Стартовая >> Архив >> Генерация >> Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

Распространение локальных повреждений твэлов - Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

Оглавление
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах
Воспроизводство и роль быстрых реакторов-размножителей
Физические принципы воспроизводства
Роль воспроизводства в оценках энергетических ресурсов
Программы исследования быстрых реакторов
Принципы конструирования
Механическая конструкция и система теплопередачи
Выбор материалов и параметров активной зоны
Экономический анализ
Обращение с топливом
Выгорание топлива
Уравнения выгорания
Время удвоения
Численные результаты анализа топливного цикла реактора с жидкометаллическим теплоносителем
Конструкции твэла и сборки
Перестройка топлива
Выделение газа из топлива и длина газовой полости
Критерий повреждаемости и анализ прочности твэла
Конструкция тепловыделяющей сборки
Другие сборки
Поведение совокупности сборок
Факторы перегрева
Материалы активной зоны
Топливо на основе урана
Топливо, содержащее торий
Общее сравнение топлива
Оболочка и чехол
Материалы оболочки
Теплоноситель
Совместимость с оболочкой
Сравнение различных теплоносителей
Органы управления
Основное оборудование теплоотводящих контуров реакторов
Регулирование параметров технологической схемы АЭС
Основное оборудование натриевых контуров
Натриевые насосы
Парогенераторы
Нейтронная защита
Защита оборудования теплоотводящих контуров в реакторе петлевого типа
Система транспортировки тепловыделяющих сборок
Измерительные системы
Контроль герметичности оболочек твэлов, течей
Вспомогательные системы
Общие вопросы безопасности реакторов БН
Многоступенчатая защита как концепция безопасности
Развитие методов исследования аварийных режимов
Оценка риска и методы исследования аварийных режимов
Контролируемые переходные процессы
ффективность системы аварийной защиты АЭС
Некоторые параметры, характеризующие состояние реактора в аварийных режимах
Вопросы надежности
Надежность системы аварийного расхолаживания реактора
Распространение локальных повреждений твэлов
Переходные процессы в объеме активной зоны
Другие аварийные режимы
Неконтролируемые аварийные режимы
Уравнения сохранения
Аварийные режимы с повышением мощности реактора
Разрушение твэлов
Прочие факторы
Аварийный режим с ухудшением условий теплоотвода
Неконтролируемый аварийный режим, связанный с прекращением циркуляции теплоносителя
Нарушение герметичности трубопроводов
Переходная стадия
Переходная стадия - расчет
Разрушение активной зоны
Защитная оболочка
Процесс расширения топлива
Взаимодействие расплавленного топлива с теплоносителем
Взрыв паров
Деформация элементов конструкции реактора
Охлаждение реактора после аварии
Аварийная разгерметизация бака реактора
Натриевые пожары
Конструкции защитных оболочек и локализующих систем
Конструкция быстрых реакторов с газовым охлаждением
Системы реактора
Конструкция активной зоны
Конструкция твэла
Безопасность газоохлаждаемых быстрых реакторов
Контролируемые аварии
Неконтролируемые аварии
Защитное окружение быстрых реакторов с газовым охлаждением
Сравнение гомогенного и гетерогенного проектных вариантов быстрого реактора CRBRP
Ядерная энергетика и быстрые реакторы

Исследование вероятности распространения аварийного разрушения твэлов внутри активной зоны является одной из важных проблем, на решение которой разработчиками реакторов БН в различных странах в течение многих лет затрачиваются большие усилия [17]. Основной целью исследований является изучение влияния аварийного разрушения одного твэла на соседние элементы, т. е. возможного увеличения масштабов и опасности аварии.
На первой стадии распространение аварии происходит от поврежденного твэла к соседним (рис. 14.6).
Возможны два варианта дальнейшего развития процесса: либо распространение аварии приостанавливается, либо аварийное разрушение постепенно охватывает все твэлы тепловыделяющей сборки.
процесс распространения аварийных повреждений оболочек внутри активной зоны реактора
Рис. 14.6. Иллюстрация процесса распространения аварийных повреждений оболочек внутри активной зоны:
А — распространение повреждений от одного твэла к соседним в пределах тепловыделяющей сборки, Б — распространение повреждений между тепловыделяющими сборками
На следующем этапе повреждения распространяются от одной ТВС к другим, расположенным в соседних ячейках. Если развитие процесса будет достаточно быстрым, система аварийной защиты нс сможет воспрепятствовать разрушению активной зоны. В связи с этим проводились исследования вероятности распространения аварии внутри активной зоны, а также способов обнаружения аварии (например, с помощью индивидуального контроля параметров ТВС). Опыт показывает, что вероятность распространения аварии в активной зоне современного быстрого реактора (с загрузкой твэлов, заполненных таблетками уран-плутониевого оксидного топлива и с оболочкой из нержавеющей стали) чрезвычайно мала. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

А. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТВЭЛОВ В ПРЕДЕЛАХ ТВС

Возможные исходные события

Распространение аварийного повреждения одного твэла на соседние может произойти по трем основным причинам. Одной из причин является выход газообразных продуктов деления из твэлов через неплотности, вызванные некачественным изготовлением. В качестве другой возможной причины рассматривается забивание проходного сечения ТВС, приводящее к повышению температуры и закипанию теплоносителя. Наконец, местные неравномерности обогащения топлива в твэлах могут привести к расплавлению топлива и его выходу в межтвэльное пространство. Кроме перечисленных основных факторов, распространение аварии между твэлами может быть вызвано ухудшенными условиями теплосъема в ТВС, а также случайными разрушениями тепловыделяющих стержней.

Способы обнаружения повреждений твэлов

Перед тем как перейти к подробному рассмотрению явлений, способствующих распространению аварий внутри активной зоны, целесообразно оценить возможность обнаружения повреждений твэлов.
Существует несколько методов контроля состояния твэлов. Во-первых, контроль может осуществляться путем измерения температуры натрия на выходе из ТВС. Однако заметное изменение температуры, связанное с нарушением поля скоростей натрия в ТВС, происходит только при разгерметизации значительного числа твэлов. Второй метод контроля основан на регистрации импульсов запаздывающих нейтронов, испускаемых осколками деления, попадающими в натрий из твэлов через неплотности в оболочке. В качестве третьего метода может использоваться контроль выхода продуктов деления из твэлов. Для определения аварийной ТВС или твэла газообразные продукты деления могут «маркироваться» с помощью добавок смесей нуклидов фиксированного состава. Однако все перечисленные способы не дают возможности достаточно быстрого обнаружения разрушения одного твэла. В связи с этим большое значение имеет предотвращение распространения повреждений твэлов внутри ТВС и в активной зоне.

Выход газообразных продуктов деления

В случае выхода из твэла газообразных продуктов деления возникает опасность перегрева оболочки за счет вытеснения натрия из канала между твэлами. Однако, как видно из рис. 14.7, для достижения температуры, при которой происходит разрушение оболочки твэла, необходимо не менее 150 мс даже в случае адиабатического нагревания (т. е. при полном отсутствии натрия). Удаление газового пузыря, попавшего в пространство между твэлами, при значительном разрыве оболочки произойдет примерно через 100 мс. Если происходит медленная утечка газа из твэла (в течение нескольких часов или суток), заметных нарушений потока теплоносителя не возникнет. Таким образом, вероятность разрушения твэлов за счет вытеснения теплоносителя газом незначительна.
Кроме того, если предположить, что струя газа, выброшенного из твэла, приводит к разрушению оболочки соседнего твэла, выходящий из него газ будет заполнять пространство между этими двумя твэлами, т. е. не возникает условий для дальнейшего распространения аварии.
Рис. 14.7. Разогрев оболочки твэла реактора с жидкометаллическим теплоносителем при полном отсутствии теплосъема (максимальная линейная тепловая нагрузка составляет 52 кВт/м) [17]:

1 — температура на выходе из активной зоны, 2 — температура в средней плоскости активной зоны, 3 - температура на входе в активную зону; 4 — температура, при которой происходит разрушение оболочки твэла
Выход газообразных продуктов деления может привести к значительным механическим нагрузкам на соседние твэлы, однако скорость потока газа, как правило, мала, и опасность такого воздействия можно не учитывать.

Частичное перекрытие проходного сечения ТВС

Перекрытие проходного сечения ТВС может произойти за счет твердых примесей в натрии. В целях исключения попадания в ТВС твердых частиц перед входом в активную зону натрий пропускается через механические фильтры. Если при разгерметизации твэлов частицы топлива попадут в теплоноситель, система контроля герметичности оболочек быстро отреагирует на повышение содержания в газе продуктов деления. Другой причиной частичного закупоривания проходного сечения ТВС может быть увеличение объема твэлов за счет распухания конструкционных материалов (см. § 8.3), которое, однако, происходит довольно медленно.
Перекрытие около половины свободного сечения ТВС приводит к снижению расхода теплоносителя лишь на 5 %. Следовательно, только при значительном закупоривании сечения температура твэлов может достигнуть опасных значений. Кроме того, если образовавшаяся пробка состоит из отдельных частиц, возможен проток теплоносителя через поры.

Выход расплавленного топлива

В процессе изготовления твэлов необходим тщательный контроль равномерности обогащения топлива по объему, чтобы исключить возможность местных перегревов топливного сердечника до температуры плавления.
Основную опасность, связанную с выходом из твэлов расплавленного топлива, представляет его тепловое взаимодействие с натрием. Как будет показано в § 16.3, оксидное топливо взаимодействует с натрием менее интенсивно, чем другие виды топлива.
Таким образом, на основании сказанного можно сделать вывод, что вероятность распространения аварийных повреждений между твэлами чрезвычайно мала. Кроме того, если распространение повреждений все-таки начнется, скорость этого процесса невелика, что дает возможность своевременного его обнаружения.

Б. ВЛИЯНИЕ ПОВРЕЖДЕННОЙ ТВС НА СОСЕДНИЕ СБОРКИ

Причины распространения повреждений внутри активной зоны

Распространение аварийного повреждения ТВС внутри активной зоны может происходить по следующим причинам:

  1. повреждение всей ТВС в результате распространения аварии между твэлами;
  2. полное перекрытие сечения для прохода теплоносителя в ТВС;
  3. взаимодействие расплавленного топлива с теплоносителем, сопровождающееся ростом давления;
  4. увеличение реактивности, вызванное расплавлением ТВС.

Полное прекращение циркуляции теплоносителя через ТВС

Проблема предотвращения перекрытия сечения ТВС, а также способы контроля расхода теплоносителя в сборках должны рассматриваться на стадии проектирования реактора. Использование специальных конструкторских решений (например, устройство нескольких входных отверстий), а также результаты экспериментального обоснования конструкции ТВС (например, продувки на газовых стендах) позволяют считать, что быстрое перекрытие ТВС по всему сечению маловероятно. Очевидно, образование пробки в сечении ТВС будет происходить достаточно медленно, что позволит системе контроля обнаружить отклонение значений параметров от номинальных. Согласно проведенным оценкам для того, чтобы на выходном участке ТВС реактора с жидкометаллическим теплоносителем началось кипение натрия, необходимо перекрыть около 90 % входного сечения. Исследования [18] показывают, что пробки внутри ТВС образуются лишь в результате значительного разрушения твэлов, которое, как указывалось выше, может быть обнаружено на ранней стадии с помощью датчиков продуктов деления (твердых или газообразных) и запаздывающих нейтронов. Для обнаружения быстрого распространения аварийных повреждений наиболее эффективным средством являются акустические датчики, однако, как показывают исследования, скорости процессов распространения аварии в активной зоне умеренные, поэтому необходимости в применении акустических методов контроля нет.

Рост давления

Одним из опасных последствий, связанных с взаимодействием расплавленного топлива и натрия, является резкий рост давления, приводящий к значительной деформации конструкционных элементов активной зоны, что может нарушить нормальную работу органов СУЗ. Однако взрыв паров натрия маловероятен, поскольку образующийся при взаимодействии пар разделяет две жидкости и, таким образом, препятствует нагреванию натрия и росту давления. Экспериментальные исследования взаимодействия UO2 с натрием показали отсутствие спонтанного парообразования, которое является необходимым условием взрыва паров (см. § 16.3).

Рост реактивности

Согласно расчетным оценкам для расплавления всех ТВС активной зоны будет достаточным увеличение реактивности, вызываемое аварийным расплавлением и уплотнением топлива из шести или семи сборок (при условии
отказа системы аварийной защиты реактора). Однако опыт реакторных исследований показывает, что топливо после расплавления рассеивается, а не уплотняется. При этом создается отрицательный эффект реактивности. Хотя рассеивание натрия и стали в активной зоне сопровождается ростом реактивности, отрицательный эффект реактивности топлива доминирует, поэтому результирующим эффектом будет уменьшение реактивности.
Следует отметить, что распространение повреждений в направлении оси ТВС происходит более интенсивно, чем в радиальном направлении.



 
« Расчетная обеспеченность работы гидроэлектростанции   Режим системы охлаждения генераторов на теплофикационных энергоблоках 250 МВт »
электрические сети