Активная зона водо-водяного энергетического реактора

Изобретение применяется в конструкциях активных зон, используемых в водо-водяных ядерных энергетических реакторах, особенно в ядерных реакторах типа ВВЭР-1000. В активной зоне водо-водяного энергетического реактора водо-урановое отношение топливной решетки, наружный и внутренний диаметры оболочки типа составляют от 1.51 до 2.10, 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 ТВС, содержащих (468-510) твэлов или водо-урановое отношение топливной решетки, наружный и внутренний диаметры оболочки твэла составляют от 1.49 до 2.06, от 7.60·10^-3 м до 8.30·10^-3 м и от 6.45·10^-3 м до 7.04·10^-3 м, соответственно, для ТВС, содержащих (390-432) твэлов или водо-урановое отношение топливной решетки, наружный и внутренний диаметры оболочки твэла составляют от 1.61 до 2.03, от 8.30·10^-3 м до 8.79·10^-3 м и от 7.04·10^-3 м до 7.46·10^-3 м, соответственно, для ТВС, содержащих (318-360) твэлов, причем отношение высоты активной зоны к длине тепловыделяющей сборки составляет от 0.7677 до 0.7945. Техническим результатом является снижение линейных тепловых нагрузок, уменьшение вероятности разгерметизации тепловыделяющих элементов, расширение диапазона маневрирования мощностью реактора и улучшение топливоиспользования. 4 з.п.ф-лы, 16 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к ядерной технике и касается усовершенствования активных зон ядерных реакторов, в которых в качестве теплоносителя и замедлителя используется вода (так называемых водо-водяных ядерных реакторах), применяемых как источник тепла для электростанций, в силовых установках и пр., особенно в реакторах тепловой мощностью порядка (2600-3900) МВт.

Уровень техники.

Перспектива развития ядерной энергетики в значительной мере определяется решением вопроса обеспечения безопасности атомных электростанций (АЭС). При создании активных зон, обеспечивающих качественно новый уровень безопасности АЭС, необходимо основываться на апробированных технических решениях, положительном опыте проектирования и эксплуатации действующих АЭС. Наиболее значительными по последствиям для АЭС, в частности, с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР), являются аварии с потерей теплоносителя первого контура, развитие которых при несрабатывании многократно резервированных пассивных и активных систем безопасности, обеспечивающих введение в первый контур охлаждающей воды с поглотителем нейтронов, может привести к тяжелым последствиям.

Проблема повышения уровня безопасности действующих АЭС с реакторами ВВЭР имеет различные пути решения. Однако в настоящее время она решается, как правило, повышением надежности защитных систем, совершенствованием отдельных узлов и оборудования, оптимизацией режимов и регламента эксплуатации.

Вместе с тем не затрагиваются вопросы уменьшения в нормальном режиме теплонапряженности твэлов, оболочки которых являются одним из основных барьеров на пути распространения радиоактивных веществ и которые могут разгерметизироваться в аварийных ситуациях прежде всего из-за их перегрева. Такая тенденция обусловлена, главным образом, многолетним успешным опытом эксплуатации ядерного топлива существующей конструкции и его хорошо отлаженным производством.

Реакторы типа ВВЭР в процессе внедрения в ядерную энергетику не претерпели изменений основных технических решений. К таким решениям, заложенным в конструкциях отечественных реакторов типа ВВЭР, следует отнести:

- все устройства внутри корпуса реактора должны быть извлекаемыми для возможного ремонта, замены и для контроля внутренней поверхности корпуса реактора;

- установку в верхней части реактора органов системы управления и защиты (СУЗ) и оборудования для контроля за работой реактора для удобного их обслуживания;

- тепловыделяющие сборки (ТВС), позволяющие создать конфигурацию активной зоны, близкую к цилиндрической, размещены в выемной корзине, днище которой является опорной конструкцией активной зоны;

- теплоноситель в активной зоне движется снизу вверх, что обеспечивает возможность охлаждения ТВС в режиме естественной циркуляции.

Активная зона реактора ВВЭР-1000, номинальная электрическая мощность энергоблока с которым равна 1000 МВт (при соответственно тепловой мощности реактора в 3000 МВт), набирается из шестигранных ТВС, устанавливаемых практически вплотную друг к другу в корзине активной зоны. В ТВС по треугольному шагу устанавливают стержневые твэлы. В качестве ядерного топлива используют прессованные и спеченные таблетки из диоксида урана. В одной ячейке (центральной) ТВС размещается полая трубка. Внутри этой трубки размещают датчики для измерения температуры воды и детекторы энерговыделения (см. И.Я.Емельянов, В.И.Михан, М.И.Солонин и др. Конструирование ядерных реакторов, М., Энергоиздат, 1982, с.76).

Тепловыделяющая сборка реактора ВВЭР-1000 состоит из пучка стержневых твэлов и каркаса сборки, с помощью последнего обеспечивается крепление твэлов в сборке. Каркас сборки включает в себя гексагональные дистанционирующие решетки, которые механически связаны между собой, а хвостовиком и головкой - с центральной трубой и 18 направляющими каналами. Каждая ТВС содержит 312 твэлов с таблетками из диоксида урана (см. Эксплуатационные режимы АЭС с ВВЭР-1000, Библиотека эксплуатационника АЭС, Выпуск 12, Москва, Энергоатомиздат, 1992 г., с.231-233, рис.4.3 и 4.4).

Конструкции стержневых твэлов и самой активной зоны для реакторов ВВЭР должны обеспечить механическую устойчивость и прочность твэлов, в том числе в проектных аварийных условиях при высоких температурах и при наличии длительных мощных 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 активной зоны необходимо учитывать положительное влияние увеличения отношения теплопередающей поверхности твэла к активному объему, занимаемому ядерным топливом.

Известная активная зона водо-водяного энергетического реактора ВВЭР-1000 компонуется из 163 шестигранных ТВС, имеющих одинаковую конструкцию и набранных из стержневых твэлов (см. Эксплуатационные режимы АЭС с ВВЭР-1000, Библиотека эксплуатационника АЭС, Выпуск 12, Москва, Энергоатомиздат, 1992 г. с 231-233, рис.4.3 и 4.4). Активная зона реактора ВВЭР-1000 имеет форму, близкую к цилиндру с высотой 3.55 м и эквивалентным диаметром 3.16 м. Общая высота ТВС составляет 4.57 м; между ТВС имеется незначительный водяной зазор (2· 10^-3 м). Каждая ТВС реактора ВВЭР-1000 содержит 312 стержневых твэлов, выполненных с наружным диаметром 9.1· 10^-3 м и имеющих среднюю линейную тепловую нагрузку на твэл 16.71 кВт/м. Такой твэл обеспечивает относительно высокий уровень выгорания топлива в вышеуказанной ТВС и хорошо себя зарекомендовал за время эксплуатации на отечественных и зарубежных АЭС с реакторами ВВЭР-1000. 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, используемого в реакторах ВВЭР-1000, 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-1000 твэлы с максимальной тепловой нагрузкой к пятой секунде имеют расчетную температуру оболочки ~900° С. В то же время в этих же условиях твэлы с нагрузкой, близкой к средней, разогреваются до (550-600)° С.

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 (700-750)° С. Следовательно, если в активной зоне реактора ВВЭР-1000 снизить максимальные тепловые нагрузки до уровня средних, 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. Кроме того, данная проблема относительно высокой температуры топлива в номинальном режиме усугубляется при повышении глубины выгорания топлива, когда работоспособность твэлов даже в нормальных условиях эксплуатации близка к предельно допустимой.

Из вышеизложенного следует, что для повышения уровня безопасности действующих и вновь проектируемых АЭС с ВВ ЭР-1000 необходимо разработать активную зону со стержневыми твэлами контейнерной конструкции уменьшенного диаметра (при условии сохранения мощности реактора и близкого к штатной активной зоне 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-1000 необходимо осуществить выбор основных параметров из условия максимального сохранения конструкции активной зоны и ядерной энергоустановки, а также обеспечения нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик, близких к штатным характеристикам активной зоны реактора ВВЭР-1000, так как задачей настоящего изобретения не является разработка нового реактора.

Такой подход вызывает определенные ограничения, накладываемые на выбор основных параметров модернизированной активной зоны, которые сводятся к следующему:

- шаг (236 мм) между осями ТВС и высота модернизированной активной зоны должны быть такими же, как и в штатной конструкции активной зоны реактора ВВЭР-1000;

- размер "под ключ" и высота ТВС модернизированной активной зоны должны быть такими же, как и в штатной конструкции ТВС ВВЭР-1000;

- диаметр твэлов и их количество в ТВС модернизированной активной зоны должны обеспечивать снижение линейных тепловых нагрузок в твэлах модернизированной активной зоны;

- уменьшение загрузки топлива в ТВС модернизированной активной зоны по сравнению со штатной конструкцией ТВС реактора ВВЭР-1000 не должна превышать 10%;

- увеличение гидравлических потерь на трение в модернизированной активной зоне по сравнению со штатной конструкцией активной зоны не должно превышать имеющихся запасов по напору главного циркуляционного насоса (ГЦН) реактора ВВЭР-1000;

- размещение органов СУЗ в модернизированной активной зоне должно быть таким же, как и в штатной активной зоне реактора ВВЭР-1000.

Для увеличения 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 объему, 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 (по U²³⁵) в модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000 не увеличивается, а U²³⁵ загружается на (5-6) % меньше, то, несмотря на то, что в модернизированной ТВС с твэлами диаметром 6.8· 10^-3 м при исходном обогащении, выбранном равным обогащению штатной ТВС, достигается глубина выгорания топлива больше, чем у штатной ТВС, это не компенсирует полностью потерю в продолжительности работы топливной загрузки по сравнению со штатной ТВС. Поэтому к вышеуказанным ограничениям следует также добавить следующее:

- 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 ядерного топлива.

Наиболее близкой по технической сущности к описываеваемому техническому решению является активная зона водо-водяного энергетического реактора, содержащая тепловыделяющие сборки, набранные из стержневых тепловыделяющих элементов (RU 2126180, G 21 C 1/04, 10.02.99).

Использование таких ТВС в модернизированных активных зонах реактора ВВЭР-1000 позволяет за счет снижения тепловых нагрузок твэлов обеспечить возможность расширения диапазона маневрирования мощностью реактора, повысить допустимую глубину выгорания топлива и снизить вероятность разгерметизации твэлов.

Однако сравнительная оценка стоимостей штатной ТВС ВВЭР-1000 (диаметр твэлов 9.1· 10^-3 м) и модернизированной ТВС (твэлы уменьшенного диаметра) показала, что заводская себестоимость модернизированной ТВС для реакторов ВВЭР-1000 возросла на 18%, что является одной из причин, почему активные зоны с такими тепловыделяющими элементами не нашли пока практического применения.

Сущность изобретения.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание новых активных зон водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 2600 МВт до 3900 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.

В результате решения данной задачи при реализации изобретения могут быть получены новые 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 допустимой глубины выгорания ядерного топлива.

Данные технические результаты достигаются тем, что в активной зоне водо-водяного энергетического реактора, содержащей тепловыделяющие сборки с гексагональной топливной решеткой, набранные из стержневых твэлов, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержит от 468 до 510 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента 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, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.51 до 2.10 или тепловыделяющая сборка содержит от 390 до 432 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента от 7.60· 10^-3 м до 8.30· 10^-3 м и от 6.45· 10^-3 м до 7.04· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.49 до 2.06 или тепловыделяющая сборка содержит от 318 до 360 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента от 8.30· 10^-3 м до 8.79· 10^-3 м и от 7.04· 10^-3 м до 7.46· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.61 до 2.03, причем отношение высоты активной зоны к длине тепловыделяющей сборки составляет от 0.7677 до 0.7945.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержит от 468 до 510 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента 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, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.51 до 2.10 или тепловыделяющая сборка содержит от 390 до 432 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента от 7.60· 10^-3 м до 8.30· 10^-3 м и от 6.45· 10^-3 м до 7.04· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.49 до 2.06 или тепловыделяющая сборка содержит от 318 до 360 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента от 8.30· 10^-3 м до 8.79· 10^-3 м и от 7.04· 10^-3 м до 7.46· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.61 до 2.03, причем отношение высоты активной зоны к длине тепловыделяющей сборки составляет от 0.7677 до 0.7945, что характеризует новую концепцию активной зоны реактора ВВЭР-1000, обладающей повышенной работоспособностью, как в нормальных условиях эксплуатации, так и в аварийных режимах и обусловлено следующим. Поскольку описываемая активная зона, как и штатная активная зона реактора ВВЭР-1000, компонуется из 163 шестигранных ТВС, у которых размер "под ключ", высота и конструкция каркаса, с помощью которого обеспечивается крепление пучка стержневых твэлов в ТВС, аналогичны штатной ТВС реактора ВВЭР-1000, а изменение значения загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией не должно превышать 10% (см. вышеуказанные условия), то отношение высоты активной зоны к длине тепловыделяющей сборки выбрано от 0.7677 до 0.7945, а водо-урановое отношение топливной решетки модернизированной ТВС выбрано от 1.51 до 2.10 для пучка, содержащего от 468 до 510 стержневых твэлов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла 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, или водо-урановое отношение выбрано от 1.49 до 2.06 для пучка, содержащего от 390 до 432 стержневых твэлов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 7.60· 10^-3 м до 8.30· 10^-3 м и от 6.45· 10^-3 м до 7.04· 10^-3 м, соответственно, или водо-урановое отношение выбрано от 1.61 до 2.03 для пучка, содержащего от 318 до 360 стержневых твэлов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 8.30· 10^-3 м до 8.79· 10^-3 м и от 7.04· 10^-3 м до 7.46· 10^-3 м, соответственно, поэтому средняя линейная нагрузка на твэлы модернизированной активной зоны уменьшается в (1.19-1.42) раза, при условии сохранения номинальной мощности реактора и обеспечении нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик, близких к штатным характеристикам реактора ВВЭР-1000. Или, как показывают расчеты, можно повысить тепловую мощность активной зоны, при условии сохранения требуемой безопасности эксплуатации реактора, на величину до 2.9%, что необходимо для компенсации повышенной стоимости модернизированных ТВС.

Следует отметить, что целесообразно, чтобы, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержала 468 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента от 7.10· 10^-3 м до 7.40· 10^-3 м и от 6.02· 10^-3 м до 6.28· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.67 до 2.00 или тепловыделяющая сборка содержала 390 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки твэла от 7.60· 10^-3 м до 8.1· 10^-3 м и от 6.45· 10^-3 м до 6.87· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.60 до 1.99 или тепловыделяющая сборка содержала 318 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки твэла от 8.55· 10^-3 м до 8.79· 10^-3 м и от 7,25· 10^-3 м до 7.46· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.73 до 2.01.

Также целесообразно, чтобы, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержала 474 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента 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, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.74 до 2.02 или тепловыделяющая сборка содержала 396 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки твэла от 7.70· 10^-3 м до 8.1· 10^-3 м и от 6.53· 10^-3 м до 6.87· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.69 до 2.06 или тепловыделяющая сборка содержала 324 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки твэла от 8.50· 10^-3 м до 8.70· 10^-3 м и от 7.21· 10^-3 м до 7.38· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.74 до 1.93.

Кроме того, целесообразно, чтобы, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержала 489 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента 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, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.70 до 2.00 или тепловыделяющая сборка содержала 411 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки твэла от 7.70· 10^-3 м до 8.0· 10^-3 м и от 6.53· 10^-3 м до 6.79· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.70 до 1.99 или тепловыделяющая сборка содержала 339 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки твэла от 8.40-10^-3 м до 8.70-10^-3 м и от 7.13· 10^-3 м до 7.38· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.73 до 2.01.

Не менее целесообразно, чтобы, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержала 510 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки тепловыделяющего элемента 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, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.68 до 1.97 или тепловыделяющая сборка содержала 432 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки твэла от 7.60· 10^-3 м до 8.0· 10^-3 м и от 6.45· 10^-3 м до 6.79· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.68 до 2.06 или тепловыделяющая сборка содержала 360 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметр оболочки твэла от 8.30· 10^-3 м до 8.60· 10^-3 м и от 7.04· 10^-3 м до 7.30· 10^-3 м, соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.76 до 2.03.

Следует подчеркнуть, что только вся совокупность существенных признаков обеспечивает решение поставленной задачи изобретения и получение новых технических результатов. Действительно, как было отмечено ранее, известны твэлы с наружным диаметром оболочки 6.0· 10^-3 м или 6.8· 10^-3 м, но, однако, этих признаков недостаточно для решения поставленной задачи. Невыполнение хотя бы одного из существенных признаков, включенных в независимый пункт формулы изобретения, не позволит решить поставленную задачу и обеспечить получение новых технических результатов. Так, например, отсутствие признака, касающегося водо-уранового отношения топливной решетки, приводит к нарушению первых трех вышеуказанных условий, т.е. нарушается принцип выбора основных геометрических параметров топливной решетки модернизируемой активной зоны, который должен проводиться из условия сохранения конструкции активной зоны и обеспечения близких к проектным значениям штатной активной зоны основных нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик реактора ВВЭР-1000.

Следует также отметить, что для изготовления активной зоны с вышеотмеченными существенными признаками при проектировании модернизированной активной зоны необходимо задаться внешним и внутренним диаметрами оболочки твэла из приведенных диапазонов, а затем посредством несложных расчетов определить водо-урановое отношение топливной решетки с учетом вышеизложенных требований. И, если полученное значение водо-уранового отношения топливной решетки не будет соответствовать заявляемому диапазону значений, то необходимо внести изменения в задаваемые исходные данные и осуществить перерасчет.

Перечень фигур чертежей.

На фиг.1 изображен фрагмент модернизированной активной зоны в соответствии с настоящим изобретением для реактора ВВЭР-1000, на фиг.2 изображен вариант продольного разреза модернизированной в соответствии с настоящим изобретением тепловыделяющей сборки для реактора ВВЭР-1000, на фиг.3 изображен вариант поперечного сечения дистанционирующей решетки с пучком тепловыделяющих элементов и вытеснителями, на фиг.4 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 318 тепловыделяющих элементов, на фиг.5 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 360 тепловыделяющих элементов, на фиг.6 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 390 тепловыделяющих элементов, на фиг.7 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 432 тепловыделяющих элементов, на фиг.8 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 468 тепловыделяющих элементов, на фиг.9 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 510 тепловыделяющих элементов, на фиг.10 изображен вариант продольного разреза тепловыделяющего элемента для модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000, на фиг.11 представлены кривые, характеризующие изменение максимальной температуры оболочки наиболее энергонапряженного штатного и модернизированного твэла, используемого в описываемой ТВС для реактора ВВЭР-1000 при аварии с разрывом трубопровода Ду 850, на фиг.12 представлены кривые, характеризующие изменение максимальной температуры оболочки средненапряженного штатного и описываемого твэла ВВЭР-1000 при аварии с разрывом трубопровода Ду 850, на фиг.13 представлены кривые, характеризующие максимальную температуру оболочки наиболее энергонапряженного штатного твэла и твэла описываемой активной зоны реактора ВВЭР-1000 при аварии с обесточиванием реактора, на фиг.14 представлены кривые, характеризующие максимальную температуру оболочки средненапряженного штатного твэла и твэла описываемой активной зоны реактора ВВЭР-1000 при аварии с обесточиванием реактора, на фиг.15 представлены кривые, характеризующие зависимость предела прочности и напряжений в оболочке максимально напряженного твэла описываемой активной зоны реактора ВВЭР-1000, на фиг.16 представлены кривые, характеризующие зависимость предела прочности и напряжений в оболочке максимально напряженного твэла штатной активной зоны реактора ВВЭР-1000.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Модернизированная активная зона согласно новой концепции реактора ВВЭР-1000 компонуется из 163 шестигранных тепловыделяющих сборок 1, имеющих одинаковые габаритные размеры (размер "под ключ" и высота), хвостовики 2 которых установлены в нижней опорной плите 3 (см. фиг.1). Тепловыделяющие сборки 1 закреплены в активной зоне от всплытия посредством верхней плиты 4, в отверстиях которой размещены головки 5. Причем, по крайней мере, одна из 163 ТВС модернизированной активной зоны имеет следующую конструкцию (см. фиг.1 и фиг.2). Тепловыделяющая сборка 1 заявляемой активной зоны состоит из пучка стержневых твэлов 6, хвостовика 2, головки 5 и каркаса 7. С помощью каркаса 7 обеспечивается крепление твэлов 8 в тепловыделяющей сборке 1. Каркас 7 тепловыделяющей сборки 1 включает в себя гексагональные дистанционирующие решетки 9, которые механически связаны между собой центральной трубой 10 и направляющими каналами 11 (для размещения поглотителей). Центральная труба 10 в тепловыделяющей сборке 1 предназначена для фиксации дистанционирующих решеток 9 и для размещения внутриреакторных детекторов. В дистанционирующих решетках 9 описываемой ТВС модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000 содержится от 331 до 367 ячеек 12 (см. фиг.3) для пучка 6, содержащего от 318 до 360 твэлов 8 (см. фиг.4 и фиг.5) или от 403 до 439 ячеек 12 для пучка 6, содержащего от 390 до 432 твэлов 8 (см. фиг.6 и фиг.7) или от 481 до 517 ячеек 12 для пучка 6, содержащего от 468 до 510 твэлов 8 (см. фиг.8 и фиг.9). В зависимости от выбранного количества твэлов 8 в пучке 6 в свободные ячейки 12 дистанционирующих решеток 9, фиксирующих в радиальном направлении пучок 6 твэлов 8, могут быть установлены каналы 13 для вытеснителей или выгорающих поглотителей 14, а также установлены технологические каналы и т.п.(на чертеже не показаны).

Тепловыделяющий элемент 6 включает топливный сердечник, состоящий из отдельных таблеток 15 с центральным отверстием 16 диаметром от 1.15· 10^-3 м до 1.45· 10^-3·10^-3 м (или сплошных) или стерженьков цилиндрической формы длиной от 6.90· 10^-3 м до 12· 00· 10^-3 м, размещенных в оболочке 17, выполненной с наружным и внутренним диаметрами, соответственно, от 7.00· 10^-3 м до 8.79· 10^-3 м и от 5.94· 10^-3 м до 7.46· 10^-3 м, которая является конструкционным несущим элементом и к которой крепятся концевые детали 18 (см. фиг.3 и фиг.10). Оболочка 17 в течение эксплуатации подвергается напряжениям за счет расширения и распухания топлива, а также вследствие газовыделения из топлива, особенно в местах, соответствующих границе раздела таблеток 15 или стерженьков. Устранение данных негативных моментов осуществляется профилированием формы таблеток 15 (или стерженьков), в частности, путем выполнения их торцов вогнутыми или с конической формой боковой поверхности в районе торцов (на чертеже не показано).

В качестве материала таблеток 15 наиболее целесообразно использовать спрессованный и спеченный диоксид урана со средней плотностью (10.4· 10^-3-10.8· 10^-3) кг/м³, но могут использоваться также окись плутония или тория, карбиды и нитриды урана, а также смеси указанных делящихся материалов. Масса диоксида урана в тепловыделяющей сборке модернизированной активной зоны составляет от 436.24 кг до 582.17 кг.

При выборе толщины оболочки твэла модернизированной активной зоны наиболее целесообразно сохранить отношение толщины оболочки к наружному диаметру описываемого твэла таким же, как и в штатных твэлах реактора ВВЭР-1000, что с учетом сохранения величины давления заполнения гелием 2.0 МПа позволяет гарантировать повышенную устойчивость оболочек твэла модернизированной активной зоны по сравнению со штатной. Кроме того, необходимо также учитывать условие, касающееся того, что радиальный зазор между таблетками 15 топливного сердечника и оболочкой 17 в твэлах описываемой активной зоны был не менее 0.05· 10^-3 м. Это условие обусловлено технологическими трудностями при сборке твэлов.

Вследствие низкой теплопроводности материала таблеток 15 топливного сердечника, а также с учетом всех вышеприведенных условий оболочка 17 стержневого твэла описываемой активной зоны для модернизированного реактора ВВЭР-1000 должна иметь наружный и внутренний диаметры (7.00· 10^-3-7.50· 10^-3) м и (5.94· 10^-3-6.36· 10^-3) м, соответственно, для пучка из (468-510) твэлов или (7.6· 10^-3-8.30· 10^-3) м и (6.45· 10^-3-7.04· 10^-3) м, соответственно, для пучка из (390 - 432) твэлов или (8.30· 10^-3-8.79· 10^-3) м и (7.04· 10^-3-7.46· 10^-3) м, соответственно, для пучка из (318-360) твэлов. Дело в том, что из первых трех вышеуказанных условий следует, что относительный шаг h между твэлами (см. фиг.3) должен обеспечить водо-урановое отношение топливной решетки для модернизированной активной зоны, близкое к водо-урановому отношению топливных решеток действующих ВВЭР-1000. Значения водо-уранового отношения для топливных решеток ТВС модернизированной активной зоны находятся в диапазоне от 1.61 до 2.03. Принимая во внимание все вышеуказанные условия, а также результаты нейтронно-физических, теплогидравлических, термомеханических расчетов и, прежде всего, результаты анализов аварий ВВЭР-1000 с течами теплоносителя из первого контура, были определены границы диапазонов основных характеристик описываемой активной зоны для модернизированного реактора ВВЭР-1000. Так, для тепловыделяющих сборок модернизированной активной зоны, содержащей от 468 до 510 стержневых твэлов:

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.00· 10^-3 м до 7.50· 10^-3 м;

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5.94· 10^-3 м до 6.36· 10^-3 м;

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.51 до 2.10;

- в дистанционирующих решетках выполнено от 481 до 517 ячеек, для тепловыделяющих сборок, содержащей от 390 до 432 твэлов:

- наружный диаметр оболочки твэла выполнен от 7.60· 10^-3 м до 8.30-10^-3 м;

- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 6.45· 10^-3 м до 7.04· 10^-3 м;

- водо-урановое отношение топливной решетки вырано от 1.49 до 2.06;

- в дистанционирующих решетках выполнено от 403 до 439 ячеек, а для тепловыделяющей сборки, содержащей от 318 до 360 твэлов:

- наружный диаметр оболочки тюла выполнен от 8.30· 10^-3 м до 8.79· 10^-3 м;

- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 7.04· 10^-3 м до 7.46· 10^-3 м;

- водо-урановое отношение топливной решетки вырано от 1.61 до 2.03;

- в дистанционирующих решетках выполнено от 331 до 367 ячеек, причем отношение высоты активной зоны к длине тепловыделяющей сборки составляет от 0.7677 до 0.7945.

Следует отметить, что, как показали расчеты, для заявляемой активной зоны, в которой установлены ТВС с твэлами, имеющими наружный диаметр оболочки 7.00· 10^-3 м, средняя линейная мощность у таких твэлов будет (9.94-10.83) кВт/м (т.е. в 1.54-1.68 раз ниже, чем у штатной ТВС), а средняя удельная мощность на единицу греющей поверхности будет (452.31-551.86) кВт/м² (т.е. в 1.1-1.3 раза ниже, чем у штатной ТВС).

Выполнение твэла описываемой ТВС модернизированной активной зоны с пучком от 468 до 510 шт. наружным диаметром менее 7.00· 10^-3 м, например 6.90· 10^-3 м, и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки менее 5.94· 10^-3 м и несоблюдение вышеуказанного диапазона водо-уранового отношения топливной решетки (1.51-2.10), а также диапазона отношения высоты активной зоны к длине тепловыделяющей сборки (0.7677-0.7945) приводит к невыполнению условия, касающегося обеспечения проектной продолжительности работы топливной загрузки модернизированной активной зоны в связи с уменьшением загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000 (которое должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС), а выполнение твэла наружным диаметром более 7.50· 10^-3 м (например, 7.60· 10^-3 м) и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки более 6.36· 10^-3 м и несоблюдение диапазонов водо-уранового отношения и отношения высоты активной зоны к длине ТВС приводит к невыполнению условия, касающегося возможного увеличения гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000 по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000. Выполнение твэла описываемой ТВС с пучком от 390 до 432 шт. наружным диаметром менее 7.60· 10^-3 м, например 7.50· 10^-3 м, и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки менее 6.45· 10^-3 м, а также несоблюдение вышеуказанных диапазонов водо-уранового отношения и отношения высоты активной зоны к длине ТВС 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-1000 (которое должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС), а выполнение твэла наружным диаметром более 8.30· 10^-3 м (например, 8.40· 10^-3 м) и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки более 7.04· 10^-3 м и несоблюдение вышеуказанных диапазонов водо-уранового отношения и отношения высоты активной зоны к длине ТВС приводит к невыполнению условия, касающегося возможного увеличения гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000 по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000. Выполнение же твэла описываемой ТВС с пучком от 331 до 367 шт. наружным диаметром менее 8.30· 10^-3 м, например 8.20· 10^-3 м и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки менее 7.04· 10^-3 м и не соблюдение вышеуказанного диапазона водо-уранового отношения, а также диапазона отношения высоты активной зоны к длине тепловыделяющей сборки 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-1000 (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 более 7.46· 10^-3 м и не соблюдение вышеуказанных диапазонов водо-уранового отношения и отношения высоты активной зоны к длине ТВС приводит к невыполнению условия, касающегося возможного увеличения гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000 по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000.

Следует отметить, что первые четыре вышеуказанных условия позволяют уточнить предпочтительные границы диапазонов основных характеристик описываемой модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000, а именно:

1. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 517 ячеек:

- пучок содержит 510 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.00· 10^-3 м до 7.30· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5.94· 10^-3 м до 6.19· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.68 до 1.97;

2. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 496 ячеек:

- пучок содержит 489 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.00· 10^-3 м до 7.30· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5.94· 10^-3 м до 6.19· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.70 до 2.00;

3. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими от 481 до 517 ячеек:

- пучок содержит 468 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.10· 10^-3 м до 7.40· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.02· 10^-3 м до 6.28· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.67 до 2.00;

4. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 481 ячейку:

- пучок содержит 474 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.00· 10^-3 м до 7.30.10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5.94· 10^-3 м до 6.19· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.74 до 2.02;

5. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 439 ячеек:

- пучок содержит 432 твэла,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.60· 10^-3 м до 8.00· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.45· 10^-3 м до 6.79· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.68 до 2.06;

6. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 418 ячеек:

- пучок содержит 411 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.70· 10^-3 м до 8.00· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.53· 10^-3 м до 6.79· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.70 до 1.99;

7. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 403 ячейки:

- пучок содержит 396 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.70· 10^-3 м до 8.10· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.53· 10^-3 м до 6.87· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1.69 до 2.06;

8. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими от 403 до 439 ячеек:

- пучок содержит 390 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.60· 10^-3 м до 8.10· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.45· 10^-3 м до 6.87· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.60 до 1.99;

9. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 367 ячеек:

- пучок содержит 360 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8.30· 10^-3 м до 8.60· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7.04· 10^-3 м до 7.30· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.76 до 2.03;

10. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 346 ячеек:

- пучок содержит 339 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8.40· 10^-3 м до 8.70· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7.13· 10^-3 м до 7.38· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.73 до 2.01;

11. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими от 331 до 367 ячеек:

- пучок содержит 318 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8.55· 10^-3 м до 8.79· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7.25· 10^-3 м до 7.46· 10^-3 м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.73 до 2.01;

12. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 331 ячейку:

- пучок содержит 324 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8.50· 10^-3 м до 8.70· 10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7.21· 10^-3 м до 7.38· 10^-3м,

- водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1.74 до 1.93.

Анализ работоспособности и термомеханического состояния твэлов позволил уточнить некоторые основные конструкционные параметры твэлов описываемой активной зоны. Как показали расчетные исследования, значительное снижение тепловой нагрузки на твэл позволяет отказаться от ставшей традиционной для реакторов ВВЭР и не нашедшей применения в зарубежных реакторах PWR конструкции топливной таблетки 15 с центральным отверстием 16 (см. фиг.3 и фиг.10). Такое решение обусловлено, с одной стороны, относительно небольшим снижением температуры топлива за счет центрального отверстия 16 при пониженных тепловых нагрузках на твэл 8 и увеличившимся запасом надежности по отношению к плавлению топлива, а, с другой, - возможными технологическими трудностями при изготовлении таблеток 15 с центральными отверстиями 16 менее 1.5· 10^-3 м.

Теплоноситель - вода в активной зоне движется снизу вверх, что, в частности, обеспечивает охлаждение ТВС в режиме естественной циркуляции. 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 в ТВС (на чертеже не показаны). Нагретая в активной зоне вода направляется в парогенераторы, где передает свое тепло воде второго контура, а затем возвращается в активную зону.

Технология изготовления описываемых конструкций тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок производится на известном штатном оборудовании и не имеет отличий от аналогичных устройств.

На фиг.11 и фиг.12 в качестве примера представлены кривые, характеризующие изменение при максимальной проектной аварии (МПА) температуры оболочек твэлов с максимальной и средней нагрузкой для штатной (наружный диаметр оболочки штатного твэла 9.1· 10^-3 м) и модернизированной (наружный диаметр оболочки описываемого твэла 7.0· 10^-3 м) активной зоны реактора ВВЭР-1000. Анализ состояния твэлов показывает, что для "горячего" твэла (твэл с максимальной линейной тепловой нагрузкой) снижение максимальной температуры составляет 278° С, а для твэлов со средней нагрузкой 142° С. Такие величины снижения температуры оболочки твэлов принципиальным образом изменяют уровень работоспособности твэлов и прогнозируемую степень безопасности реактора ВВЭР-1000. 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 тепла пароциркониевой реакции на изменение свойств материала и геометрических размеров оболочек твэлов.

Следует также отметить, что твэлы описываемой активной зоны модернизированного реактора ВВЭР-1000, 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 активной зоны реактора ВВЭР-1000 реально достижение среднего выгорания топлива (55-60) МВт· сут/кг.

Работоспособность твэлов в переходных режимах работы, связанных с требуемым маневрированием мощностью, обуславливается 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 в решении этой проблемы. Уменьшение максимальных тепловых линейных нагрузок от 40 кВт/м до 20 кВт/м практически дает неограниченные возможности в изменении мощности для существующих конструкций активных зон ВВЭР-1000. Средняя линейная нагрузка твэла описываемой активной зоны модернизированного реактора ВВЭР-1000 с наружным диаметром от 7.00· 10^-3 м до 7.50· 10^-3 м составляет, соответственно, от 9.94 кВт/м до 10.83 кВт/м, для твэлов с наружным диаметром от 7.60· 10^-3 м до 8.30· 10^-3 м составляет, соответственно, от 11.74 кВт/м до 13.00 кВт/м и от 14.08 кВт/м до 15.94 кВт/м, соответственно, для твэлов с наружным диаметром оболочки от 8.30· 10^-3 м до 8.79· 10^-3 м (для штатного твэла диаметром 9.10· 10^-3 м средняя линейная нагрузка равна 16.71 кВт/м). Поэтому переход к пониженным тепловым нагрузкам в твэлах описываемой активной зоны модернизированного реактора ВВЭР-1000 принципиально расширяет диапазон маневрирования мощностью реактора.

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 2.9%. 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 станет выполнимо на реакторах ВВЭР-1000 с учетом роста теплотехнических запасов при переходе на уменьшенный диаметтр твэлов. Теплогидравлические расчеты модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000 подтверждают потенциальную возможность увеличения тепловой мощности активной зоны при использовании твэлов уменьшенного диаметра на величину (до 15%) существенно больше требуемой (2.9%) для компенсации повышенной стоимости модернизированной ТВС. Таким образом описанная выше конструкция модернизированной ТВС для реактора ВВЭР-1000 позволяет не только скомпенсировать повышенную себестоимость, но и повысить экономическую эффективность.

Сравнительный анализ работоспособности штатной и модернизированной активных зон реактора ВВЭР-1000 в авариях с обесточиванием и разрывом главного циркуляционного трубопровода Ду 850 показал:

- температуры оболочек твэлов описываемой активной зоны в процессе аварии с разрывом главного циркуляционною трубопровода Ду 850 на (150-400)° С ниже по сравнению со штатной активной зоны реактора ВВЭР-1000. Это практически полностью исключает возможность существенного развития пароциркониевой реакции. Запас работоспособности твэлов (по пределу прочности материала оболочки) для описываемой активной зоны в 5-6 раз выше по сравнению со штатной активной зоной реактора ВВЭР-1000;

- в аварии с обесточиванием температура штатных оболочек твэлов может достигать величины порядка 1000° С, представляющей опасность с точки зрения возможности разрушения штатных твэлов; в твэлах описываемой активной зоны соответствующий температурный режим практически не превышает уровня стационарной работы реактора ВВЭР-1000 (см. фиг.13 и фиг.14).

На фиг.15 и фиг.16 представлены действующие напряжения в оболочке и предел кратковременной прочности материала оболочки в различные моменты протекания рассматриваемой МПА соответственно для штатной и описываемой зон реактора ВВЭР-1000. Как следует из фиг.15, напряжения в оболочках максимально напряженных твэлов штатной активной зоны реактора ВВЭР-1000 в отдельные моменты времени протекания аварии (7 сек и 90-100 сек) могут достигать предела прочности. Т.е. максимально напряженные твэлы штатной активной зоны при МПА подвержены разрушению. Твэлы модернизированной активной зоны согласно фиг.16 в любой рассматриваемый момент аварии имеют напряжения в оболочках, не превышающие предела прочности материала оболочки. При этом запас прочности по - отношению к пределу прочности - для твэлов описываемой активной зоны не менее 6-ти, а для штатной составляет около единицы, т.е. отсутствует.

На основании вышеизложенного можно констатировать, что переход на модернизированную активную зону в реакторах ВВЭР-1000 дает возможность понизить тепловые нагрузки на твэл в 1.2-1.7 раза, а также позволяет:

- обеспечить приемлемые и даже улучшенные нейтронно-физические характеристики при существенном повышении надежности ядерного топлива и безопасности реактора:

- снижается неравномерность поля энерговыделения - в стационарной топливной загрузке максимальный коэффициент неравномерности мощности ТВС не превышает K

max

q

=1.27, а максимальный коэффициент неравномерности мощности твэлов не превышает K_qKк^max=1.48;

- максимальное значение линейной тепловой нагрузки на твэл не превышает в стационарной топливной загрузке величину q

max

1

=17.5· 10³ Вт/м (без учета факторов неопределенности);

- загрузка топлива (по U²³⁵) по сравнению с серийным ВВЭР-1000 не увеличивается, а U загружается примерно на 5-6% меньше;

- обеспечивается оптимизированный набор коэффициентов реактивности по температуре топлива dρ /dт_u и неотрицательный коэффициент реактивности по плотности теплоносителя врасширенном по отношению к серийному реактору ВВЭР-1000 диапазоне температур (при средних температурах активной зоны выше 130-150°С на нулевой мощности);

- полная эффективность органов регулирования составляет в начале стационарной загрузки 6.7% Ак/к, а в ее конце - 6.6% Δ к/к, что с запасом обеспечивает требуемый ПБЯ 1.0% Δ к/к подкритичности при срабатывании аварийной защиты для компенсации быстро проявляющихся эффектов реактивности;

- повысить безопасность энергоустановки с реактором ВВЭР-1000;

- обеспечить возможность решения проблемы, связанной с маневрированием мощностью реактора ВВЭР-1000;

- увеличить работоспособность твэлов в нормальных условиях эксплуатации, что дает основания считать реальным достижение среднего выгорания топлива в твэлах (55-60) МВт· сут/кг.

Причем оценочные расчеты показали, что удельное гидравлическое сопротивление всей активной зоны при замене штатных ТВС на ТВС с твэлами модернизированной активной зоны возрастает на 3-5%, а суммарное гидравлическое сопротивление всего первого контура возрастет не более чем на 1%. При этом расход теплоносителя через модернизированный реактор снизится не более чем на 0.5% при практически неизменной мощности насосов.

Следует отметить, что описываемая активная зона может быть использована не только в реакторах типа ВВЭР-1000, а также и в других водо-водяных реакторах с водой под давлением.

1. Активная зона водо-водяного энергетического реактора, содержащая тепловыделяющие сборки с гексагональной топливной решеткой, набранные из стержневых тепловыделяющих элементов, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержит от 468 до 510 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки тепловыделяющего элемента от 7,00·10^-3 до 7,50·10^-3 м и от 5,94·10^-3 до 6,36·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,51 до 2,10, или тепловыделяющая сборка содержит от 390 до 432 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки тепловыделяющего элемента от 7,60·10^-3 до 8,30·10^-3 м и от 6,45·10^-3 до 7,04·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,49 до 2,06, или тепловыделяющая сборка содержит от 318 до 360 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки тепловыделяющего элемента от 8,30·10^-3 до 8,79·10^-3 м и от 7,04·10^-3 до 7,46·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,61 до 2,03, причем отношение высоты активной зоны к длине тепловыделяющей сборки составляет от 0,7677 до 0,7945.

2. Активная зона водо-водяного энергетического реактора по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержит 468 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки тепловыделяющего элемента от 7,10·10^-3 до 7,40·10^-3 м и от 6,02·10^-3 до 6,28·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,67 до 2,00, или тепловыделяющая сборка содержит 390 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 7,60·10^-3 до 8,1·10^-3 м и от 6,45·10^-3 до 6,87·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,60 до 1,99, или тепловыделяющая сборка содержит 318 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 8,55·10^-3 до 8,79·10^-3 м и от 7,25·10^-3 до 7,46·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,73 до 2,01.

3. Активная зона водо-водяного энергетического реактора по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержит 474 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки тепловыделяющего элемента от 7,00·10^-3 до 7,30·10^-3 м и от 5,94·10^-3 до 6,19·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,74 до 2,02, или тепловыделяющая сборка содержит 396 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 7,70·10^-3 до 8,1·10^-3 м и от 6,53·10^-3 до 6,87·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,69 до 2,06, или тепловыделяющая сборка содержит 324 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 8,50·10^-3 до 8,70·10^-3 м и от 7,21·10^-3 до 7,38·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,74 до 1,93.

4. Активная зона водо-водяного энергетического реактора по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержит 489 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки тепловыделяющего элемента от 7,00·10^-3 до 7,30·10^-3 м и от 5,94·10^-3 до 6,19·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,70 до 2,00, или тепловыделяющая сборка содержит 411 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 7,70·10^-3 до 8,0·10^-3 м и от 6,53·10^-3 до 6,79·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,70 до 1,99, или тепловыделяющая сборка содержит 339 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 8,40·10^-3 до 8,70·10^-3 м и от 7,13·10^-3 до 7,38·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,73 до 2,01.

5. Активная зона водо-водяного энергетического реактора по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна тепловыделяющая сборка содержит 510 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки тепловыделяющего элемента от 7,00·10^-3 до 7,30·10^-3 м и от 5,94·10^-3 до 6,19·10^-3 м соответственно, а водо-урановое отношение топливной решетки выбрано от 1,68 до 1,97, или тепловыделяющая сборка содержит 432 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 7,60·10^-3 до 8,0·10^-3 м и от 6,45·10^-3 до 6,79·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,68 до 2,06, или тепловыделяющая сборка содержит 360 стержневых тепловыделяющих элементов, имеющих наружный и внутренний диаметры оболочки твэла от 8,30·10^-3 до 8,60·10^-3 м и от 7,04·10^-3 до 7,30·10^-3 м соответственно, а водоурановое отношение топливной решетки выбрано от 1,76 до 2,03.