle contains from 192 to 198 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выполнен от 7,20· 10-3 м до 7,70· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is made from 7.20 · 10 -3 m to 7.70 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 6,11· 10-3 м до 6,53· 10-3 м;- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is made from 6.11 · 10 -3 m to 6.53 · 10 -3 m;
- масса диоксида урана выбрана от 130,67 кг до 162,02 кг,- the mass of uranium dioxide is selected from 130.67 kg to 162.02 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,86 до 1,51 или- water-uranium ratio of the cell selected from 0.86 to 1.51 or
- пучок содержит от 180 до 186 твэлов,- the bundle contains from 180 to 186 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выполнен от 7,40· 10-3 м до 7,90· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is made from 7.40 · 10 -3 m to 7.90 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 6,28· 10-3 м до 6,70· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is made from 6.28 · 10 -3 m to 6.70 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана выбрана от 129,41 кг до 160,21 кг,- the mass of uranium dioxide is selected from 129.41 kg to 160.21 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,74 до 1,37.- water-uranium ratio of the cell selected from 0.74 to 1.37.
2) для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 169 ячеек:2) for fuel assemblies with spacer grids containing 169 cells:
- пучок содержит от 156 до 162 твэлов,- the bundle contains from 156 to 162 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7,90· 10-3 м до 8,40· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 7.90 · 10 -3 m to 8.40 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6,70· 10-3 м до 7,13· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 6.70 · 10 -3 m to 7.13 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 127,82 кг до 157,76 кг,- the mass of uranium dioxide in the fuel assembly is selected from 127.82 kg to 157.76 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,99 до 1,66 или- the water-uranium ratio of the cell is selected from 0.99 to 1.66 or
- пучок содержит от 144 до 150 твэлов,- the bundle contains from 144 to 150 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выполнен от 8,10· 10-3 м до 8,60· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is made from 8.10 · 10 -3 m to 8.60 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 6,87· 10-3 м до 7,30· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is made from 6.87 · 10 -3 m to 7.30 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана выбрана от 124,04 кг до 153,11 кг,- the mass of uranium dioxide selected from 124.04 kg to 153.11 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,86 до 1,51 или- water-uranium ratio of the cell selected from 0.86 to 1.51 or
- пучок содержит 138 твэлов,- the bundle contains 138 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выполнен от 8,30· 10-3 м до 8,70· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is made from 8.30 · 10 -3 m to 8.70 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 7,04· 10-3 м до 7,38· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of a fuel rod is made from 7.04 · 10 -3 m to 7.38 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана выбрана от 124,81 кг до 144,15 кг,- the mass of uranium dioxide selected from 124.81 kg to 144.15 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,74 до 1,37.- water-uranium ratio of the cell selected from 0.74 to 1.37.
Кроме того, из первых двух и последних двух вышеуказанных условий следует, что для модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440 наиболее целесообразным является выполнение тепловыделяющих сборок со следующими характеристиками, а именно:In addition, from the first two and last two of the above conditions it follows that for the modernized core of the VVER-440 reactor, the most appropriate is the implementation of fuel assemblies with the following characteristics, namely:
1) для тепловыделяющих сборок с дистанционируюшими решетками, содержащими 217 ячеек:1) for fuel assemblies with spacer grids containing 217 cells:
- пучок содержит 216 твэлов,- the bundle contains 216 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7,00· 10-3 м до 7,30· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 7.00 · 10 -3 m to 7.30 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5,94· 10-3 м до 6,19· 10-3,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 5.94 · 10 -3 m to 6.19 · 10 -3 ,
- масса диоксида урана выбрана от 138,95 кг до 158,86 кг,- the mass of uranium dioxide selected from 138.95 kg to 158.86 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,13 до 1,75 или- water-uranium ratio of the cell selected from 1.13 to 1.75 or
- пучок содержит 174 твэлов,- the bundle contains 174 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7,60· 10-3 м до 8.00· 10-3,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 7.60 · 10 -3 m to 8.00 · 10 -3 ,
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6,45· 10-3 м до 6,79· 10-3,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 6.45 · 10 -3 m to 6.79 · 10 -3 ,
- масса диоксида урана выбрана от 131,95 кг до 153,69 кг,- the mass of uranium dioxide selected from 131.95 kg to 153.69 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,69 до 1,30 или- water-uranium ratio of the cell selected from 0.69 to 1.30 or
- пучок содержит 180 твэлов,- the bundle contains 180 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7,50· 10-3 м до 7,90· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 7.50 · 10 -3 m to 7.90 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6,36· 10-3 м до 6.70· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 6.36 · 10 -3 m to 6.70 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана выбрана от 132,93 кг до 155,04 кг,- the mass of uranium dioxide selected from 132.93 kg to 155.04 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,74 до 1,37,- water-uranium ratio of the cell selected from 0.74 to 1.37,
2) для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 169 ячеек:2) for fuel assemblies with spacer grids containing 169 cells:
- пучок содержит 168 твэлов,- the bundle contains 168 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7,80· 10-3 м до 8,10· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 7.80 · 10 -3 m to 8.10 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6,62· 10-3 м до 6,87· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of the fuel element is selected from 6.62 · 10 -3 m to 6.87 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана выбрана от 134,19 кг до 152,12 кг,- the mass of uranium dioxide selected from 134.19 kg to 152.12 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,13 до 1,75 или- water-uranium ratio of the cell selected from 1.13 to 1.75 or
- пучок содержит 132 твэла,- the bundle contains 132 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8,40· 10-3 м до 8,79· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 8.40 · 10 -3 m to 8.79 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7,13· 10-3 м до 7,46· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 7.13 · 10 -3 m to 7.46 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана выбрана от 122,28 кг до 140,75 кг,- the mass of uranium dioxide is selected from 122.28 kg to 140.75 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,69 до 1,30 или- water-uranium ratio of the cell selected from 0.69 to 1.30 or
- пучок содержит 138 твэлов,- the bundle contains 138 fuel rods,
- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8,30· 10-3 м до 8,70· 10-3 м,- the outer diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 8.30 · 10 -3 m to 8.70 · 10 -3 m,
- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7,04· 10-3 м до 7,38· 10-3 м,- the inner diameter of the cladding of the fuel rod is selected from 7.04 · 10 -3 m to 7.38 · 10 -3 m,
- масса диоксида урана выбрана от 124,81 кг до 144,15 кг,- the mass of uranium dioxide selected from 124.81 kg to 144.15 kg,
- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 0,74 до 1,37.- water-uranium ratio of the cell selected from 0.74 to 1.37.
Анализ работоспособности и термомеханического состояния твэлов позволил уточнить некоторые основные конструкционные параметры твэлов описываемой ТВС. Как показали расчетные исследования, значительное снижение тепловой нагрузки на твэл позволяет отказаться от ставшей традиционной для реакторов типа ВВЭР и не нашедшей применения в зарубежных реакторах PWR конструкции топливной таблетки с центральным отверстием. Такое решение обусловлено, с одной стороны, относительно небольшим снижением температуры топлива за счет центрального отверстия при пониженных тепловых нагрузках на твэл и увеличившимся запасом надежности но отношению к плавлению топлива, а, с другой, возможными технологическими трудностями при изготовлении таблеток уменьшенного диаметра с центральными отверстиями менее 1,5· 10-3 м.An analysis of the operability and thermomechanical state of the fuel elements made it possible to clarify some basic structural parameters of the fuel elements of the fuel assembly described. As shown by computational studies, a significant reduction in the thermal load on the fuel rod allows us to abandon the design of a fuel pellet with a central hole that has become traditional for WWER reactors and has not found application in foreign PWR reactors. This solution is due, on the one hand, to a relatively small decrease in fuel temperature due to the central hole with reduced thermal loads on the fuel rods and an increased safety margin in relation to fuel melting, and, on the other hand, possible technological difficulties in the manufacture of tablets of reduced diameter with central holes less than 1.5 · 10 -3 m.
Корпус-чехол 3, внутри которого размещаются твэлы 2, связывает в единое целое все части ТВС и обеспечивает необходимое направление движения потока теплоносителя внутри ТВС между отдельными твэлами 2 в сборке и между ТВС в активной зоне реактора. Корпус-чехол 3 сборки разгружен от внутреннего давления теплоносителя, возникающего при протекании теплоносителя через ТВС. Для получения одинаковой температуры теплоносителя на выходе из ТВС расход теплоносителя по сборкам может быть профилирован в соответствии с распределением тепловыделения по радиусу реактора посредством установки дроссельных шайб на входе теплоносителя в ТВС (не показаны).The case-
Технология изготовления описываемых конструкций тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок производится на известном штатном оборудовании и не имеет отличий с точки зрения производства аналогичных устройств.The manufacturing technology of the described designs of fuel elements and fuel assemblies is made using well-known standard equipment and has no differences in terms of production of similar devices.
На фиг.5 в качестве примера представлены кривые, характеризующие изменение при максимальной проектной аварии (МПА) температур оболочек твэлов с максимальной нагрузкой для штатной (наружный диаметр оболочки штатного твэла 9,10· 10-3 м) и модернизированной (наружный диаметр оболочки твэла описываемой ТВС 7,00· 10-3 м) активных зон реактора ВВЭР-440. Из анализа состояния твэлов в указанном режиме видно (фиг.5), что твэл в описываемой ТВС обладает значительно более низкой максимальной температурой оболочки. Для "горячего" твэла (твэл с максимальной линейной тепловой нагрузкой) снижение максимальной температуры составляет 278° С, а для твэлов со средней нагрузкой 150° С. Такие величины снижения температуры оболочки твэлов принципиальным образом изменяют уровень работоспособности твэлов и прогнозируемую степень безопасности ВВЭР-440. В первую очередь, это связано с сильной зависимостью механических свойств материала оболочки от температуры в области Т>550° С, а также интенсивно возрастающим вкладом тепла пароциркониевой реакции в развитие аварийной ситуации при температурах Т>700° С. Поэтому переход к модернизированной зоне и соответственно снижение максимальной температуры при МПА с 900° С до уровня ниже 600° С в значительной степени исключает влияние пароциркониевой реакции на изменение свойств материала и геометрических размеров оболочек твэлов.Figure 5 presents, as an example, the curves characterizing the change at the maximum design basis accident (MPA) of the cladding temperatures of the fuel rods with the maximum load for the standard (the outer diameter of the shell of the standard fuel rod 9.10 · 10 -3 m) and modernized (the outer diameter of the fuel clad described Fuel assemblies 7.00 · 10 -3 m) of the active zones of the VVER-440 reactor. From the analysis of the state of the fuel rods in the indicated mode, it is seen (Fig. 5) that the fuel rod in the described fuel assembly has a significantly lower maximum clad temperature. For a “hot” fuel element (a fuel element with a maximum linear thermal load), the decrease in maximum temperature is 278 ° C, and for a fuel element with an average load of 150 ° C. Such values for lowering the cladding temperature of a fuel element fundamentally change the level of fuel element operability and the predicted degree of safety of VVER-440 . First of all, this is due to the strong dependence of the mechanical properties of the shell material on temperature in the region of T> 550 ° C, as well as the rapidly increasing contribution of the heat of the steam-zirconium reaction to the development of the emergency at temperatures T> 700 ° C. Therefore, the transition to the modernized zone and, accordingly a decrease in the maximum temperature at MPA from 900 ° C to a level below 600 ° C largely excludes the effect of the steam-zirconium reaction on the change in material properties and the geometric dimensions of the claddings of fuel elements.
Следует также отметить, что твэлы описываемой ТВС модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440, вследствие снижения удельных тепловых нагрузок, имеют значительно более низкие температуры топлива и обладают повышенной работоспособностью из-за уменьшения воздействия на оболочку твэла давления газообразных продуктов деления. Пониженный выход их в твэлах модернизированной активной зоны приводит также к меньшему коррозионному воздействию на оболочку со стороны топлива. Это дает основания полагать (расчетное обоснование), что в твэлах описываемой ТВС модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440 реально достижение среднего выгорания топлива (55÷ 60) МВт· сут./кг.It should also be noted that the fuel rods of the described fuel assemblies of the modernized VVER-440 reactor, due to the reduction of specific heat loads, have significantly lower fuel temperatures and have increased performance due to the reduced impact on the cladding of the fuel rod of the pressure of gaseous fission products. Their reduced output in the fuel rods of the upgraded core also leads to less corrosion on the fuel side of the cladding. This gives reason to believe (calculated justification) that in the fuel rods of the fuel assemblies of the modernized VVER-440 reactor, the average burnup of fuel (55 ÷ 60) MW · day / kg is real.
Работоспособность твэлов в переходных режимах работы, связанных с требуемым маневрированием мощностью, обусловлена многими факторами: уровнем тепловых нагрузок, предысторией работы, скоростью и величиной изменения мощности, коррозионным воздействием на оболочку со стороны топливного сердечника и др. Для избежания разгерметизации твэлов в маневренных режимах вводятся ограничения по скорости и диапазону подъема мощности штатного реактора, что приводит к экономическим потерям. Значения допустимой "ступеньки" подъема мощности наиболее резко снижаются с увеличением как выгорания топлива, так и исходной линейной нагрузки. Поэтому снижение линейных тепловых нагрузок твэлов является одним из самых эффективных путей решении этой проблемы. Уменьшение максимальных тепловых линейных нагрузок от 40 кВт/м до 23 кВт/м практически дает неограниченные возможности в изменении мощности для модернизированных конструкций ТВС. Средняя линейная нагрузка твэла описываемой ТВС для модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440 с наружным диаметром от 7,00· 10-3 м до 8,00· 10-3 м составляет (7,36÷ 7,54) кВг/м и (9,46÷ 9,69) кВт/м для твэлов с диаметром оболочки от 7,8· 10-3 м до 8,79· 10-3 м (для штатного твэла диаметром 9,1· 10-3 м средняя линейная нагрузка равна 12,82 кВт/м). Поэтому переход к пониженным тепловым нагрузкам в твэлах описываемой ТВС модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440 принципиально расширяет диапазон маневрирования мощностью реактора с повышенной скоростью.The operability of fuel rods in transient modes of operation associated with the required maneuvering power is due to many factors: the level of thermal loads, the history of operation, the speed and magnitude of the change in power, the corrosion effect on the cladding from the side of the fuel core, and others. To avoid the depressurization of fuel rods in maneuver modes in terms of speed and range of power rise of a standard reactor, which leads to economic losses. Values of the permissible "step" of power increase most sharply decrease with increasing both fuel burnup and the initial linear load. Therefore, reducing the linear thermal loads of fuel rods is one of the most effective ways to solve this problem. Reducing the maximum thermal linear loads from 40 kW / m to 23 kW / m gives virtually unlimited possibilities in changing power for modernized fuel assembly designs. The average linear load of the fuel rod of the described fuel assembly for the modernized VVER-440 reactor core with an outer diameter of 7.00 · 10 -3 m to 8.00 · 10 -3 m is (7.36 ÷ 7.54) kVg / m and ( 9.46 ÷ 9.69) kW / m for fuel elements with a cladding diameter from 7.8 · 10 -3 m to 8.79 · 10 -3 m (for a standard fuel element with a diameter of 9.1 · 10 -3 m average linear load equal to 12.82 kW / m). Therefore, the transition to reduced thermal loads in the fuel rods of the fuel assemblies of the upgraded VVER-440 reactor core fundamentally expands the range of maneuvering with reactor power at an increased speed.
Следует также отметить, что согласно экономическим расчетам для компенсации повышенной себестоимости модернизированной ТВС достаточно или продление топливного цикла максимум на (25÷ 30) эф. суток, или повышение мощности энергоблока на 3,6%. Оценки потенциальной возможности модернизированной активной зоны показывают, что увеличение продолжительности топливных циклов на 30 эф. суток достигается при реализации схемы перегрузок модернизированных ТВС с более глубоким уменьшением утечки нейтронов, что выполнимо на реакторах ВВЭР-440 с учетом роста теплотехнических запасов при переходе на уменьшенный диаметр твэлов. Теплогидравлические расчеты модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440 подтверждают потенциальную возможность увеличения тепловой мощности активной зоны при использовании твэлов уменьшенного диаметра на величину (до 15%) существенно больше требуемой (3.6%) для компенсации повышенной стоимости модернизированной ТВС. Таким образом описанная выше конструкция модернизированной ТВС для реактора ВВЭР-440 позволяет не только скомпенсировать повышенную себестоимость, но и повысить экономическую эффективность.It should also be noted that according to economic calculations, to compensate for the increased cost of a modernized fuel assembly, it is sufficient to extend the fuel cycle by a maximum of (25 ÷ 30) ef. days, or an increase in power unit by 3.6%. Assessments of the potential of the modernized core show that an increase in the duration of fuel cycles by 30 ef. days is achieved by implementing the overload scheme of upgraded fuel assemblies with a deeper decrease in neutron leakage, which is feasible on VVER-440 reactors, taking into account the growth of heat reserves when switching to a reduced fuel rod diameter. Thermohydraulic calculations of the modernized core of the VVER-440 reactor confirm the potential possibility of increasing the thermal power of the core when using fuel rods of reduced diameter by up to (15%) significantly more than the required (3.6%) to compensate for the increased cost of the upgraded fuel assemblies. Thus, the design of the upgraded fuel assembly for the VVER-440 reactor described above allows not only to compensate for the increased cost, but also to increase economic efficiency.
На основании вышеизложенного можно констатировать, что переход на модернизированную активную зону с описываемыми ТВС в реакторах ВВЭР-440 дает возможность понизить тепловые нагрузки на твэл в (1,33÷ 1,76) раз. Такое значительное снижение линейных тепловых нагрузок в твэлах описываемой ТВС модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-440 позволяет:Based on the foregoing, it can be stated that the transition to a modernized core with the described fuel assemblies in VVER-440 reactors makes it possible to reduce the thermal load on the fuel elements by (1.33 ÷ 1.76) times. Such a significant reduction in linear thermal loads in the fuel rods of the fuel assemblies described in the modernized VVER-440 reactor core allows:
- повысить безопасность энергоустановки с реактором ВВЭР-440;- increase the safety of power plants with a VVER-440 reactor;
- обеспечить возможность решения проблемы, связанной с маневрированием мощностью реактора ВВЭР-440;- to provide an opportunity to solve the problem associated with maneuvering the power of the VVER-440 reactor;
- увеличить работоспособность твэлов в нормальных условиях эксплуатации, что дает основания считать реальным достижение среднего выгорания топлива в твэлах (55-60) МВт· сут/кг.- increase the operability of fuel rods under normal operating conditions, which gives reason to consider it realistic to achieve an average fuel burnup in fuel rods (55-60) MW · day / kg.
Следует отметить, что описываемые ТВС могут быть использованы не только в реакторах ВВЭР-440, а также и других водо-водяных реакторах с водой под давлением (PWR), реакторах с кипящей водой (BWR) и в тяжеловодных реакторах.It should be noted that the described fuel assemblies can be used not only in VVER-440 reactors, but also in other pressurized water-water reactors (PWR), boiling water reactors (BWR), and in heavy water reactors.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002128472/06A RU2242810C2 (en) | 2002-10-24 | 2002-10-24 | Fuel assembly for water-moderated water-cooled reactor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002128472/06A RU2242810C2 (en) | 2002-10-24 | 2002-10-24 | Fuel assembly for water-moderated water-cooled reactor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002128472A RU2002128472A (en) | 2004-04-27 |
RU2242810C2 true RU2242810C2 (en) | 2004-12-20 |
Family
ID=34387230
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002128472/06A RU2242810C2 (en) | 2002-10-24 | 2002-10-24 | Fuel assembly for water-moderated water-cooled reactor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2242810C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113161021A (en) * | 2021-04-25 | 2021-07-23 | 西安交通大学 | Hollow uranium nitride fuel element of fast neutron reactor |
WO2023249511A1 (en) * | 2022-06-21 | 2023-12-28 | Акционерное Общество "Твэл" | Nuclear reactor fuel assembly (embodiments) |
-
2002
- 2002-10-24 RU RU2002128472/06A patent/RU2242810C2/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113161021A (en) * | 2021-04-25 | 2021-07-23 | 西安交通大学 | Hollow uranium nitride fuel element of fast neutron reactor |
WO2023249511A1 (en) * | 2022-06-21 | 2023-12-28 | Акционерное Общество "Твэл" | Nuclear reactor fuel assembly (embodiments) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6512805B1 (en) | Light water reactor core and fuel assembly | |
Malone et al. | Lightbridge Corporation’s advanced metallic fuel for light water reactors | |
JPS5844237B2 (en) | Nuclear reactor core fuel loading and operation method | |
Sinha | Advanced nuclear reactor systems–an Indian perspective | |
Venard et al. | The ASTRID core at the midterm of the conceptual design phase (AVP2) | |
Awan et al. | Neutronic design study of a small modular IPWR loaded with accident tolerant-fully ceramic micro-encapsulated (AT-FCM) fuel | |
Blinkov et al. | Prospects for using annular fuel elements in nuclear power engineering | |
Kambe et al. | RAPID-L operator-free fast reactor concept without any control rods | |
JPS58135989A (en) | Fuel assembly for bwr type reactor | |
RU2242810C2 (en) | Fuel assembly for water-moderated water-cooled reactor | |
RU2244347C2 (en) | Fuel rod for water-moderated water-cooled power reactor | |
RU2136060C1 (en) | Core, fuel assembly, and fuel element of water- moderated power reactor | |
JP3828345B2 (en) | Light water reactor core and fuel assembly | |
JP4558477B2 (en) | Boiling water reactor fuel assemblies | |
RU2248630C2 (en) | Fuel assembly of water-moderated water-cooled reactor | |
RU2241262C2 (en) | Water-moderated power reactor core | |
RU2236712C2 (en) | Control fuel assembly of pressurized water reactors | |
RU2248629C2 (en) | Water-moderated water cooled-reactor core | |
RU2126999C1 (en) | Water-moderated power reactor core | |
RU2126180C1 (en) | Water-moderated power reactor core | |
Pon | Candu-Blw-250 | |
RU2143144C1 (en) | Fuel assembly of water-cooled power reactor | |
Leer et al. | Fast modular reactor nuclear design parameters of fuel cycle and power distributions | |
RU2143143C1 (en) | Fuel assembly of water-cooled power reactor | |
JP7278937B2 (en) | Method for manufacturing nuclear fuel elements |