Обоснование теплогидравлических характеристик ВВЭР - Теплогидравлические и гидромеханические условия работы органов регулирования СУЗ ВВЭР

2.4 ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ ОРГАНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ СУЗ ВВЭР

2.4.1 Описание теплогидравлических условий работы и характеристик перемещения ОР СУЗ в режимах регулирования и срабатывания аварийной защиты

ВВЭР-1000

Органы регулирования СУЗ ВВЭР-1000 представляют собой систему, включающую поглощающий стержень, сцепленный со штангой привода и предназначенный для управления реактивностью и мощностью реактора, а также для быстрого перевода активной зоны в подкритическое состояние.
В режиме регулирования ОР СУЗ перемещается с рабочей скоростью 2 см/с с помощью привода ШЭМ. В режиме срабатывания аварийной защиты (АЗ) ОР СУЗ вводятся в активную зону за счет свободного падения за проектное время 1,2-4,0 с. В конце падения обеспечивается демпфирование ОР СУЗ за счет пружин подвески ПЭЛ и пружинного блока в головке ТВС.
В активной зоне ВВЭР-1000 поглощающий стержень состоит из 18 ПЭЛ, которые размещаются и перемещаются внутри направляющих каналов (НК) ТВС и направляющих каналов труб БЗТ
В отдельных ТВС активной зоны ВВЭР-1000 в направляющих каналах могут быть установлены сборки из 18 стержней с выгорающим поглотителем (СВП), которые находятся в неподвижном положении.
Для отвода радиационных энерговыделений от ПЭЛ и СВП организован проток теплоносителя через направляющие каналы ТВС за счет отверстий в наконечниках НК.
Проток теплоносителя через НК, в свою очередь, вызывает выталкивающие гидравлические усилия на сборку ПЭЛ и влияет на временные характеристики падения ОР СУЗ.

ВВЭР-440

Органы регулирования СУЗ ВВЭР-440 состоят из ТВС и поглощающей надставки, которые соединены между собой и с помощью привода могут перемещаться по высоте активной зоны. Основное их назначение заключается в регулировании мощности реактора и быстрого перевода активной зоны в подкритическое состояние.
В активной зоне реактора размещено 37 ОР СУЗ (реакторы В-230, В-270, В-213), а в серии ранних блоков (реакторы В-179) - 73 ОР СУЗ, которые объединены между собой по группам.
Рабочая скорость перемещения ОР СУЗ в стационарном режиме работы блока на номинальных параметрах составляет 2 см/с, которую обеспечивает привод СУЗ. В режимах, требующих быстрого перевода активной зоны реактора в подкритическое состояние, все ОР СУЗ перемещаются под действием собственного веса. Время полного перемещения ОР СУЗ в этих режимах должно находиться в интервале 8—12 с.

2.4.2 Расчетное и экспериментальное обоснование механических и динамических характеристик ОР СУЗ ВВЭР-1000

На стадии проектирования проводились теплогидравлические расчеты охлаждения ПЭЛ и СВП и расчеты динамических характеристик ОР СУЗ в режиме срабатывания АЗ с целью обоснования и выбора геометрических характеристик НК, ПЭЛ, дроссельных отверстий в наконечниках НК, отверстий в штанге привода, характеристик пружинного блока в головке ТВС.
Экспериментальная проверка и отработка механических и динамических характеристик ОР СУЗ в комплексе с приводом ШЭМ и ТВС в режимах перемещения с рабочей скоростью и в режимах срабатывания АЗ проводились в период ресурсных испытаний на стендах при штатных параметрах теплоносителя.
Экспериментальная проверка температурного режима НК проводилась на стенде в канале с злектрообогреваемой моделью ПЭЛ и СВП.
Расчетные тепловые и динамические характеристики ОР СУЗ были подтверждены результатами экспериментальных испытаний на стендах.
До 1992 г. на действующих блоках АЭС с ВВЭР-1000 не наблюдалось отступлений фактических характеристик по времени падения ОР СУЗ в режимах АЗ от проектных критериев (1,2—4,0 с). Начиная с 1992 г. на блоках АЭС с ВВЭР-1000 стали фиксироваться случаи нарушения в работе ОР СУЗ, заключающиеся в превышении проектного времени падения ОР СУЗ и зависании отдельных ОР СУЗ в нижней части активной зоны.
Специальными измерениями на блоках АЭС, анализами результатов измерений и расчетов установлено, что нарушения в работе ОР СУЗ обусловлены повышенным трением в направляющих каналах в связи с повышенным искривлением оси ТВС, что обусловлено многими факторами, одним из которых являлось осевое пережатие кассеты.
Были разработаны и внедрены на блоках мероприятия по устранению осевого пережатия кассеты (подрезка БЗТ, введение пружин в головках кассет с большим запасом свободного хода), а для обеспечения проектного времени падения введены утяжеление ОР СУЗ (сборки ПЭЛ и штанги), снижение гидравлических усилий на сборку ПЭЛ (за счет большего дросселирования наконечников НК) и снижение гидравлических усилий на штанге привода (за счет введения перфорации на штанге). Увеличено количество пружин, задействованных в демпфировании падающих частей ОР СУЗ.
Эффективность указанных мероприятий до их внедрения была проверена расчетами и подтверждена результатами измерений в стендовых условиях, а после внедрения мероприятий - результатами измерений на блоках АЭС. Указанные мероприятия реализовывались одновременно с внедрением конструкций модернизированных ТВС (ТВСМ) и усовершенствованных ТВС (УТВС).
Расчетные анализы динамических характеристик ОР СУЗ при срабатывании АЗ проводились по расчетной программе КЛАСТ, которая апробирована многочисленными проектными расчетами ОР СУЗ и подтверждена верифицированными расчетами по результатам испытаний ОР СУЗ на стендах и аттестована ГАН РФ. Описание основных характеристик программы КЛАСТ представлено в подразделе 2.5.4.
Программа КЛАСТ позволяет определять следующие динамические характеристики на участке падения и демпфирования ОР СУЗ в режиме срабатывания АЗ:

1. пройденный путь;
2. время падения;
3. скорость падения, в том числе скорость на подходе к головке ТВС и в конце демпфирования;
4. усилия, ускорение и текущие перегрузки, действующие на ОР СУЗ на участке падения и демпфирования, как функции времени.

Результаты расчетов динамических характеристик для серийных ОР СУЗ и последующих модификаций ТВС и ОР СУЗ (ТВСМ, УТВС, утяжеленные ОР СУЗ) приведены в сравнительной табл. 2.5. В этой же таблице приведены основные отличительные геометрические характеристики различных модификаций ОР СУЗ и ТВС, которые внедрены и эксплуатируются в реакторах ВВЭР-1000 (серии В-320, В-302, В-338).
Анализ представленных в табл. 2.5 данных позволяет отметить следующие особенности условий работы различных модификаций ОР СУЗ и ТВС:

1. при нормальных проектных состояниях активной зоны для всех модификаций ОР СУЗ и ТВС обеспечивается время падения ОР СУЗ в проектных пределах 1,2-4,0 с;
2. в серийных ТВС и серийных ОР СУЗ запас по усилиям механического трения (17 Н) в канале ОР СУЗ недостаточен, чтобы компенсировать увеличение механического трения при повышенном искривлении ТВС. Кроме того, в серийной ТВС демпфирование ОР СУЗ одной центральной пружиной не обеспечивает полного гашения скорости падающих ОР СУЗ и сохраняется остаточная ударная скорость ОР СУЗ о каркас НК;
3. использование 16 пружин в головках ТВСМ и УТВС для демпфирования ОР СУЗ обеспечивает полное гашение скорости падающих ОР СУЗ и исключает удар ОР СУЗ о каркас НК;
4. утяжеление ОР СУЗ (сборки ПЭЛ и штанги привода), а также уменьшение гидравлических усилий на сборке ПЭЛ и на штанге привода позволили увеличить запас до максимально допустимых значений механического трения в канале ОР СУЗ сверх проектного значения в несколько раз (от 17 Н в серийной ТВС до 114-116 Н в УТВС и ТВСМ).

Таким образом, применение утяжеленных ОР СУЗ в ТВСМ и УТВС обеспечивает надежное введение ОР СУЗ в активную зону при срабатывании АЗ в режимах НУЭ и ННУЭ. Данные результаты расчетов

Таблица 15. Основные геометрические и динамические характеристики различных модификаций ОР СУЗ и ТВС

подтверждены результатами стендовых испытаний, а также результатами измерений и опытом эксплуатации модернизированных и усовершенствованных ТВС на действующих блоках АЭС с ВВЭР-1000.
По программе КЛАСТ проведены также расчеты динамических характеристик ОР СУЗ в аварийных режимах разрыва трубопроводов первого контура. Согласно результатам расчетов, при всех модификациях ОР СУЗ и ТВС в аварийных режимах после поступления сигнала на срабатывание АЗ ОР СУЗ перемещаются только вниз, время введения ОР СУЗ в активную зону соответствует проектным требованиям, т.е. менее 4 с.