5-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» Подольск, ОКБ "Гидропресс", 29 мая -1 июня 2007 Обеспечение безопасности Обеспечение безопасностиВВЭР-1000 с модернизированными ТВС с увеличенной длиной топливного столба Г.Л.Пономаренко, Ю.Г.Драгунов, М.А.Быков, И.Н.Васильченко, С.Н.Кобелев (ОКБ «Гидропресс»), В.Л.Молчанов, С.Е.Волков (ОАО ТВЭЛ)

ВВЕДЕНИЕ В проекте ТВС-2М длина топливного столба увеличена по сравнению с серийной ТВС-2 на 150 мм, при сохранении общего габарита ТВС, что экономически выгодно и повышает безопасность. ТВС-2М предполагается использовать в той же активной зоне с реактором ВВЭР-1000, что и ТВС-2. При срабатывании АЗ имеет место небольшое неперекрытие или так называемый недоход ПС СУЗ до нижней кромки топлива ТВС-2, который не превышает 83 мм. При переходе к ТВС-2М величина недохода увеличивается на 100 мм и его влияние требует детального анализа, на основании которого может быть сделан вывод о необходимости изменения конструкции и замены приводов СУЗ и самих ПС СУЗ в связи с удлинением топливного столба.

ВВЕДЕНИЕ (продолж.) Для реактора ВВЭР с 61 ОР СУЗ выполнены анализы с учётом неполного перекрытия топлива поглотителем : - проектного режима «разрыв паропровода» и - запроектного режима «прохождение пробки чистого конденсата при пуске первого ГЦН после перегрузки». Анализ проводился с использованием сопряжённого кода ТРАП-КС с пространственной кинетикой и моделью процессов перемешивания теплоносителя в напорной и сборной камерах реактора. Расчет библиотеки нейтронных констант проведён по коду САПФИР_95.1, а расчеты выгорания - по коду САПФИР_95&RC_ВВЭР. Эффекты перемешивания и размывания пробки ЧК учитывались в рамках используемой модели консервативно на основе экспериментальных данных.

ВВЕДЕНИЕ (продолж.) Использовались следующие положения идеологии обоснования безопасности : (а) в техническом проекте РУ должно быть показано, что рабочие органы АЗ без одного, наиболее эффективного органа обладают: - быстродействием, достаточным для перевода активной зоны реактора в подкритическое состояние без нарушения пределов безопасной эксплуатации при нарушениях нормальной эксплуатации; - эффективностью, достаточной для перевода активной зоны реактора в подкритическое состояние и поддержания её в подкритическом состоянии при нарушениях нормальной эксплуатации и проектных авариях. В случае если эффективность АЗ недостаточна для длительного поддержания активной зоны в подкритическом состоянии, должно быть предусмотрено автоматическое подключение другой (других) системы (систем) остановки реактора, обладающей (обладающих) эффективностью, достаточной для поддержания активной зоны в подкритическом состоянии с учётом возможного высвобождения реактивности;

ВВЕДЕНИЕ (продолж.) (б) увеличение проектного недохода вследствие удлинения топлива в ТВС-2М будет допустимым при следующих сценариях и условиях: для основного проектного сценария, положительным результатом является доказательство того, что небольшое увеличение недохода ОР СУЗ приводит к незначительному снижению имеющихся запасов по всем критериальным параметрам безопасности и имеется значительный запас до «критической» величины недохода (т.е. при которой приёмочные критерии не выполняются); для дополнительных менее вероятных запроектных сценариев, в которых запасы малы или отсутствуют положительным результатом анализа является доказательство того, что увеличение недохода ОР СУЗ, если и приводит к нарушению приёмочных критериев, то в незначительном количестве твэлов;

ВВЕДЕНИЕ (продолж.) Основные выводы настоящего анализа состоят в допустимости недохода при нахождении ОР на НЖУ (величина недохода до 5 % от высоты активной зоны). Расчёты проведены в консервативном приближении по исходным данным и выбранному сценарию. Для всех рассмотренных сценариев использовались приёмочные критерии проектных аварий, а также дополнительный более жёсткий критерий по отсутствию кризиса теплообмена.

1. Разрыв паропровода Анализ проведён на конец борной кампании стационарного цикла выгорания с проектными характеристиками блока 1 Балаковской АЭС. Одним из наиболее неблагоприятных проектных сценариев является сценарий с отказом закрытия БЗОК на аварийном ПГ и ошибочной подачей питательной воды в аварийный парогенератор насосом ВПЭН, а также с зависанием одного, наиболее эффективного ОР СУЗ в «холодном» секторе активной зоны в крайнем верхнем положении. В основных запроектных сценариях моделировались дополнительные отказы: повышенное (до двух- четырёх шт.) количество зависших ОР СУЗ в наиболее эффективной конфигурации в «холодном» секторе активной зоны.

Разрыв паропровода (продолж.) В анализе варьировалась величина недохода в диапазоне от 0 до 555 мм. Найдены зависимости критериальных и сопутствующих параметров безопасности от величины недохода. Получено, что заметное и значимое повышение чувствительности параметров безопасности начинается при величине недохода более 200 мм и особенно более мм.

Разрыв паропровода (продолж.) Получены следующие результаты из анализа основных проектных и запроектных сценариев: повышение проектной величины недохода на 100 мм - от 83 (для УТВС и ТВС-2) до 183 мм (для ТВС-2М) практически никак не ухудшает все критериальные и сопутствующие значимые параметры. Все приёмочные критерии удовлетворяются с запасами для рассмотренных проектных и запроектных сценариев; аварийная защита с проектным недоходом до 183 мм является самодостаточной системой останова, т. е. способной обеспечить выполнение ужесточённых приёмочных критериев по топливу и сохранение целостности барьеров безопасности для рассмотренных проектных и запроектных сценариев без увеличения концентрации бора в теплоносителе; при увеличенном до мм недоходе также сохраняются достаточно большие запасы по безопасности.

Разрыв паропровода (продолж.) При дальнейшем увеличении недохода все критериальные и сопутствующие значимые параметры ухудшаются по нарастающей, вплоть до повреждения активной зоны. В частности при утроенном значении проектного недохода, равном 555 мм и зависании до четырёх наиболее эффективных ОР СУЗ в «холодном» секторе активной зоны, в небольшом количестве, наиболее «горячих» твэлов реализуется плавление и фрагментация топлива, а также интенсивная паро-циркониевая реакция их оболочек (Т с max превышает 1200 о С). В дополнительных менее вероятных запроектных сценариях моделировались дополнительные отказы: ошибочная подача холодной питательной воды в аварийный парогенератор насосами АПЭН или ошибочная подача насосами НВД САОЗ чистого конденсата вместо борного раствора. Анализ этих сценариев показал, что проектная величина недохода ОР СУЗ в ТВС-2М также обеспечивает выполнение приёмочных критериев по топливу.

Разрыв паропровода (продолж.)

Разрыв паропровода (оконч.)

2. Пробка чистого конденсата Проведён анализ безопасности запроектного режима с пробкой ЧК при пуске первого ГЦН после перегрузки топлива, с учётом неполного перекрытия топлива поглотителем для активной зоны серийного реактора ВВЭР-1000, состоящей из ТВС-2М. Анализ проведён на начало кампании стационарного цикла выгорания с проектными характеристиками блока 1 Балаковской АЭС. Сложности и неопределённости моделирования подобных режимов относятся к аспектам сценария образования пробки как таковой, механизму её накопления и размывания в петле, перемешивания в тракте до входа в активную зону. Эти аспекты недостаточно изучены и в настоящее время проводятся работы по расчётному и экспериментальному их изучению с использованием кодов типа CFD и экспериментальных измерений на стенде ОКБ "Гидропресс". Экспериментальное исследование проводилось на стенде в масштабе 1/5 для пробки ЧК эквивалентным объёмом 9 м 3 в аспекте её размывания и перемешивания до входа в активную зону.

Пробка чистого конденсата (продолж.) Изменение средней относительной концентрации в пробке на входе в активную зону для различных значений расходов. Experimental data.

Пробка чистого конденсата (продолж.) В результате проведенных экспериментов получено, что минимальная усреднённая по сечению относительная концентрация в пробке на входе в активную зону (сглаженность) Св min / СВ о находится в диапазоне 0,67 – 0,78 отн. ед. Относительная концентрация распределяется по сечению активной зоны неравномерно и изменяется в диапазоне от 1 до 0,4. Расчётное моделирование такого режима проводилось с ориентировкой на полученные экспериментальные результаты таким образом, чтобы обеспечить консервативность расчётов. Так, в расчёте моделировалась минимальная усреднённая сглаженность Св min / СВ о 0,4.

Пробка чистого конденсата (продолж.) Получены следующие консервативные выводы о допустимости величины недохода ОР СУЗ для ТВС-2М : - увеличение недохода ОР СУЗ от (0 – 83) до 200 мм (НЖУ), практически никак не ухудшает значений критериальных и сопутствующих параметров безопасности. Обеспечивается выполнение всех приёмочных критериев, с достаточно большими запасами; - увеличение недохода ОР СУЗ от 200 до (283 – 300) мм (НКВ) хотя и обеспечивает выполнение приёмочных критериев, однако не оставляет запаса подкритичности (кратковременно); -дальнейшее увеличение недохода ОР СУЗ от 300 до 370 мм может привести к кратковременной нейтронной вспышке на мгновенных нейтронах. Тем не менее, все критерии безопасности по топливу удовлетворяются; -увеличение недохода ОР СУЗ до 555 мм и выше может привести к опасной нейтронной вспышке, сопровождающейся тяжёлым повреждением активной зоны.

Пробка чистого конденсата (продолж.)

Более детально режим с пробкой ЧК проанализирован по сопряжённому коду КОРСАР/ГП в докладе AER Working Group D Paris, May 2007 Accident with a Slug of Unborated Water and Safety of WWER-1000 at its Modernization G.Ponomarenko, Yu.Dragunov, M.Bykov (OKB Gidropress, Russian Federation)

29 Distribution of a boric acid concentration in the core bottom cross-section at the moment 215,8 s when achieves the maximal reactivity in a mode with a SLUG. Modelling with the CORSAR /GP with orientation to the characteristics measured at the experimental stand

30 Change of relative boric acid concentration in the WWER-1000 core in a mode with a SLUG. Modelling with the CORSAR /GP with orientation to the characteristics measured at the experimental stand

31 Number and designation of variant Full quantity of CR CPS, pieces Number of a cell with CR stuck on the core top CRs nonoverlappin g of fuel on the bottom, cm Shut-down Boric reactivity, eff (%) 1. 97CR-0_20cm-2%B ,2 (-1,9) 2. 85CR-0_20cm-2%B ,2 (-1,9) 3. 85CR-0_10cm-2%B ,2 (-1,9) 4. 61CR-0_20cm-4%B ,4 (-4,3) 5. 61CR-0_10cm-4%B ,4 (-4,3) 6. 49CR-0_10cm-5%B ,6 (-5,1) 7. 49CR-0_10cm-4%B ,4 (-4,3) 8. 61CR-0_10cm-2%B ,2 (-1,9) 9. 61CR-0_20cm-2%B ,2 (-1,9) CR-155_10cm-2%B ,2 (-1,9) CR-126_10cm-5%B ,6 (-5,1) Description of variants for a mode with deborated Slug

32 Number and designation of variant Total reactivity Bor+CRs, eff Total reactivity during movement of the Slug in the core, eff Maximal rate of reactivity insertion, eff /s 1. 97CR-0_20cm-2%B-27,2-12,48, CR-0_20cm-2%B-24,4-5,219, CR-0_10cm-2%B-24,6-9,24, CR-0_20cm-4%B-19,8-3,712, CR-0_10cm-4%B-19,9-3,76, CR-0_10cm-5%B-19,6-3,45, CR-0_10cm-4%B-18,2-0,610,1 Basic results for variants 1-7 with maintenance of subcriticality for a mode with unborated Slug

33 Characteristics of a mode Number and designation of variant 8. 61CR-0 _10cm-2%B 9. 61CR-0 _20cm- 2%B CR-155 _10cm-2%B CR-126 _10cm-5%B Total reactivity Bor+CRs, eff -15,5-15,3 -19,4 Maximal dynamic reactivity during Slug movement together with Doppler, eff +1,7+1,8 +1,04 N max /N nom, rel. inits2,32,92,40,029 Ql max, W/cm - Without Hot Channel - With account of Hot Channel ,5 305,3 H max, J/g - Without Hot Channel - With account of Hot Channel More ,5 - Tf max, o C - Without Hot Channel - With account of Hot Channel More ,0 - Tc max, o C - Without Hot Channel - With account of Hot Channel More Maximal rate of reactivity insertion, eff /s 52,090,0105,818,8 Performance of fuel criteriaNo Yes Basic results for variants 8-11 with default of subcriticality criterion for a mode with deborated Slug

34 Fig. 4a – Reactivity ( eff ) versus time for variants with maintaining of subcriticality

35 Fig. 4b – Reactivity ( eff ) versus time for variants with with overcriticality

36 Fig. 4c – Reactivity ( eff ) versus time for variants with with overcriticality

37 Fig. 5a – Reactor power versus time for variants with overcriticality

38 Fig. 5b – Reactor power versus time for variants with overcriticality

39 Fig. 5c – Maximal linear power rate with account of Hot Channel (Qlmax_g_k) and without account of Hot Channel (Qmax) versus time for variants with overcriticality

40 Fig. 6a – Maximal radially averaged enthalpy with account of Hot Channel (Hmax_g_k) and without account of Hot Channel (Hmax) versus time for variants with overcriticality

41 Fig. 6b – Maximal fuel temperature with account of Hot Channel (Tf_g_k) and without account of Hot Channel (Tmax_fuel) versus time for variants with overcriticality

42 Fig. 7 – Distribution of fuel temperature ( o C), averaged on assembly cross-section, in different cross-sections on the core height from the bottom, for variant «61CR- 155_10cm-2%B» at the moment 217,4 s (achievement of maximal value Tf max ) Cross-section 2 Cross-section 5 Cross-section 11 Cross-section 8

43 Fig. 8 – Distribution of linear power rate (a) (W/cm) and fuel temperature (b) ( o C), averaged on assembly cross-section, in cross-section 2 from the core bottom, for variant «61CR-0_10cm- 2%B» at the moment 215,85 s b a

44 Fig. 9a – Change of linear power rate, averaged on «Hot» assemblies for different cross-sections on the core height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»

45 Fig. 9b – Change of linear power rate, averaged on «Hot» assemblies for different cross-sections on the core height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»

46 Fig. 9c – Change of linear power rate, averaged on «Hot» assemblies for different cross-sections on the core height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»

47 Fig. 10a – Change of linear power rate, averaged on «Warm» assemblies for different cross-sections on the core height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»

48 Fig. 10b – Change of linear power rate, averaged on «Warm» assemblies for different cross-sections on the core height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»

49 Fig. 10c – Change of linear power rate, averaged on «Warm» assemblies for different cross-sections on the core height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»

50 Fig. 11 – Change of fuel temperature, averaged on «Hot» assemblies for different cross-sections on the core height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»

51 Fig. 12 – Change of fuel temperature, averaged on «Warm» assemblies for different cross-sections on the core height. Variant «61CR-0_10cm-2%B»

Заключение Таким образом, показано, что п ри проектном удлинении топливного столба ТВС-2М штатная конструкция приводов СУЗ и самих ПС СУЗ может быть пригодной для использования без конструктивных изменений