Реакторные установки ВВЭР для АЭС - Исследовательские работы по топливным сборкам и их материалам ВВЭР-1

К 1958 году советскими учеными и металлургами по цветным металлам была проделана большая работа по изучению технологических процессов получения циркония и его сплавов, влияния на механические свойства циркония легирующих примесей, влияния высоких температур воды и пара на коррозионные свойства циркония и пр.
Исследования эти продолжались до 1964г. и далее, но запуск изделий в промышленное производство для реактора ВВЭР-1 производился по состоянию исследований на 1958г.

Исследовательский реактор РФТ

Для целого ряда исследовательских работ по топливным сборкам и их материалам в 1949г. ОКБ «Гидропресс» был запроектирован по заданию Института атомной энергии исследовательский реактор РФТ, изготовленный и смонтированный Подольским заводом им. Орджоникидзе. Мощность его составляла 10 МВт с потоком 1,8 н/см²сек, причем первоначально он имел 3 водяных, одну газовую и одну металлическую петли. Опыты на нем были начаты в 1952 году.

Петли использовались в основном для следующих исследований:

1. испытания надежности конструкции как самих тепловыделяющих элементов (твэл), так и натурных сборок;
2. отработка конструкции узла дистанционирования твэл;
3. проверки коррозионной стойкости, поведения различных материалов оболочек твэл, поглощающих и конструкционных материалов под напряжением;
4. испытания взаимодействия теплоносителя с сердечниками твэл при имитации нарушения герметичности оболочки, а также их распределения по контуру, адсорбции и отмывке;
5. отработка методов обнаружения негерметичности оболочки.

Для 1-го блока НВАЭС испытания отдельных укороченных твэл в петлях продолжались более 15000 часов, при этом выгорание достигало 20,0. В водяных петлях проводились также эксперименты при форсированных тепловых нагрузках порядка 2.106 кКал/м'час и температурах поверхности оболочек 350-360°С и испытания с объемным кипением воды в канале и паросодержанием 5% по весу.
На основании опытов на РФТ академиком И. В. Курчатовым было заявлено в 1956г. в докладе в Англии, что спеченная двуокись урана вследствие ее устойчивости при облучении и нерастворимости в горячем теплоносителе (дистилляте) является хорошим топливным материалом.
На РФТ было выявлено, что даже при негерметичных оболочках твэл не происходит загрязнения контура продуктами деления, а появляющаяся при этом небольшая газовая активность является короткоживущей.
На основании петлевых испытаний материалов кассет, обеспечивающих заданные механические свойства σ> 19 кг/мм², был выбран сплав циркония с 2,5% ниобия, который к тому же обладает хорошей коррозионной стойкостью при 300°С, и сплав циркония и 1% ниобия.
Из многих дистанционирующих конструкций выбор был остановлен на четырехярусной дистанционируюoей решетке, дающей касание твэл в сечении по одной линии и обеспечивающей наименьшее затенение твэл и минимальное гидравлическое сопротивление. На семистержневом пучке была также проверена вибростойкость пучка и отсутствие истирания оболочки твэл в месте касания ее с полосками дистанционируюoей решетки. Эти же результаты были подтверждены позже на штатных образцах на натурном стенде в ОКБ «Гидропресс».

Стенды ОКБ «Гидропресс» для прочностных испытании кассет

В связи с трудностью определения напряжений в кассетах и их поперечной устойчивости расчетным путем был сооружен стенд для определения этих величин с помощью эксперимента.
Вначале нагружению подвергалась стальная шестигранная труба. Тензометрированием установлено, что наиболее нагруженными элементами трубы являются ребра, в которых при давлении 3 кг/см² приведенные напряжения составляют σ= 2000 кг/см² (запас П= 1,25), а процесс пластической деформации начинается при давлении 3,5-4,0 кг/см².
Пустотелая шестигранная труба теряет устойчивость при давлении 6 кг/см², а заполненная пучком с 3-мя дистанционирующими решетками — при 8,5 кг/см. Натурная кассета испытывалась на стенде с циркуляцией воды при температуре 20+60°С. Перепады давления изменялись через 0,2 кг/см и были доведены на выходе из кассеты до 5,1 кг/см (максимально-осуществимой величины). Кассета не потеряла устойчивости.
При нагружении кассеты постоянным перепадом давлений между наружной и внутренними полостями до 3 кг/см кассета устойчивости также не потеряла.
Определение виброустойчивости пучка производилось на стенде, в котором осуществлялось его продольное омывание с помощью воды комнатной температуры и переменными скоростями от 1,83 до 6,4 м/сек.
Измерение амплитуды и частоты вибрации стержней производилось двумя методами:

1. с помощью пьезодатчиков с чувствительными элементами из керамики титанита бария, устанавливаемых внутри трубок, и соответствующей измерительной аппаратуры;
2. с помощью тензометров, наклеиваемых снаружи трубок.

Совпадение данных по двум различным методам подтвердили достоверность результата эксперимента.
В результате эксперимента получены следующие выводы:

1. колебания, возникающие в продольном потоке воды, можно считать автоколебаниями, при которых трубки колеблются с частотой, близкой к их собственной, независимой от скорости потока;
2. максимальные амплитуды вибрации трубок пучка даже с четырьмя промежуточными решетками незначительны и в средней части пролета достигают 50 мк, напряжения там же не превышают 1 кг/см³.

На стенде демпферов изучались величины перегрузок при аварийном падении кассет АЗ и К при условии работы гидравлических демпферов.
Так, при совместной работе в кассете АЗ верхнего (в механизме СУЗ) и нижнего гидравлических демпферов (в хвостовике кассеты) максимальная перегрузка составляет 2 и скорость груза в конце демпфирования не превышает 0,2 м/сек. При работе же одного верхнего демпфера перегрузка составляет 2,2, но скорость груза в конце демпфирования составляет 0,64 м/сек. В связи с этим в момент удара поршня о дно цилиндра перегрузка составляет ~9g. Для кассет К максимальная мгновенная перегрузка при гидравлическом демпфировании составляет 27±2g при радиальном зазоре демпфера 0,305 мм.

Стенд перемешивания

Для исследования процесса турбулентного перемешивания в потоке воды, омывающей трубный пучок с неодинаковым тепловыделением отдельных трубок, был сооружен так называемый стенд перемешивания. Он представлял замкнутый контур низкого давления с включенным в него опытным участком с 18-ти стержнями, 9 из которых подогревались электронагревателями. Для определения распределения температуры воды по сечению в каждом из 3-х исследуемых сечений расположено в одинаковом порядке по 6 хромель-копелевых термопар.
В результате эксперимента установлено, что выравнивание поля температур в пределах экспериментального участка практически отсутствует.

Гидравлический стенд

Для снятия гидравлических характеристик кассет был сооружен специальный стенд с циркуляционным насосом 6НМ-12, обеспечивающим расход воды 120 м3/час с температурой 20-40°С.
Испытывались 3 кассеты в диапазоне расходов от 50 до 120 м³/час, при этом у всех кассет было одинаковое сопротивление от 0,2 до 1,2                кг//м².

Стенд проверки собираемости кассет

Для экспериментальной отработки собираемости и разборки активной зоны был сооружен «19-ти кассетный стенд», запроектированный в августе 1957 года. Он имитировал штатные узлы реактора, а именно: нижнюю плиту корзины, дроссельное устройство, граненый пояс корзины, ориентирующий установку периферийных кассет, прижимы кассет, нажимную решетку и 19 кассет, из которых одна АЗ и 18 рабочих (6 из них штатных). Все перегрузочные операции производились с помощью тельфера. К концу 1958 года на нем были закончены все эксперименты, предусмотренные программой, и выпущен соответствующий отчет, в котором сделаны следующие выводы:

1. все варианты выема и установки кассет происходили удовлетворительно без заеданий, несмотря на то, что кассеты были изготовлены со значительными отклонениями от номинала, скорость подъема-опускания составляла 12 м/мин.;
2. при сборке кассет от центра к периферии с установленной центральной коронкой граненый пояс мог бы отсутствовать, но при сборке кассет от периферии к центру он необходим;
3. кассеты устанавливаются удовлетворительно при сдвиге осей до 8 мм и развороте по окружности до 5°;
4. дроссельные устройства легко устанавливаются и извлекаются из предназначенных для них гнезд;
5. при условии выполнения кассет с требованиями чертежей они будут удовлетворительно устанавливаться в реактор и выниматься из него.

Стенд горячей обкатки

Для испытания натурных кассет в условиях натурных параметров (расход, давление, температура) был сооружен в 1958-1960гг. стенд горячей обкатки.
Он представлял собой замкнутый циркуляционный контур, рассчитанный на давление 100 атм и температуру до 300°С с двумя колонками под испытуемые кассеты. Нагрев воды производился электронагревателями, циркуляция бессальниковым циркуляционным насосом ЦЭН-146 с расходом 150-200 м³/час, заменившим в 1964г. первоначально установленный насос ЦЭН-601.
Очистка и доведение воды до кондиции осуществлялась с помощью ионитовых фильтров, включаемых периодически. На стенде за время с мая 1961 г. по декабрь 1964г. было испытано 7 кассет, из них 6 рабочих кассет реактора ВВЭР-1 и 1 компенсирующая кассета реактора ВВЭР-2. Последняя испытывалась подвешенной на механизме и за время испытаний было осуществлено 1303 двойных хода (ход — 2500 мм).
По результатам испытания 3-х первых кассет для последующих были произведены изменения:

1. для уменьшения вибрации увеличено количество промежуточных дистанционирующих решеток с шести до девяти;
2. с этой же целью введена калибровка ячеек дистанционирующих решеток;
3. для уменьшения возможности износа оболочек твэл в местах касания их с планками дистанционирующих решеток увеличена ширина планок с 4-х до 8-ми мм;
4. удален концевой диффузор, как не оправдавший своего назначения;
5. улучшена технология сварки элементов кассет для исключения коррозионных явлений в швах.

Максимальное время испытаний кассеты ВВЭР-1 — 40076 часов. После проведения всех программных испытаний кассет был сделан вывод об их удовлетворительном состоянии по вибростойкости, надежности и коррозионной стойкости.