Основы технологии и расчета ядерных реакторов (стр. 11 )

6. Двухкомпонентный водо-водяной энергетический реактор на тепловых нейтронах (ВВЭР)

6.1 Основные теплофизические характеристики ВВЭР

ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор корпусного типа с гетерогенной активной зоной с тепловым спектром нейтронов. В качестве топлива в нем используется диоксид урана UО2, обогащенный 235U, в качестве замедлителя – обычная вода, которая одновременно является теплоносителем.

В настоящее время эксплуатируется два типа ВВЭР: ВВЭР-440 и -1000 (число в аббревиатуре означает электрическую мощность блока). Их проектные теплогидравлические характеристики приведены в Таблице 6.1.

Таблица 6.1

Теплогидравлические характеристики ВВЭР

Параметры	ВВЭР-1000	ВВЭР-440
Номинальная тепловая мощность, МВт	3000	1375
Давление теплоносителя над активной зоной (абсолютное), Мпа (кг/см2)	15,7 (160)	12,26 (125)
Температура теплоносителя на выходе из реактора, ºС	320	295
Подогрев теплоносителя в реакторе, ºС	30,3	28,3
Гидравлическое сопротивление реактора, МПа (кг/см2)	0,37 (3,8)	0,29 (2,9)
Расход теплоносителя через реактор, м3/ч	84800	42950
Протечки теплоносителя мимо активной зоны, %	3	3 (7 для зоны с 36 имитаторами)

6.2 Корпус реактора и внутрикорпусные устройства

Принципиальное устройство ВВЭР-1000 и -440 показано на рис. 6.1, 6.2 соответственно. Оно практически аналогично. В состав каждого реактора входит следующее оборудование: корпус, внутрикорпусные устройства, активная зона, верхний блок, блок электроразводок.

Корпус реактора является основной несущей конструкцией. Он висит, опираясь опорным буртом на бетонную консоль. К патрубкам корпуса привариваются трубопроводы главного циркуляционного контура.

К внутрикорпусным устройствам относятся шахта реактора, выгородка (на ВВЭР-1000), корзина с выгородкой (на ВВЭР-440) , блок защитных труб.

Шахта реактора представляет собой полый цилиндр с эллиптическим перфорированным днищем. Перфорирована также цилиндрическая часть шахты, которая в штатном положении находится на против верхних горячих патрубков корпуса. В нижней части шахты ВВЭР-1000 расположена плита опорных труб, в которые устанавливаются тепловыделяющие сборки. Аналогичная плита в ВВЭР-440 расположена в нижней части корзины, на значительном расстоянии от днища шахты. В нижней же части шахты установлены жесткие опоры для регулирующих тепловыделяющих сборок. Это единственное принципиальное конструктивное различие ВВЭР-1000 и -440 связано с различной конструкцией механической системы управления и защиты.

Основное назначение шахты реактора – организация потока теплоносителя через активную зону и выполнение функций несущей конструкции для активной зоны.

Выгородка (в ВВЭР-1000 монтируется в шахте в ВВЭР-440 является конструктивной частью корзины) предназначена для фиксации активной зоны в плане. Она набирается из отдельных стальных элементов на высоту активной зоны и точно в плане ее повторяет. Материал, из которого выполнена выгородка, обладает значительным сечением поглощения нейтронов и вытесняет воду, что значительно снижает всплеск тепловых нейтронов на границе активной зоны и снижает нейтронный поток на корпус реактора.

Блок защитных труб выполнен в виде сварной металлоконструкции, которая состоит из трех плит, связанных между собой обечайкой, защитными трубами и трубами системы внутриреакторного контроля. В защитные трубы втягиваются поглощающие элементы системы регулирования при их подъеме: поглощающие стержни – на ВВЭР-1000, поглощающие надставки – на ВВЭР-440. В трубах внутриреакторного контроля проходят связи с датчиками каналов нейтронных измерений и термопарами, измеряющими температуру теплоносителя на выходе из активной зоны. При установке блок защитных труб опирается на шахту в ВВЭР-1000 или корзину в ВВЭР - 440, а его нижняя плита поджимает пружины в головках тепловыделяющих сборок, фиксируя их в плане и удерживая от всплытия.

Верхний блок представляет собой эллипсоидную крышку, которая уплотняет корпус реактора и удерживает от всплытия внутрикорпусные устройства. На патрубках верхнего блока крепятся приводы системы управления и защиты и уплотняются выводы системы внутриреакторного контроля.

Блок электроразводок крепится на верхнем блоке и предназначен для подключения силовых и контрольных кабелей к системам управления и внутриреакторного контроля.

Тепло, выделяемое в реакторе, снимается принудительным направленным движением теплоносителя – воды. «Холодный» теплоноситель от главных циркуляционных насосов подается в нижние патрубки корпуса реактора, движется вниз, в зазоре между корпусом и шахтой, затем через перфорированное днище шахты и опорные трубы входит в активную зону, где подогревается. Далее через перфорированную нижнюю плиту блока защитных труб поступает в межтрубное пространство блока защитных труб и затем через его перфорированную обечайку и перфорацию шахты выходит в зазор между шахтой и корпусом в районе верхних патрубков корпуса. Через них «горячий» теплоноситель уходит в парогенераторы.

6.3 Активная зона

Активная зона реактора является непосредственным источником тепловой энергии, которая генерируется в тепловыделяющих элементах (твэлах) и передается омывающему их теплоносителю.

Рис.6.1. Реактор ВВЭР-1000

Рис.6.2. Реактор ВВЭР-440

Сборочная единица активной зоны – тепловыделяющая сборка (ТВС). Формируя активную зону, ТВС устанавливаются хвостовиками в опорные трубы, почти вплотную одна к другой в плане и жестким допуском по высоте.

ТВС – это пучок твэлов, собранных по треугольной решетке и зафиксированных в несущей конструкции, которая обеспечивает возможность транспортных операций с ТВС и осуществления сборки активной зоны. Как правило, ТВС набирается из твэлов с одинаковым обогащением. Исключение составляет незначительное число ТВС ВВЭР-1000, применяемых в загрузках, в которых два периферийных ряда твэлов имеют меньшее обогащение. Устройство ТВС для ВВЭР-1000 (за исключением ТВС для головного блока ВВЭР-1000, Нововоронежской АЭС-5) и ВВЭР-440 показано на рис. 6.3, 6.4.

Основные геометрические и физические характеристики ТВС и твэлов приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2.

Геометрические и физические характеристики ТВС

Параметр	ВВЭР-1000	ВВЭР-440
ТВС
Число ТВС в зоне	163	349**
Высота, м	4,57	3,22
Размер «под ключ», мм	235,1	145
Форма ТВС	Шестигранная призма
Число твэлов в ТВС, шт.	312	126
Шаг между твэлами, мм	12,75	12,2
Количество дистанционирующих решеток	15	11
Направляющий канал:
число, шт	18	-
диаметр наружный, мм	12,6	-
диаметр внутренний, мм	11	-
Центральная трубка, диаметр:
наружный, мм	12,6	10,3
внутренний, мм	11	8.8
Масса топлива, кг	491,4+ 4,5	136+2,5
ТВЭЛ
Топливо	Таблетки UO2
Обогащение топлива 235U,%	1,6 – 4,4
Плотность таблетки, г/см3	10,4 – 10,7
Давление гелия под оболочкой, МПа	2	0,5 – 0,7
Диаметр оболочки, мм:	9,1	9,1
Диаметр оболочки внутренний, мм	7,73	7,73
Диаметр таблетки наружный, мм	7,57	7,6
Диаметр внутреннего отверстия в таблетке, мм	1,5	1,2
Высота таблетки, мм	9 -12	8 -14

Рис.6.3. Устройство ТВС и ТВЭЛ (ВВЭР-1000)

Рис.6.4. Рабочая ТВС и ТВЭЛ (ВВЭР-440)

Принципиальным различием в конструкции ТВС обоих типов реакторов является наличие в ТВС ВВЭР-440 несущей конструкции шестигранного чехла с головкой и хвостовиком, в ТВС ВВЭР-1000 таковой отсутствует. Функцию несущей конструкции в последней выполняют жестко скрепленные хвостовик, направляющие каналы и центральная трубка-головка. Безусловно, отказ от чехла делает ТВС более уязвимой при проведении транспортно-технологических операций и эксплуатации, но он необходим при повышении единичной мощности ТВС. Чехол изолирует поток теплоносителя в конкретной ТВС, а гидравлическое сопротивление для такого потока связано положительной обратной связью с мощностью ТВС: больше мощность – больше гидравлическое сопротивление, поскольку средняя плотность теплоносителя в ТВС уменьшается. В результате, при фиксированном перепаде давления в активной зоне в наиболее энергонапряженных ТВС будет наименьший расход. Отсутствие чехла в ТВС обеспечивает возможность поперечного перемешивания струй теплоносителя, омывающих твэлы разной энергонапряженности, что увеличивает коэффициент теплопередачи и сводит к минимуму негативное влияние положительной связи мощности и гидравлического сопротивления.

Твэлы в ТВС фиксируются в плане дистанцирующими решетками. Профиль ячеек решеток и их упругопластические свойства обеспечивают безлюфтовое поджатие твэлов и, вместе с тем, не препятствуют удлинению. В нижней дистанцирующей решетке, которая является опорной и жестко сварена с хвостовиком, твэлы фиксируются в аксиальном направлении. Это соединение гарантирует невсплытие твэлов при наличии перепада давления в активной зоне. Верхние концы твэлов свободны, что создает условие для безопасного температурного удлинения.

Твэл конструктивно выполнен в виде стержня: уплотненная с обоих концов трубка-обечайка, заполненная таблетками топлива из спеченного диоксида урана. Пространство между топливом и обечайкой заполнено гелием для обеспечения высокого коэффициента теплопроводности. В центре таблеток топлива имеется отверстие для уменьшения максимальной температуры топлива. В верхней части твэла существует свободное пространство – полость для приема газов, возникающих при делении урана. Давление указанных газов может приводить к повышению внутреннего давления твэла.

Для уменьшения паразитного захвата нейтронов все конструкционные элементы ТВС и твэлов, расположенные в активной части зоны, изготавливаются из сплавов Zr + 1% Nb и Zr + 2,5% Nb. Для ТВС-440 – это шестигранник чехла, дистанцирующие решетки, оболочки твэлов; для ТВС-1000 – направляющие каналы, центральная трубка, дистанцирующие решетки, оболочки твэлов. Остальные элементы изготавливаются из различных сталей и сплавов в соответствии с технологическими требованиями.

6.4. Системы управления и защиты

Эффективный коэффициент размножения свежей, холодной, разотравленной зоны, с выведенными из зоны поглотителями систем регулирования, т. е. максимально возможный для ВВЭР обоих типов в зависимости от загрузки колеблется в пределах 1,2 – 1,25. Для компенсации указанной положительной реактивности остановленного реактора, безопасного вывода на мощность и оперативного регулирования мощности, в необходимых случаях аварийного останова с переводом в подкритическое состояние ВВЭР имеет две независимые системы управления и защиты:

·  жидкостное регулирование, которое изменяет концентрацию борной кислоты в теплоносителе, чем воздействует на реактивность;

·  механическая система управления и защиты (СУЗ), которая вводит в активную зону или извлекает из нее механические исполнительные органы, воздействующие на реактивность: поглощающие стержни в ВВЭР-1000, поглощающие надставки с регулирующими ТВС в ВВЭР-440. Устройство регулирующей ТВС ВВЭР-440 в активной части полностью идентично устройству рабочей ТВС.

Жидкостное регулирование применяется для компенсации медленно изменяющихся во времени эффектов реактивности, поскольку процесс ввода-вывода борной кислоты инертен. Подача борной кислоты в активную зону, т. е. увеличение ее концентрации, может выполняться как системой нормальной эксплуатации – системой подпитки-вывода теплоносителя, так и аварийной системой – системой аварийной подпитки. Уменьшение концентрации борной кислоты возможно только системой нормальной эксплуатации – системой подпитки-вывода.

Следует отметить, что нейтронно - физические характеристики ВВЭР не позволяют безопасно увеличивать концентрацию борной кислоты выше определенного значения на выведенном в критическое состояние реакторе.

Предельная концентрация борной кислоты для критичного реактора колеблется в незначительных пределах – около 7,5 г Н3ВО3/кг Н2О в зависимости от компоновки загрузки. Такой концентрации недостаточно для ВВЭР-1000, чтобы скомпенсировать запас реактивности на выгорание, поэтому в свежие ТВС-1000 вставляют стержни выгорающих поглотителей (СВП), которые снижают размножающие свойства зоны на начало кампании, или используют в ТВС выгорающий поглотитель – гадолиний, который добавлен непосредственно в топливо. Тепловыделяющие элементы с добавкой гадолиния носят сокращенное название ТВЭГ. ТВС с ТВЭГ применяется и на ВВЭР-440.

Основное назначение механической СУЗ – обеспечение оперативного регулирования мощности реактора и выполнение функции предупредительной и аварийной защиты. ВВЭР-1000 оборудован 61 механическим, снабженным индивидуальным приводом органом регулирования (ОР) СУЗ; ВВЭР-440 – 73 или 37 органами. Для удобства управления они собраны в группы: ОР СУЗ ВВЭР-1000 разбиты на 10 групп, ВВЭР-440 – на 12 или 6. Последняя по нумерации группа ОР является регулирующей. Штатное управление органами СУЗ – групповое: подъем производится в прямой последовательности нумерации групп, ввод в активную зону – в обратной, но схемы управления позволяют при необходимости оперировать с любым отдельно выбранным органом СУЗ или выбранной группой органов.

Устройство ОР СУЗ ВВЭР - 440 и -1000 в значительной степени различно:

·  привод ОР СУЗ ВВЭР - 440 приводится в действие электродвигателем, вращение которого преобразуется в поступательное движение зубчатой парой шестерня - зубчатая рейка; привод ОР СУЗ ВВЭР-1000 – электромагнитами, система электромагнитов обеспечивает поступательное движение исполнительного органа, отсутствие вращающихся частей и зубчатой передачи делает его более надежным;

·  поглотитель ОР СУЗ ВВЭР-1000 – поглощающие стержни СУЗ, вводят непосредственно в ТВС, в то время как исполнительный орган СУЗ ВВЭР-440 представляет собой связку «Поглощающий надставок – регулирующая ТВС», соединенную штангой привода в единое целое.

·

В режиме срабатывания аварийной защиты приводы ОР как ВВЭР-1000, так и ВВЭР-440 обесточиваются и падают в зону под действием собственной массы.

Таблица 6.3

Основные механические характеристики СУЗ

Параметры	ВВЭР-1000	ВВЭР-440
Число ОР СУЗ	61	73/37
Число групп ОР СУЗ	10	12/6
Скорость движения ОР в рабочем режиме, мм/с	20	20
Время падения ОР в режиме аварийной зоны, не более с	4	12
Масса ОР, кг	17,4	330(ТВС-220; надставка -110)

На рис.6.5, 6.6 изображены поглощающие стержни СУЗ (ПС СУЗ) ВВЭР-1000 и поглощающая надставка ВВЭР-440.

ПС СУЗ – это пучок из 18 поглощающих элементов (Пэл), соединенных с помощью пружин индивидуальной подвески с общей захватной головкой. Пэл представляет собой стержень, выполненный из трубки наружным диаметром 8,2 мм и толщиной стенки 0,5 мм, наполненной поглотителем нейтронов - карбидом бора плотностью 1,7 т/м3 и титанатом диспрозия. Последний добавляется на нижних 30 см, которые при работе ПС СУЗ в составе рабочей группы находятся в активной зоне, т. е. подвержены выгоранию. Нейтронно-физические свойства титаната диспрозия таковы, что он выгорает в меньшей степени, чем карбид бора, увеличивая таким образом срок службы ПС СУЗ с сохранением достаточной эффективности. Кроме того, он увеличивает физический вес ПС СУЗ, что важно для обеспечения скорости падения ПС СУЗ при срабатывании аварийной защиты.

Во время перегрузки ПС СУЗ загружается в ТВС, установленные ячейки СУЗ, расположение которых в активной зоне соответствует расположению приводов СУЗ. При этом Пэлы на всю длину погружаются в направляющие каналы ТВС. После установки блока защитных труб и верхнего блока выполняется сцепление привода и поглощающие стержни с помощью штанги привода, которая входит в зацепление его головкой. При подъеме, ПС СУЗ извлекается из ТВС, т. е. из активной зоны и втягивается в защитную трубу блока защитных труб. Гибкое соединение Пэла с головкой обеспечивает относительно свободное его движение в направляющей трубе при возможной эксплуатационной деформации.

Стержень выгорающего поглотителя (СВП) конструктивно почти идентичен ПС СУЗ, поскольку его положение в ТВС аналогично положению ПС СУЗ при обесточенном приводе. СВП устанавливаются в те свежие ТВС, чье расположение на картограмме активной зоны не совпадает с расположением приводов. Следует обратить внимание на различие в некоторых конструкционных материалах между СВП и ПС СУЗ:

·  плотность бора в поглощающем материале CrВ в СВП значительно меньше, чем в карбиде бора (В4С) в ПС СУЗ (используются три типа СВП с плотностью бора 0,02; 0,036; 0,05 т/м3);

·  оболочка СВП в отличие от оболочки Пэла, изготовлена из сплава Zr + 1% Ni.

Эти отличия объясняются тем, что СВП должен на конец компании иметь минимально возможное сечение поглощения нейтронов. Только в этом случае его отрицательное влияние на экономику топливного цикла минимально. Соответственно срок службы СВП – одна кампания. Нужно отметить, что применение СВП не является оптимальной технологической схемой применения выгорающего поглотителя, поэтому в настоящее время внедряются в эксплуатацию ТВС с выгорающим поглотителем – гадолинием, который введен непосредственно в топливо.