5-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» Подольск, ОКБ "Гидропресс", 29 мая -1 июня 2007 Обеспечение безопасности. - презентация

1 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)

2 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.

3 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.

4 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;

5 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;

6 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.

7

8 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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 Разрыв паропровода (продолж.)

13

14

15

16

17

18

19 Разрыв паропровода (оконч.)

20 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.

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

22 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.

23 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.

24 Пробка чистого конденсата (продолж.)

25

26

27

28 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 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 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 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 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 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 34 Fig. 4a – Reactivity ( eff ) versus time for variants with maintaining of subcriticality

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

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

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

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

39 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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»

52 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