автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Экспериментальное исследование поведения твэлов ВВЭР в условиях аварии с большой течью из первого контура РУ



На правах рукописи

Игнатьев Дмитрий Николаевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ТВЭЛОВ ВВЭР В УСЛОВИЯХ АВАРИИ С БОЛЬШОЙ ТЕЧЬЮ ИЗ ПЕРВОГО КОНТУРА РУ

Специальность 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з ДЕК 2009

Подольск 2009

003487036

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии «Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение «ЛУЧ».

Научный руководитель: Член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ И.И. Федик.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

П.П. Олейников

доктор технических наук Ю.А. Безруков

Ведущая организация: ОАО «ВНИИНМ им. A.A. Бочвара».

Защита состоится «17» декабря 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 418.001.01 в ОКБ «ГИДРОПРЕСС» по адресу: 143103, г. Подольск, Московская область, ул. Орджоникидзе, д. 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

Автореферат разослан «/¿_» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время на атомных электрических станциях (АЭС) России, Украины, Армении, стран Восточной Европы и Финляндии эксплуатируются водоохлаждаемые реакторы. Среди них основными являются ВВЭР-1000 и ВВЭР-440.

В соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года» и подпрограммой «Безопасность и развитие атомной энергетики» проводимые в настоящее время исследования направлены, в первую очередь, на дальнейшее повышение эксплуатационной надежности, безопасности и экономической эффективности действующих реакторных установок.

Основные требования по обеспечению безопасности реакторной установки (РУ) состоят в том, чтобы на любом проектном этапе ее эксплуатации была возможна охлаждаемость и демонтируемосчь активной зоны. Необходимыми условиями для выполнения этих требований являются:

- ограничение на степень вздутия твэлов (пластическое деформирование и разгерметизация оболочки);

- непревышение проектного предела повреждаемости твэлов;

- отсутствие фрагментации (множественного разрушения) твэлов и плавления топлива.

Критериальные пределы повреждаемости определяются, прежде всего, механическими, теплофизическими и коррозионными свойствами материалов твэла (оболочки, топлива), а также их изменениями в условиях развития аварии.

Таким образом, одним из основных этапов обоснования безопасности энергетических реакторов ВВЭР является исследование свойств и поведения твэлов в проектных и запроектных авариях, что и обуславливает актуальность работы.

Одной из наиболее неблагоприятных по своим последствиям считается многостадийная авария с потерей теплоносителя в результате разрывов трубопроводов первого контура и, особенно, при аварии "большая течь" (БТ), вызываемой мгновенным гильотинным разрывом трубопровода максимального диаметра.

БТ характеризуется прекращением циркуляции теплоносителя и осушением активной зоны (а.з.), что, в свою очередь, ведёт к повышению температуры оболочек твэлов, их деформированию и, как следствие, разгерметизации. Вследствие этого проходное сечение тепловыделяющей сборки (ТВС) блокируется, что снижает эффективность залива сборки водой.

Запроектная авария (ЗПА) с наихудшими последствиями по достижению предельно допустимых аварийных выбросов радиоактивных веществ

в окружающую среду связана с повреждением твэлов выше максимального проектного предела, который, соответствует следующим предельным параметрам:

♦ температура оболочек твэлов достигает величины 1200° С;

♦ локальная глубина окисления (ЛГО) оболочек твэлов равна 18% от первоначальной толщины стенки;

♦ доля прореагировавшего циркония равна 1% его массы в оболочках твэлов.

Начальная стадия запроектной аварии с потерей теплоносителя характеризуется быстрым разогревом а.з. или ее части. Дальнейшая стадия развития аварии, из-за пароциркониевой реакции характеризуется неуправляемым развитием следующих процессов:

- подъемом температуры до плавления оболочек твэлов;

- большим выбросом водорода;

- физико-химическими взаимодействиями конструкционных, топливных и поглощающих элементов.

Научные исследования в данном направлении проводятся в различных странах с начала 70-х годов. В мировой практике наиболее распространенными являются испытания:

- коротких фрагментов оболочек твэлов в статических условиях;

- модельных сборок без учета деформационного поведения оболочек в процессе нагрева.

Однако методики исследований поведения оболочек в условиях аварии продолжают совершенствоваться, что объясняется как появлением новых требований к топливу, так и повышением уровня понимания проблемы. Одним из универсальных инструментов в этом направлении исследований является стендовый комплекс ПАРАМЕТР (ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ»), Основными преимуществами экспериментов, проводимых на стенде, являются:

1) Материальный и структурный состав (топливо, оболочки твэлов и дистанционирующие решетки) соответствует штатному составу активной зоны реактора ВВЭР;

2) Режимы испытаний оболочек твэлов и модельных TBC (температура и скорость ее изменения, состав среды, внутреннее давление оболочек и др.) соответствуют расчетным сценариям протекания аварий разработанным во ФГУП ОКБ «Гидропресс».

Для комплексного анализа поведения материалов оболочки и топлива в условиях аварии, обоснования максимального проектного предела повреждения твэла и разработки концепции демонтажа а.з. получаемые экспериментальные данные дополняются результатами посттестовых материало-ведческих исследований, основными из которых являются:

- исследование параметров деформации и разгерметизации имитаторов твэлов (температура, давление, деформация и координаты мест разрыва)

в условиях термомеханических напряжений при аварии с потерей теплоносителя;

определение блокировки проходного сечения и ее пространственного распределения по высоте сборки;

исследование деградации структурно-фазового состояния и механических свойств оболочек в условиях коррозии под напряжением;

анализ структуры и распределения продуктов взаимодействия конструкционных и топливных элементов после испытаний в условиях тяжелой аварии с частичным плавлением сборки.

Цель работы

Целью работы является исследование поведения имитаторов твэлов и модельных TBC в условиях аварии с большой течью из первого контура РУ для обоснования безопасности реакторов ВВЭР.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

• впервые исследовано поведение имитаторов твэлов ВВЭР с длиной нагреваемой части 600 мм в условиях первой стадии ПА БТ (ДТ/t ~ 80... 100 °С/с, Тмах ~ 950°С, ДР ~ 1 ...3 МПа). Определенны параметры деформации и разгерметизации оболочек твэлов;

• основными процессами, влияющими на изменение структуры и свойств оболочек твэлов в процессе первой стадии ПА БТ, являются закалка, приводящая к увеличению размера зерна до 30...50 мкм, образованию мар-тенситной структуры и росту условного предела текучести на 30...40%, и деформация, увеличивающая поверхность окисления оболочек;

• установлено, что предварительная закалка оболочек твэлов по режиму первой стадии (Тмах ~ 900°С в течение 5 сек, скорость охлаждения ~ 100°С/сек) приводит к уменьшению их деформации в условиях второй стадии ПА БТ;

• установлены основные закономерности изменения структурно-фазовых характеристик и механических свойств оболочек твэлов после испытаний в условиях второй стадии ПА и ЗПА БТ (Тмах ~ 900...1400°С), заключающиеся в монотонном нарастании толщин оксидного и подоксидного слоев, увеличении среднего размера зерна и содержания гидридной фазы и немонотонном изменении механических характеристик;

• на основе результатов механических испытаний и структурных исследований деформированных и разгерметизированных твэлов выявлено, что наиболее поврежденной частью оболочки, отвечающей за остаточный ресурс твэла является зона разгерметизации;

• впервые исследовано поведение модельной TBC ВВЭР в условиях ЗПА БТ (Тмах ~ 2000°С) с заливом сверху. Установлены основные процессы и масштабы деградации сборки (плавление конструкционных элементов,

растворение топлива стекающим расплавом, скопление застывших масс и образование блокады).

Практическая ценность работы

Полученные в данной работе результаты исследований деформационного и коррозионного поведения оболочечных сплавов циркония, а также продуктов взаимодействия конструкционных и топливных элементов в условиях ПА и ЗПА БТ использованы для:

- пополнения банка данных по свойствам конструкционных материалов ак-

тивной зоны реактора ВВЭР;

- развития физических моделей деформационного и коррозионного поведе-

ния оболочечных сплавов циркония;

- верификации кодов КОРСАР, РАПТА-5, РАТЕГ-СВЕЧА, СОКРАТ по ана-

лизу безопасности АЭС с ВВЭР, а также расчетных методик по моделированию поведения твэлов и тепловыделяющих сборок в условиях ПА и ЗПА БТ.

Данная работа внесла существенный вклад в развитие методической, экспериментальной и исследовательской базы стендового комплекса ПАРАМЕТР.

Личный вклад автора

- исследованы параметры деформации и разгерметизации имитаторов твэлов после испытаний в условиях 1 и 2 стадий ПА БТ;

- исследовано распределение блокировки проходного сечения по высоте модельных TBC для обоснования охлаждаемости TBC типа ВВЭР в условиях ПА и ЗПА БТ;

- исследования и анализ структурно-фазового состояния и механических свойств оболочек твэлов для обоснования критерия охрупчивания и разработки концепции демонтажа а.з.;

- исследованы структуры и состав продуктов взаимодействия конструкционных и топливных элементов модельной TBC после испытаний в условиях ЗПА БТ с заливом сверху.

Положения, выносимые на защиту

I. Результаты исследований влияния первой стадии аварии на деформационное поведение оболочек твэлов, их структурно-фазовое состояние и механические свойства. Экспериментально изучено поведение имитаторов твэлов с оболочками из сплавов Э110 и Э635 в имитационных условиях первой стадии аварии БТ; определены параметры деформации и разгерметизации оболочек, закономерности их структурно-фазового изменения в зависимости от деформации и температуры.

2. Результаты исследований влияния структурно-фазовых изменений материала оболочек твэлов после первой стадии на их деформационное поведение во второй стадии ПА БТ. Установлено снижение степени деформации оболочек, закаленных по режиму первой стадии аварии.

3. Результаты исследований структурно-фазового состояния и механических

свойств оболочек твэлов после их испытаний в составе модельных TBC в условиях второй стадии аварии ПА и ЗПА БТ. Полученные результаты свидетельствуют о нарастании оксидного и подоксидного слоев, увеличении содержания кислорода, гидридной фазы, уровня микротвердости, размера зерна в сечении оболочки и немонотонном изменении механических свойств оболочек с ростом величины ЛГО.

4. Результаты исследований влияния деформации и разгерметизации оболо-

чек твэлов на их коррозионное поведение. Установлено увеличение поверхности окисления деформированных оболочек твэлов за счет образования продольных разрывов в оксидной пленке; представленные результаты исследований свидетельствуют о том, что деформация и разгерметизация оболочек твэлов приводит к образованию наиболее уязвимых зон, отвечающих за остаточный ресурс твэлов.

5. Результаты исследований влияния залива водой сверху на состояние модельной TBC ВВЭР-1000, перегретой свыше 2000°С. Экспериментально изучены процессы охлаждения модельной сборки и генерации водорода при заливе сверху. Посттестовые исследования свидетельствуют о существенном оплавлении сборки, растворении топлива и образовании блокировки проходного сечения расплавом.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались: на международных конференциях по повторному заливу QUENCH Workshop (Карлсруе, Германия 2005 и 2006 гг.; на международной конференции по вопросам поведения топлива энергетических реакторов «TopFuel 2006 International Meeteng on LVR Fuel Performance» Испания 2006 г. на 7-ой и 8-ой Российских конференциях по реакторному материаловедению (ГНЦ РФ НИИАР, Димитровград) 2003 и 2007 гг.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы.

Содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, излагается цель и краткое содержание диссертационной работы.

В Главе 1 приводится обзор результатов экспериментальных исследований поведения оболочек твэлов в условиях аварии БТ и рассмотрены основные этапы развития аварии.

Из расчётного анализа ПА БТ ВВЭР-1000 по коду ТЕЧЬ-М следует, что при всех возможных сценариях аварии протекание процессов в а.з. можно разделить на три основные стадии.

Первая стадия начинается с гильотинного разрыва холодной петли ГЦТ. В начальные 8... 10 с в первом контуре быстро падает давление, теплоноситель закипает, в а.з. снижается уровень теплоносителя, что приводит к ухудшению теплоотвода с поверхности твэлов. Оболочки твэлов интенсивно разогреваются за счёт аккумулированного в топливе тепла. После срабатывания системы аварийного охлаждения зоны (САОЗ) приблизительно на 8 с холодная вода, поступающая в а.з. из гидроемкостей, охлаждает оболочки твэлов до температуры 500.. ,800°С.

Вторая стадия - стадия повторного залива а.з. насосами низкого и высокого давления, имеет более стабильный перепад давления на оболочках твэлов и более умеренные скорости изменения температуры оболочек, вследствие чего является намного протяженнее первой, а уровень температур для оболочек представляет значительно большую опасность с точки зрения локального раздутия.

Третья стадия ПА БТ является этапом длительного расхолаживания и не представляет интереса с точки зрения повреждения твэлов.

Температурный сценарий поведения а.з. в ПА и ЗПА БТ можно свести к схематичным диаграммам, показанным на рисунке 1.

а б

Рис. 1. Схематичное представление изменения температуры оболочки твэла для построения сценария аварии БТ в проектной (а) и запроектной (б) авариях.

Многообразие значений температур оболочек твэлов и скоростей их изменений в ПА БТ определяется как допущениями кода ТЕЧЬ-М-97, так и неоднородностями по энерговыделениям в а.з.. Ориентировочные диапазоны изменения температур в ПА БТ имеют значения (рис. la): T,=500...1000°C; Т2=350...850°С; Т3=350...1150°С. Скорости подъёма температуры на 1 стадии составляют от 40 до 120 С/с, а снижения - не выше 60 С /с. Скорость подъема температуры от Т2 до Т3 не превышает 5°С /с. Пик температуры Ti достигается за Т[ = 8... 12 с. Продолжительность 1 стадии-доТ2 =30 с.

Запроектная авария - это авария, вызванная не учитываемыми для проектных аварий исходными событиями или сопровождающаяся дополнительными по сравнению с проектными отказами систем безопасности сверх единичного отказа, реализацией ошибочных решений персонала. В соответствии с нормативными документами [1] уменьшение её последствий должно достигаться за счет действий, направленных как на предотвращение развития проектной аварии в запроектную, так и на ослабление последствий запроектной аварии. Согласно существующим положениям по ограничению развития запроектной аварии активная зона охлаждается посредством залива резервного запаса воды сверху и снизу. В ЗПА заметный подъём температуры оболочки твэла (рис. 1 б) начинается с ii=500c и скорость роста температуры может превысить 3°С/с. После приблизительно т2=750с скорость роста температуры оболочки твэла резко возрастает и через несколько секунд может наступить плавление циркониевого сплава оболочки и топлива с потерей геометрии твэла.

В литературном обзоре приведены наиболее важные результаты испытаний оболочек твэлов как в виде фрагментов и образцов, так и в составе сборок в стендовых и реакторных условиях ПА и ЗПА БТ. Анализ литературных данных позволяет сделать следующие выводы о необходимости проведения дальнейших исследований поведения твэлов по следующим направлениям:

1. Необходимо проведение экспериментальных исследований поведения твэлов в условиях первой стадии ПА БТ с наиболее близким моделированием таких параметров как скорость подъема температуры оболочки, ее максимальное значение и скорость охлаждения, а также темп сброса внешнего давления. Исследования структурно-фазового состояния оболочек после испытаний в условиях первой стадии аварии необходимы для последующего прогнозирования поведения твэлов в условиях второй стадии аварии.

2. В настоящее время для верификации расчетных моделей, критерия охрупчивания твэлов и разработки концепции демонтажа а.з. важнейшее значение имеют интегральные эксперименты (т.е. изучение поведения оболочек и других конструкционных элементов в составе модельных TBC). Это делает актуальным проведение комплексных посттестовых исследований твэлов и

модельных TBC, результаты которых позволят более достоверно проанализировать закономерности деградации структурно-фазового состояния оболочек в зависимости от условий протекания аварии и разработать более совершенные критерии охрупчивания циркониевых сплавов.

3. В случае ЗПА параметры РУ могут превысить значения, на которые рассчитаны системы безопасности, при этом возможно тяжелое повреждение топливных элементов и расплавление активной зоны. Для ослабления последствий ЗПА должны предприниматься специальные действия (управление аварией). Одним из таких действий является залив перегретой активной зоны сверху. Необходимо отметить, что вопрос о поведении конструкционных элементов активной зоны реактора в условиях запроектной и тяжелой аварии при заливе сверху до настоящего времени остается экспериментально неизученным.

Глава 2 настоящей работы посвящена экспериментальному изучению поведения оболочки твэла в условиях, характерных для режима первой стадии ПА БТ. Эта стадия аварии, характеризующаяся резким изменением параметров теплоносителя и твэлов (15-20с), является наименее изученным начальным процессом развития аварии. Причиной этого является сложность моделирования процесса изменения температурно-силовых параметров активной зоны, обусловленная как необходимостью синхронизации параметров испытаний: скорость изменения и уровень температуры оболочки твэла, изменение внешнего давления, так и с реализацией высокой ~ 100 кВт/м импульсной нагрузки нагревателя имитатора твэла.

i

1 - нестандартные таблетки 1ГО2;

2 - вольфрамовый нагреватель диаметром 4 мм и длиной 600 мм;

3 - молибденовые токоподводы диаметром 6 мм;

4 - латунные токоподводы диаметром 6 мм;

5 - медный переходник между молибденовым и латунным токоподводами;

6 - дистанционирующе электроизоляторы;

7 - гермо-электропереходники;

8 - компенсирующий гибкий медный токоподвод;

9 - коммуникационная трубка датчика давления диаметром 3x1 мм;

10 - оболочка твэла диаметром 9,13x7,72 мм

Рис. 2. Общий вид имитатора твэла.

Испытания проводились на имитаторах твэлов (рис.2) с оболочками из сплавов Э110 и Э635, с длиной нагреваемой части 600 мм. Нагрев в процессе эксперимента осуществлялся за счет вольфрамового нагревателя (0 4 мм), расположенного в центре твэла, и дистанционированного от оболочки таблетками 1ГО2.

В процессе эксперимента оболочка имитатора твэла нагревалась до температуры ~ 850...950°С со скоростью 80...90 °С/с в протоке аргона, при этом давление под оболочкой твэла росло, а внешнее специальным образом снижалось, имитируя при этом сброс давления в активной зоне реактора за счет потери теплоносителя. При достижении максимальной температуры имитатор выдерживался 2... 10 сек при перепаде давления на оболочке ~ 1.0...3.5 МПа. Охлаждение осуществлялось со скоростью ~100°С/с интенсивным продувом аргона. Проведена серия из 20 экспериментов, в которых реализованы различные сочетания основных воздействующих факторов (скорость нагрева и сброса внешнего давления, время выдержки на максимальной температуре).

Анализ результатов испытаний показал, что характер деформации оболочек твэлов в представленной серии значительно различается в зависимости от изменения параметров в ходе экспериментов. На деформационное поведение оболочки оказывают влияние следующие факторы:

1) скорость роста температуры и ее максимальное значение;

2) скорость спада давления в рабочем участке и его минимальное значение;

3) величина давления под оболочкой твэла;

4) время нахождения герметичной оболочки при максимальной температуре.

Деформационное поведение оболочек зависит от значения температуры, при котором произойдет выравнивание внешнего и внутреннего давления, т.е. перепад давления на оболочке (АР) станет равным нулю.

Экспериментально показано, что если при температурах ~840...870°С оболочка твэла в процессе нагрева находится под избыточным давлением, то деформация происходит в местах локального перегрева. Это практически исключает возможность ее деформирования в других местах, поскольку при увеличении диаметра напряжения возрастают.

Если перепад давления становится равным нулю при высоких температурах, то оболочка более равномерно прогрета по высоте. Это связано как с большим временем нагрева оболочки, так и с возможным обжатием оболочки до полного соприкосновения ее с топливом. Равномерный прогрев приведет как к увеличению длины зоны вздутия, так и к накоплению большей деформации.

Таким образом, необходимыми условиями накопления окружной деформации оболочек на протяженном участке по высоте (т.е. помимо зоны разгерметизации) являются:

- температура оболочки в момент перемены знака перепада давления должна превышать ~ 850°С;

- время нахождения оболочки при температуре > 850°С должно превышать 3 сек.

Материаловедческие исследования проводили на наиболее представительных оболочках имитаторов, после испытаний. Установлено, что основными факторами, влияющими на состояние оболочек твэлов после первой стадии аварии, являются закалка и деформация.

С ростом максимальной температуры закалки происходят изменения структуры и механических свойств:

- увеличивается размер зерна и микротвердость по сравнению с исходным состоянием;

- образуется мартенситная структура (а'-фаза);

- условный предел текучести увеличивается, а пластичность уменьшается.

Полученные результаты свидетельствуют об упрочнении материала при повышении температуры закалки от 700°С до 900°С в двухфазной области диаграммы состояния материала (а + Р). Повышение температуры закалки в Р - области (Т > 900°С) влияет только на увеличение размера зерна.

Другим фактором, влияющим на состояние оболочек твэлов после первой стадии аварии, является пластическая деформация, которая помимо утонения стенки и разгерметизации вносит дополнительные изменения в структуру:

- вытянутость зерен в зонах значительных окружных деформаций;

- растрескивание тонкой оксидной пленки на наружной поверхности оболочки (образовавшейся за время ее эксплуатации) и появление деформационного микрорельефа. Заметного влияния деформации на дополнительное упрочнение оболочек не обнаружено, возможно, из-за наличия продольной и азимутальной неоднородностей изменения их геометрических размеров.

Влияние изменения структуры и механических свойств оболочек твэлов после первой стадии на их поведение во второй стадии аварии отразится следующим образом:

- в зависимости от степени окружной деформации и разгерметизации изменится блокировка проходного сечения сборки и увеличится поверхность окисления оболочек.

- в зависимости от степени закалки произойдет увеличение времени до разгерметизации оболочки и уменьшение величины деформации за счет упрочнения и уменьшения пластичности материала.

Глава 3 настоящей работы посвящена экспериментальному изучению процессов деградации модельных TBC ВВЭР в условиях, характерных для режима второй стадии ПА БТ.

Методики исследований поведения оболочечных сплавов циркония в условиях аварии с потерей теплоносителя продолжают совершенствоваться, что обусловлено, прежде всего, повышением требований к топливу. В настоящее время во ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» успешно функционирует созданный при участии автора специализированный стендовый комплекс ПАРАМЕТР, позволяющий исследовать поведение имитаторов твэлов и модельных TBC типа ВВЭР в условиях проектной и запроектной аварии с потерей теплоносителя.

В рамках комплексной программы экспериментальных исследований поведения твэлов энергетических реакторов в условиях, моделирующих аварии с потерей теплоносителя, на электрообогреваемом стенде ПАРАМЕТР в период 2002-2005 гг. была проведена серия из 8 экспериментов по моделированию второй стадии ПА БТ в которых реализованы различные сочетания основных воздействующих факторов аварии.

Для изготовления экспериментальных сборок использовались штатные материалы. В состав сборок входили нагревательные и пассивные твэлы (рис. 3).

jCfflä \ .

нагреваемый твэл

пассивный твэл

модельная TBC

Рис. 3. Общий вид имитаторов твэлов и модельной TBC.

Геометрия и материальный состав твэлов соответствовали штатным за исключением диаметра отверстия в топливных таблетках нагревательных твэлов (отверстие увеличено в связи с необходимостью использования вольфрамового (или танталового) нагревательного стержня 04мм) и длины нагреваемой части твэла, которая составляет 1275 мм. Количество твэлов в сборке составляло 19 или 37.

В процессе экспериментов модельные TBC нагревалась до температуры ~ 900,.,1400°С со скоростью 0.5...3.0 °С/с в условиях постоянного потока пара с расходом 0.2 г/с на твэл, при этом давление под оболочками твэлов (начальное давление ~ 2...3 ± 0.25 МПа) незначительно росло. Затем сборки выдерживались при максимальной температуре 10... 100 сек. Охлаждение осуществлялось со скоростью 60...80 °С/с заливом сборки водой снизу или сверху. Основные характеристики сборок и параметры испытаний представлены в табл.1.

Анализ результатов испытаний показал, что характер деформации оболочек твэлов в составе одной сборки весьма подобен и расположен примерно на одном уровне по высоте. Однако в представленной серии экспериментов степень деформации оболочек и распределение деформации по высоте твэлов значительно различаются, что обусловлено различием изначально заданных параметров экспериментов. На деформационное поведение оболочки в процессе эксперимента оказывают влияние следующие факторы:

1) скорость роста температуры (чем ниже скорость роста температуры, тем больше окружная деформация твэлов);

2) величина давления под оболочкой твэла;

3) время нахождения герметичной оболочки при максимальной температуре.

Одним из основных требований, предъявляемых к твэлу в процессе аварии с потерей теплоносителя, является сохранение возможности его охлаждения с измененной геометрией оболочки. Теоретически возможна ситуация, когда деформация оболочек будет настолько велика, что односторонний залив сборки будет неэффективен. Это приведет к образованию мест локального перегрева, и, как следствие, к возникновению самоподдерживающейся пароциркониевой реакции.

Экспериментально установлено, что такой ситуации будут способствовать следующие значения параметров:

- величина внутреннего давления ~ 1.0...2.0 МПа, вследствие чего будет сохранена герметичность оболочек в течение длительного времени и, как следствие, накоплена большая деформация;

- длительная выдержка температуры на уровне 850...900°С, которая будет поддерживать состояние сверхпластичности материала оболочек и, соответственно, способствовать накоплению большей деформации.

Таблица 1

Основные результаты испытаний модельных TBC ВВЭР на стенде

ПАРАМЕТР в условиях аварии с потерей теплоносителя_

Основные параметры экспериментов Эксперименты

Капп I 2 3 4 5 6 7 8

Количество твэлов в TBC, шт 37 37 37 19 37 19 19 19

Материал оболочки твэла ЭПО Э635 Э635 ЭПО Э110 ЭПО ЭПО ЭПО

Исх. давление гелия, МПа 0.5-0.7 3,0+ 0,25 2.0± 0.25 2.0± 0.25 2.0± 0.25 0.1-0.2 2.0± 0.25 0.5-0.7

Расход пара через TBC, г/с 8 6 8 6 8 6 6 8

Темп нагрева оболочки, "С/с 2.5-3.5 2.0-4.0 2.0-4.0 0.5-1.0 3.0-4.0 0.5-1.0 0.5-1.0 2.5-3.5

Максимальная температура оболочки, "С 900 1100 1100 1290 950 1400 1400 870

Температура разг, °С 900920 870920 870920 850870 870900 - 870900 -

Время до разгерм., с 185250 45-110 160200 9001200 80-120 - 210230 -

AD/D,% (средняя/максим.) 50/80 40/57 50/66 25/35 20/27 - 20/30 10-15

Зона макс, деформ., мм 9501220 6001000 8501200 9001100 10501200 - 9501100 9501100

БПС, % 50/80 35/50 - - 12/16 - 20/25 5

В условиях динамических параметров нагружения время нахождения оболочки в температурной зоне проявления сверхпластичности циркониевых материалов ограничено скоростью нагрева и моментом разгерметизации, т.е. при высокой скорости нагрева наиболее вероятна разгерметизация оболочки без значительного накопления деформации.

При этом необходимо учитывать, что на деформационное поведение оболочек твэлов во второй стадии могут оказать существенное влияние структурно-фазовые изменения, произошедшие в материале в процессе первой стадии аварии. Для решения этого вопроса были проведены испытания 19-ти твэльной сборки с оболочками твэлов из сплава Э110, причем в центральной части сборки три оболочки были специально закалены (путем пря-

мого пропускания тока в интервале высот 900... 1250 мм) по режиму первой стадии аварии.

Анализ результатов испытаний показал, что для оболочек, прошедших предварительную закалку в интервале высот ~ 950 - 1150 мм окружная деформация существенно ниже, чем для незакаленных оболочек твэлов, а также чем для верхних и нижних уровней (рис. 4).

Координата по высоте, мм Рис. 4. Окружная деформация оболочек из сплава Э110 центральной части сборки.

Для анализа процессов деформирования оболочек, происходящих в TBC в условиях нестационарных стендовых воздействий, а также сопутствующих им процессов коррозии и структурно-фазовых изменений в материале, в данной работе проведены их комплексные материаловедческие исследования с применением оптической и электронной микроскопии, измерения микротвердости, рентгеноструктурных исследований и механических испытаний.

Изменение структурно-фазового состояния оболочек после экспериментов заключается в нарастании оксидного и подоксцдного слоев, увеличении содержания кислорода, гидридной фазы, уровня микротвердости, среднего размера зерна в среднем сечении оболочки и определяется максимальной температурой испытаний, временем окисления, величиной окружной деформации (утонение стенки) и разгерметизацией (двухстороннее окисление). Сравнительный анализ состояния модельных TBC после экспериментов был проведен в зависимости от степени их окисления. В качестве параметра, характеризующего степень окисления, использована величина ЛГО. Величи-

о

О 5 10 15 20

ЛГО. %

Рис. 5. Изменение структурно-фазовых параметров и характера разрушения средней части сечения оболочек после испытаний в зависимости от величины ЛГО.

ну ЛГО для испытанных оболочек определяли как отношение суммарной толщины эквивалентного слоя циркония (который прореагировал бы с водяным паром в предположении, что весь местно поглощенный кислород пошел на образование стехиометрического оксида циркония 2т02) к начальной толщине оболочки. Расчет ЛГО проведен по единой методике для всех исследованных оболочек, т.е. с постоянной систематической ошибкой в оценке ее абсолютной величины. Влияние максимальной температуры эксперимента и степени окисления оболочек твэлов на их структурно- фазовое состояние показано на (рис. 5).

Характер разрушения среднего сечения "ямочное" "ямочное+квэзискол" -квазискол" "скол"

40

Установлена взаимосвязь между уровнем механических свойств оболочек твэлов и их структурно-фазовым состоянием. Прочностные характеристики оболочек с ростом ЛГО (от 3% - эксперимент №1 до 20% - эксперимент №6) изменяются немонотонно (рис. 6).

До величины ЛГО ~ 8% наблюдается упрочнение оболочки, в частности условный предел текучести в поперечном направлении увеличивается в ~ 1,6 раза. Переход от макропластичного к макрохрулкому разрушению при диаметральном сжатии происходит при значениях ЛГО (~ 8...9%). Далее наблюдается явная тенденция снижения прочности с ростом ЛГО и при величине > 20% происходит фрагментация оболочки в момент термоудара при заливе модельной TBC. Наименьшие значения механических характеристик получены для мест разгерметизации оболочки (область кратера).

Отсутствуют заметные различия в механических свойствах деформированных (разгерметизированных) и недеформированных оболочек при одинаковых значениях ЛГО. Несмотря на значительный разброс экспериментальных данных и малую статистику, этот вывод, видимо, правомочен, т.к. структурно-фазовые состояния указанных оболочек при одних и тех же значениях ЛГО близки.

Анализ результатов, полученных в данной работе, показал, что уровень прочности и пластичности определяется сопротивлением разрушению средней части сечения оболочки, которое зависит от содержания кислорода в а' - фазе, количества гидридной фазы и относительной доли слоя а' - фазы в металлической части сечения оболочки (без 2Ю2).

Прочность при диаметральном сжатии

Макропластачность

М2ж = SO-yO.SU О

2.0

! О

о

\л

Макрохрупкость

= 0,0и

о

о

" и Г '""|'11_',

О ■

Ь, %

ю

ЛГО, %

20

н- 6.

О •8-§ 2 а. ш ЛГО с

X а. *

Ш 1

к 2

Ф 4

о

Рис. 6. Изменение прочностных характеристик оболочек после испытаний в поперечном направлении зависимости от величины ЛГО.

Для анализа влияния деформации и разгерметизации на коррозионное поведение циркониевых сплавов проведены материаловедческие исследования оболочек твэлов (как деформированных так и недеформированных), испытанных в идентичных условиях.

Результаты электронномикроскопических исследований показали, что состояние поверхности оболочек твэлов определяется как максимальной температурой экспериментов (появление «нодулей», отслоение оксидной пленки), так и величиной окружной деформации (образование разрывов оксидной пленки и «оголение» свежей поверхности). Оксидная пленка на внешней поверхности деформированных оболочек имеет большое количест-

во систематически расположенных разрывов, направленных по оси оболочки (рис. 7). Ширина раскрытия разрывов увеличивается с ростом окружной деформации. В наиболее деформированной зоне оболочек твэлов помимо систематических разрывов в оксидной пленке обнаружены разрывы, глубина которых значительно превышает суммарную толщин)' оксидного и подок-сидного слоя. Образование их, по-видимому, происходило в процессе накопления значительной окружной деформации оболочки путем растрескивания быстронаростающей оксидной пленки под напряжением.

а б

Рис. 7. Характер разрушения оксидного и подоксидного слоев оболочек твэлов после испытаний: а - недеформированная оболочка; б - деформированная оболочка.

Результаты исследования микротвердости в зонах разгерметизации указывают на значительную азимутальную неоднородность в распределении микротвердости по сечению оболочки. Эта неоднородность обусловлена как увеличением при приближении к кратеру толщин оксидных и подоксидных слоев с высоким уровнем микротвердости, так и утонением среднего слоя а'-фазы вследствие вздутия оболочки и более интенсивного двухстороннего окисления.

Следствием такой азимутальной неоднородности структурных и микропрочностных характеристик (в зоне кратера) является значительное (выше предельного уровня 18%) возрастание величины ЛГО с приближением непосредственно к месту разрыва. Это является недопустимым с точки зрения остаточной прочности нефрагментированных разгерметизированных оболочек твэлов при их перегрузке или транспортировке.

Таким образом, по результатам испытаний модельных TBC в условиях проектной аварии установлены закономерности, которые повлияют на поведение сборок в условиях запроектной и тяжелой аварии:

- при нагреве оболочек твэлов до ~1100°С их разгерметизация за счет окружной деформации неизбежна, что в свою очередь приведет к определенной блокировке проходного сечения сборки. Степень блокировки, определяемая режимом второй стадии аварии (скорость нагрева оболочек, величина внутреннего давления) и материалом оболочек твэлов, может изменяться в интервале 20...70%, что соответствующим образом скажется на динамике нагрева сборки в условиях запроектной аварии (образование перегретых зон и более раннее возникновение пароциркониевой реакции);

- величина JITO оболочек твэлов к моменту перехода аварии в за-проектную стадию определяется скоростью нагрева оболочек и степенью их деформации и составляет ~ 10...25%. Однако образование разрывов оксидной пленки вследствие окружной деформации оболочек снижает защитные свойства оксидной пленки как с точки зрения возгорания пароциркониевой реакции, так и с точки зрения удержания расплава.

Глава 4 настоящей работы посвящена экспериментальному изучению процессов плавления и разрушения модельных TBC ВВЭР в условиях, характерных для режима ЗПА БТ с заливом сборки сверху.

Данный эксперимент является первым из серии экспериментов с верхним или комбинированным (одновременно сверху и снизу) заливом, запланированных по международным проектам. Поведение перегретой до ~ 2000°С активной зоны при заливе сверху до сих пор не исследовано и не описывается не одним расчетным кодом, что и обуславливает их актуальность.

Испытанию подвергалась 19-твэльная модельная TBC с длиной нагреваемой части 1275 мм и оболочками твэлов из сплава Э110 и топливными таблетками из U02 (рис. 5).

В процессе эксперимента оболочки имитаторов твэлов нагревались до температуры ~ 1200°С со скоростью 0.3 °С/с в условиях постоянного потока пара с расходом 0.2 г/с на твэл, при этом давление под оболочками твэлов составляло -0.1 МПа. Сборка выдерживалась при данной температуре в течении 3400 сек. с целью достижения определенной степени окисления. Следующая фаза эксперимента заключалась в быстром нагреве сборки со скоростью ~ Ю...50°С/сек (за счет вложения электрической мощности и экзотермической пароциркониевой реакции) и заключительной фазой эксперимента являлся залив сборки водой сверху с расходом 41 г/сек.

В результате эксперимента установлено, что максимальная (контролируемая) температура, достигнутая в процессе испытания, составляет ~2000°С; в процессе эксперимента выделился 91 г водорода.

Материаловедческие исследования сборки, испытанной в режиме тяжелой аварии, проводили после ее консервации (заливке эпоксидной смолой), разделки сборки на поперечные сечения, их шлифовки и полировки.

Исследования набора специально выбранных сечений позволили достаточно объективно представить состояние модельной TBC после испытаний.

По степени и характеру повреждения нагреваемая часть сборки была условно разделена на 5 зон (рис. 8).

Твзл

Теплоизоляция U02 таблетка . Обечайка

Та нагреватель

Рабочим участок

Теплоизоляция UO, таблетка

Твзл , Обечайка

Дмстанцнонирующая решетка

ТВ1Л0В

г = 1263 mm

Существенное растворение топлива расплавом

fU, Zr. О) расплав (кераикческая к металлическая фазы)

(U, Zr, О) расплав металлическая матрица с керамическими включениями

Z * 699 mm

^отекание ручьев расплава

Z = 536 mm

Зона №5

Зона N44

Зона №3

Зона №2

Зона №1

Рис. 8. Структурная схема сборки после испытаний.

В первой зоне (2 ~ 0...540 мм) сборка существенных повреждений не имеет. Толщина оксида на поверхности циркониевых элементов не превышает 10 мкм.

Во второй зоне сборки (X ~ 540...700 мм) присутствуют застывшие капли и ручьи расплава (\],7.г,0), переместившегося из верхней части сборки. Начиная с уровня 650 мм и выше, обнаружены зоны взаимодействия топлива с оболочкой. Поступающий из верхних уровней сборки горячий расплав при-

водил к локальному повышению температуры и, как следствие, к интенсификации протекающих процессов взаимодействия оболочки с топливом и окисления. На более высоких уровнях этой зоны происходило частичное плавление металлического циркония, растворение топлива образовавшейся жидкой смесью, растворение оболочки как с внешней стороны, так и изнутри. Толщина оксида на поверхности оболочек в этой зоне возрастает от 10 до 170 мкм с увеличением координаты по высоте. Обечайка окислена с двух сторон. Толщина оксида с увеличением координаты по высоте растет в пределах 10...80 мкм и 10...200 мкм на внутренней и внешней поверхностях, соответственно. На поверхности расплава присутствует оксидный слой, толщина которого не превышает -300 мкм. Структура расплава неоднородна по сечению. Основная часть его (60-85%)- металлическая фаза а - Zr(O). В состав также входят керамические фазы (U,Zr)02, (Zr,U)02 и Zr6Fe30 в виде преципитат.

В третьей зоне (Z ~ 700...800 мм) расплавленные и стекшие массы образовали практически полную блокировку проходного сечения TBC. Особенностью зоны плотной блокировки является то, что она по высоте состоит из двух частей (на уровнях Z = 724 мм и Z = 793 мм), между которыми (Z = 745 мм) расплав в межтвэльном пространстве практически полностью отсутствует, а топливные таблетки существенно растворены. Нижняя часть зоны блокировки - металлический расплав с керамическими преципитатами (до ~ 20-40%); толщина оксида на поверхности расплава не превышает ~ 400 мкм. Верхняя часть блокировки, центральная зона - металлическая (содержание преципитат 30-60%, толщина оксида на поверхности — до 800 мкм), периферийная зона - керамическая (Zr,U)02.

Четвертая зона (Z ~ 800 - 1070 мм) характеризуется разрушением циркониевых конструкционных элементов и значительным растворением топливных таблеток, однако значительных масс расплава не обнаружено. На поверхности оболочек присутствуют следы керамического расплава смешанного состава (Zr,U)02.

В пятой зоне (Z ~ 1050 - 1250 мм) обнаружены остатки оксидных частей оболочек твэлов и металлического и керамического расплава, а также остатки обечайки. Толщина оксида оболочек на уровне ~ 1250 мм составляет ~ 200 мкм. Обечайка окислена с обеих сторон, толщина оксида на внешней и внутренней поверхностях ~ 150 мкм. Фактов, подтверждающих плавление металлического циркония на этом уровне, не обнаружено.

Обнаружено существенное растворение топливных таблеток. Для количественной оценки растворения топлива в каждом сечении была измерена площадь поперечного сечения каждой таблетки и по полученным результатам построен график зависимости степени растворения топлива по высоте TBC (9 а).

Профиль затвердевшего расплава в сборке представлен на рис. 9 б.

Для расчета блокировки проходного сечения сборки в каждом поперечном сечении рассчитывали площадь всего присутствующего материала за исключением обечайки и остатков теплоизоляции. По полученным результатам рассчитывали изменение проходного сечения в сборке и БПС. Необходимо отметить, что блокировку рассчитывали по отношению к исходному проходному сечению. В связи с этим в сечении Ъ = 793 мм БПС достигает 100% (рис. 9 в).

а б в

Рис. 9. а - перераспределение топлива; б - распределение расплава; в - распределение блокировки проходного сечения модельной TBC после испытаний в режиме тяжелой аварии с заливом сверху

Таким образом, в условиях данного эксперимента залив сверху перегретой модельной сборки ВВЭР 1000 с оболочками твэлов из сплава Э110 и топливными таблетками 1Ю2 привел к образованию большого количества расплава (II, Zr,0), стеканию расплава, растворению топлива и блокировке проходного сечения расплавом. Нижняя часть блокировки представляет собой расплав с металлической матрицей и керамическими преципитатами, тогда как верхняя часть ее имеет керамическую композицию (\1£г)02.

Такое расслоение расплава, по-видимому, связано с динамикой деградации модельной ТВС, вызванной заливом сверху. В процессе низкоскоростного залива сборки сверху образовывалось большое количество пара, который привел к ускорению окисления оболочек твэлов, образованию и стеканию расплава.

выводы

1. В результате проведенных интегральных экспериментов исследовано поведение твэлов ВВЭР в условиях аварии с большой течыо из первого контура РУ. Полученная экспериментальная база данных по деформационному поведению, структуре и свойствам оболочек твэлов, а также продуктов взаимодействия конструкционных и топливных элементов позволяет провести адаптацию расчетных кодов применительно к поведению TBC ВВЭР в условиях ПА и ЗПА БТ.

2. Впервые проведены однотвэльные экспериментальные исследования имитаторов твэлов в условиях первой стадии ПА БТ (максимальная температура оболочки твэла ~ 880...950 °С, перепад давления на оболочке ~ 1 ...3 МПа, скорость охлаждения ~ 150°С/сек). Определенны параметры деформации и разгерметизация оболочек твэлов, а также закономерности изменения их структуры и свойств.

3. Установлено влияние первой стадии аварии на деформационное поведение и окисление имитаторов твэлов в условиях второй стадии ПА БТ. Оно заключается в уменьшении деформации оболочек твэлов за счет упрочнения материала (закалка) и снижения скорости ползучести (увеличение размера зерна) и увеличении степени окисления.

4. В результате посттестовых материаловедческих исследований имитаторов твэлов, испытанных в составе 19 и 37-твэльных модельных TBC в условиях ПА и ЗПА БТ (Тмах от 900 до 1400°С) установлены закономерности изменения структурных параметров оболочек (толщин оксидного и по-доксидного слоев, содержания кислорода, гидридной фазы и среднего размера зерна) и их прочностных характеристик, необходимых для разработки концепции демонтажа а.з.

5. Впервые исследовано поведение модельной TBC ВВЭР в условиях ЗПА БТ (Тмах ~ 2000°С) с заливом сверху. Установлены основные процессы и масштабы деградации сборки (плавление конструкционных элементов, растворение топлива стекающим расплавом, скопление застывших масс и образование блокады).

Публикации по теме диссертации

1. Д.Н. Игнатьев. Исследование деформации, структурного состояния и остаточного ресурса механических свойств оболочек имитаторов твэлов ВВЭР после испытаний на стенде ПАРАМЕТР - М. Сборник докладов седьмой Российской конференции по реакторному материаловедению. Димитровград, 8-12 сентября 2003. http://www.niiar.ru/rus/doc/nn_7/26.doc

2. М.Ю. Гуков, Д.Н. Игнатьев. Исследование поведения циркониевых сплавов в условиях начальной стадии запроектной аварии РУ с ВВЭР. Сборник докладов НТК «Материаловедение и технология циркония и его сплавов для обеспечения эффективного топливоис-пользования» г. Глазов, 2004 г.

3. М.Ю. Гуков, Д.Н Игнатьев, В.П. Семишкин, В.В. Новиков и др. Исследование структурно-фазового состояния и механических свойств оболочек твэлов из сплава Zrl%Nb после испытаний на стенде ПАРАМЕТР в имитационных условиях LOCA при температурах до 1400°С. Сборник докладов 11-ого Международного симпозиума QUENCH, 25 - 27 октября 2005, г. Карлсруе, Германия.

4. В.П. Денискин, C.B. Европин, Д.Н Игнатьев и др. Предварительные исследования поведения поглощающего элемента с Dy203 Ti02 после имитационных испытаний в условиях тяжелой аварии. Сборник докладов 11-ого Международного симпозиума QUENCH, 25 - 27 октября 2005 г., Карлсруе, Германия.

5. Д.Н. Игнатьев. Пост-тестовые исследования модельной TBC PARAMETER- SF1. Сборник докладов 12-ого Международного симпозиума QUENCH, 25 - 27 октября 2006 г., Карлсруе, Германия.

6. В.В. Новиков, Ю.В. Пименов, Д.Н. Игнатьев и др. Обоснование безопасности твэлов ВВЭР в проектных авариях. Экспериментальная поддержка. Сборник докладов Международной конференции по вопросам поведения топлива энергетичесих реакторов «TopFuel 2006 International Meeteng on LVR Fuel Performance», Испания 21-28 октября 2006 г.

7. В.П. Денискин, Д.Н. Игнатьев, B.C. Константинов, В.И. Наливаев, Д.М. Солдаткин, И.И. Федик. Влияние деформации и разгерметизации на охрупчивание оболочек твэлов ВВЭР в условиях LOCA. Атомная энергия, 2008 г., т. 104, вып. 5, стр. 273.

8. Д.Н. Игнатьев. Поведение модельной TBC ВВЭР в условиях запроектной аварии с заливом сверху. Атомная энергия, 2008 г., т. 104, вып. 5, стр. 276.

Зак. № 372. Тир. 50 экз. 1.5 У.П.Л. Тип. ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» г. Подольск М.О., 2009 г.

Введение

Глава-1. Основные физические процессы, происходящие с оболочками 10 твэлов при аварии с потерей теплоносителя РУ с ВВЭР

1.1. Общие сведения о процессах при аварии с потерей 10 теплоносителя

1.2. Основные характеристики оболочечных сплавов циркония

1.3. Деформационное поведение оболочек твэлов в условиях 20 аварии с потерей теплоносителя

1.4. Термостойкость оболочечных сплавов циркония

1.5. Влияние окисления и наводороживания на охрупчивание 28 оболочек

1.6. Поведение модельных ТВС в. условиях запроектной и 28 тяжелойаварии

1.7. Постановка задачи-

Глава 2. Экспериментальные исследования поведения одиночных 35 имитаторов твэлов в*условиях первой стадии проектной аварии БТ

2.1. Методика и результаты испытаний одиночных имитаторов 35 твэлов в условиях первой стадии проектной аварии БТ

2.2. Деформация и разгерметизация оболочек твэлов в условиях 42 первой стадии проектной аварии БТ

2.3. Влияние закалки и температурно-силового воздействия 50 первой стадии аварии на структурно-фазовое состояние оболочек твэлов

2.4. Влияние температурно-силового режима первой стадии 71 аварии на поведение оболочек твэлов во второй стадии аварии.

Глава 3; Экспериментальные исследования поведения модельных ТВС в 74 условиях второй стадии проектной аварии БТ

3.1. Методика и результаты испытаний модельных ТВС в условиях 74 второй стадии проектной аварии БТ

3.2. Деформация оболочек твэлов и блокировка проходного сече- 77 ния модельных ТВС

3.3. Влияние высокотемпературного окисления на структурнофазовое состояние оболочек

3.4. Взаимосвязь структурно-фазового состояния и механических 111 свойств оболочек

3.5. Влияние деформации и разгерметизации на коррозионное 114 поведение оболочек

Глава 4. Экспериментальные исследования поведения модельной ТВС в 119 условиях тяжелой аварии

4.1. Методика и результаты испытаний

4.2. Анализ степени окисления и структурно-фазового состояния 123 компонент сборки

4.3. Определение степени растворения топлива по высоте сборки, 134 распределения расплава и блокировки проходного сечения

Выводы

В настоящее время на АЭС России, Украины, Армении, стран Восточной Европы и Финляндии эксплуатируются водоохлаждаемые реакторы. Среди них основными являются ВВЭР-1000 и ВВЭР-440.

В соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года» и подпрограммой «Безопасность и развитие атомной энергетики» проводимые в настоящее время исследования направлены, в первую очередь, на дальнейшее повышение эксплуатационной надежности, безопасности и экономической эффективности действующих реакторных установок.

Основные требования по обеспечению безопасности реакторной установки (РУ) состоят в том, чтобы на любом проектном этапе ее эксплуатации была возможна охла-ждаемость и демонтируемость активной зоны. Необходимыми условиями для выполнения этих требований являются:

- ограничение на степень вздутия оболочки (пластическое деформирование и разгерметизация);

- непревышение проектного предела повреждаемости твэлов;

- отсутствие фрагментации (множественного разрушения) твэлов и плавления топлива.

Критериальные пределы повреждаемости определяются, прежде всего, механическими, теплофизическими и коррозионными свойствами материалов твэла (оболочки, топлива), а также их изменениями в условиях развития аварии.

Таким образом, одним из основных этапов обоснования безопасности энергетических реакторов является исследование свойств и поведения оболочечных сплавов циркония в проектных и запроектных авариях, что и обуславливает актуальность работы.

Одной из наиболее неблагоприятных по своим последствиям считается многостадийная авария с потерей теплоносителя в результате разрывов трубопроводов первого контура и, особенно, при аварии "большая течь" (БТ), вызываемой мгновенным гильотинным разрывом трубопровода максимального диаметра.

БТ характеризуется прекращением циркуляции теплоносителя и осушением активной зоны (а.з.), что, в свою очередь, ведёт к повышению температуры оболочек твэлов, их деформированию и, как следствие, разгерметизации. Вследствие этого проходное сечение тепловыделяющей сборки (ТВС) блокируется, что снижает эффективность залива сборки водой.

Запроектная авария с наихудшими последствиями по достижению предельно допустимых аварийных выбросов радиоактивных веществ в окружающую среду связана с повреждением твэлов выше максимального проектного предела, который, соответствует следующим предельным параметрам: температура оболочек твэлов достигает величины 1200° С; локальная глубина окисления (ЛГО) оболочек твэлов равна 18% от первоначальной толщины стенки; доля прореагировавшего циркония равна 1% его массы в оболочках твэлов.

В последние годы при проведении работ по изучению процессов, протекающих при аварии с потерей теплоносителя (LOCA), обычной практикой является проведение интегральных экспериментальных реакторных и внереакторных стендовых исследований на модельных тепловыделяющих сборках (ТВС), имитирующих фрагменты активной зоны реактора. Одним из универсальных инструментов в этом направлении исследований является стендовый комплекс ПАРАМЕТР (ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ»), оснащение которого позволяет проводить испытания твэлов и модельных ТВС по реалистичным сценариям, разработанным во ФГУП ОКБ «Гидропресс».

Однако для комплексного анализа поведения материалов оболочки и топлива в условиях аварии и обоснования максимального проектного предела повреждения твэ-ла получаемые экспериментальные данные необходимо дополнять результатами посттестовых материаловедческих исследований, основными из которых являются:

- исследование параметров деформации и разгерметизации имитаторов твэлов (температура, давление, деформация и координаты мест разрыва) в условиях термомеханических напряжений при аварии с потерей теплоносителя;

- определение блокировки проходного сечения и ее пространственного распределения по высоте сборки;

- исследование деградации структурно-фазового состояния и механических свойств оболочек в условиях коррозии под напряжением;

- анализ структуры и распределения продуктов взаимодействия конструкционных и топливных элементов после испытаний в условиях тяжелой аварии с частичным плавлением сборки.

Цель работы

Целью работы является исследование поведения имитаторов твэлов и модельных ТВС в условиях аварии с большой течью, из первого контура РУ для обоснования безопасности реакторов ВВЭР.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

• впервые исследовано поведение имитаторов твэлов ВВЭР с длиной нагреваемой части 600 мм в условиях первой стадии ПА БТ (AT/t ~ 80. 100 °С/с, ТМах ~ 950°С, ДР ~ 1.3 МПа). Определенны параметры деформации и разгерметизации оболочек твэлов;

• основными процессами, влияющими на изменение структуры и свойств оболочек твэлов в процессе первой стадии ПА БТ, являются закалка, приводящая к увеличению размера зерна до 30.50 мкм, образованию мартенситной структуры и росту условного предела текучести на 30.40%, и деформация, увеличивающая поверхность окисления оболочек;

• установлено, что предварительная закалка оболочек твэлов по режиму первой стадии (Тмах ~ 900°С в течение 5 сек, скорость охлаждения ~ 100°С/сек) приводит к уменьшению их деформации в условиях второй стадии ПА БТ;

• установлены основные закономерности изменения структурно-фазовых характеристик и механических свойств оболочек твэлов после испытаний в условиях второй стадии ПА и ЗПА БТ (Тмах - 900.1400°С), заключающиеся в монотонном нарастании толщин оксидного и подоксидного слоев, увеличении среднего размера зерна и. содержания гидридной фазы и немонотонном изменении механических характеристик;

• на основе результатов механических испытаний и структурных исследований деформированных и разгерметизированных твэлов выявлено, что наиболее поврежденной частью оболочки, отвечающей за остаточный ресурс твэла является зона разгерметизации;

• впервые исследовано поведение модельной ТВС ВВЭР в условиях ЗПА БТ (Тмах ~ 2000°С) с заливом сверху. Установлены основные процессы и масштабы деградации сборки (плавление конструкционных элементов, растворение топлива стекающим расплавом, скопление застывших масс и образование блокады).

Практическая ценность работы

Полученные в данной работе результаты исследований деформационного и коррозионного поведения оболочечных; сплавов циркония, а также продуктов взаимодействия конструкционных и топливных элементов в условиях ПА и ЗПА БТ использованы для:

- пополнения банка данных по свойствам конструкционных материалов активной зоны реактора ВВЭР; .

- развития физических моделей деформационного и коррозионного поведения оболочечных сплавов циркония;

- верификации кодов КОРСАР, РАПТА-5, РАТЕГ-СВЕЧА, СОКРАТ по анализу безопасности: АЭС с ВВЭР, а таюке расчетных методик по моделированию поведения твэлов и тепловыделяющих сборок в условиях ПА и ЗПА БТ.

Данная работа внесла существенный вклад в развитие методической, экспериментальной и исследовательскойбазыстендового-комплекса ПАРАМЕТР.

Личный вклад автора

- исследованы параметры деформации: и разгерметизации имитаторов твэлов после испытаний в условиях 1 и 2 стадий ПА БТ;

- исследовано распределение блокировки проходного сечения по высоте модельных ТВС для обоснования охлаждаемости ТВС типа ВВЭР в условиях ПА и ЗПА

БТ; - .

- исследования и анализ структурно-фазового состояния и механических свойств оболочек твэлов для обоснования критерия охрупчивания и разработки концепции демонтажа а.з.;

- исследованы структуры и составпродуктов;взаимодействия конструкционных и топливных элементов модельной ТВС после испытаний в условиях ЗПА БТ. с заливом сверху.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследований влияния первой стадии аварии на деформационное поведение оболочек твэлов, их структурно-фазовое состояние и механические свойства. Экспериментально изучено поведение имитаторов твэлов с оболочками из сплавов Э110 и Э635 в имитационных условиях первой стадии аварии БТ; определены параметры деформации; и разгерметизации оболочек, закономерности их структурно-фазового изменения в зависимости от деформации и температуры.

2. Результаты исследований влияния структурно-фазовых изменений материала оболочек твэлов после первой стадии на их деформационное поведение во второй стадии ПА БТ. Установлено снижение степени деформации оболочек, закаленных по режиму первой стадии аварии.

3. Результаты исследований структурно-фазового состояния и механических свойств оболочек твэлов после их испытаний в составе модельных ТВС в условиях второй стадии аварии ПА и ЗПА БТ. Полученные результаты свидетельствуют о нарастании оксидного и подоксидного слоев, увеличении содержания кислорода, гидрид-ной фазы, уровня микротвердости, размера зерна в сечении оболочки и немонотонном изменении механических свойств оболочек с ростом величины ЛГО.

4. Результаты исследований влияния деформации и разгерметизации оболочек твэлов на их коррозионное поведение. Установлено увеличение поверхности окисления деформированных оболочек твэлов за счет образования продольных разрывов в оксидной пленке; представленные результаты исследований свидетельствуют о том, что деформация и разгерметизация оболочек твэлов приводит к образованию наиболее уязвимых зон, отвечающих за остаточный ресурс твэлов.

5. Результаты исследований влияния залива водой сверху на состояние модельной ТВС ВВЭР-1000, перегретой свыше 2000°С. Экспериментально изучены процессы охлаждения модельной сборки и генерации водорода при заливе сверху. Посттестовые исследования свидетельствуют о существенном оплавлении сборки, растворении топлива и образовании блокировки проходного сечения расплавом.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались: на международных конференциях по повторному заливу QUENCH Workshop (Карлсруе, Германия 2005 и 2006 гг.; на международной конференции по вопросам поведения топлива энергетических реакторов «TopFuel 2006 International Meeteng on LVR Fuel Performance» Испания 2006 г. на 7-ой и 8-ой Российских конференциях по реакторному материаловедению (ГНЦ РФ НИИАР, Димитровград) 2003 и 2007 гг.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 51 наименования, изложена на 144 страницах машинописного текста и содержит 94 рисунка и 15 таблиц.

Благодарность

Работа была выполнена при организационной поддержке и консультации научного руководителя ФГУП НИИ НПО «ЛУЧ», члена корреспондента РАН, д.т.н., профессора И.И. Федика. Большую помощь в организационных вопросах, а также в научной консультации при выполнении работы автору оказали к.т.н. В.И. Наливаев, д.т.н. В.П. Семишкин, д. ф-м. н. А.Е. Киселев, Т.А. Юдина. Испытания модельных сборок и имитаторов твэлов, разделка и посттестовые материаловедческие исследования проводились сотрудниками лаборатории 92 под руководством B.C. Константинова.

Необходимо отметить большую помощь в проведении материаловедческих исследований и анализе и обсуждении полученных результатов к.т.н., с.н.с. В.Н. Турчина, к.т.н., с.н.с. В.И Князева, В.М. Репникова, к.т.н, с.н.с. А.Д. Сенчукова и к.т.н., с.н.с. В.М.Костина

Автор выражает всем искреннюю благодарность за помощь и участие в работе.

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных интегральных экспериментов исследовано поведение твэлов ВВЭР в условиях аварии с большой течью из первого контура РУ. Полученная экспериментальная база данных по деформационному поведению, структуре и свойствам оболочек твэлов, а также продуктов взаимодействия конструкционных и топливных элементов позволяет провести адаптацию расчетных кодов применительно к поведению ТВС ВВЭР в условиях ПА и ЗПА БТ.

2. Впервые проведены однотвэльные экспериментальные исследования имитаторов твэлов в условиях первой стадии ПА БТ (максимальная температура оболочки твэла ~ 880.950 °С, перепад давления на оболочке ~ 1.3 МПа, скорость охлаждения ~ 150°С/сек). Определенны параметры деформации и разгерметизация оболочек твэлов, а также закономерности изменения их структуры и свойств.

3. Установлено влияние первой стадии аварии на деформационное поведение и окисление имитаторов твэлов в условиях второй стадии ПА БТ. Оно заключается в уменьшении деформации оболочек твэлов за счет упрочнения материала (закалка) и снижения скорости ползучести (увеличение размера зерна) и увеличении степени окисления.

4. В результате посттестовых материаловедческих исследований имитаторов твэлов, испытанных в составе 19 и 37-твэльных модельных ТВС в условиях ПА и ЗПА БТ (ТЫах от 900 до 1400°С) установлены закономерности изменения структурных параметров оболочек (толщин оксидного и подоксидного слоев, содержания кислорода, гидридной фазы и среднего размера зерна) и их прочностных характеристик, необходимых для разработки концепции демонтажа а.з.

5. Впервые исследовано поведение модельной ТВС ВВЭР в условиях ЗПА БТ (Тмах ~ 2000°С) с заливом сверху. Установлены основные процессы и масштабы деградации сборки (плавление конструкционных элементов, растворение топлива стекающим расплавом, скопление застывших масс и образование блокады).

1. Ф.Я. Овчинников, Л.И. Голубев, В.Д. Добрынин, В.И. Клочков, В.В. Семенов, В.М. Цыбенко Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических ядерных реакторов, М. «Атомиздат», 1977г, с. 280

2. Н.В. Шарый, В.П. Семишкин, В.А. Пименов, Ю.Г. Драгунов. Прочность основного оборудования и трубопроводов реакторных установок ВВЭР, М. «Из-дАт», 2004, с. 496

3. Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций. ПБЯ РУ АС-89. Введены в действие с 01.09.90.

4. И.И. Федик, Н.Н. Пономарев-Степной, Ю.Г. Драгунов и др. Стендовое моделирование различных стадий проектной аварии с потерей теплоносителя реакторной установки с ВВЭР. Атомная энергия 2003 г.

5. Аварии с тяжелым повреждением активной зоны водоохлаждаемых реакторов. Алексеев А.В., Махин В.М. Обзор. Димитровград ГНЦ РФ НИИАР, 1997. -108 с.

6. В.А. Цыканов. Тепловыделяющие элементы для исследовательских реакторов. ГНЦ РФ НИИАР, Димитровград, 2001, 249 с.

7. Ю.К. Бибилашвили и др. Исследование высокотемпературных механических свойств сплава Zr 1%Nb. Цирконий и его сплавы / Под ред. B.C. Емельянова и А.И. Евстюхина. М.: Энергоатомиздат, 1982 г. С. 38 -46.

8. J.Freska, G.Konczos, L.Maroti, L.Matus, Oxidation and Hydriding of Zr1%Nb Alloys by Steam, Report KFKI-1995-17/G, 1995.

9. V.Vrtilkova, M. Valach, M.Molin, Oxidation and Hydriding Properties of ZrlNb cladding Materials in comparison with Zircaloys, Technical Committee Meeting on Influence of Water Chemistry on Fuel Cladding Behaviour, 4-8 October, 1993.

10. И.А. Кунгурцев, В.В. Чесанов, И.В. Кузьмин, И.В. Лебедюк, Исспедование окиспения образцов оболочки отработавшего твэла ВВЭР-1000 и необлучен-ной оболочки из сплава Э-110 при температуре 1200°С, Отчет ГНЦ РФ НИИАР, Димитровград, 1999.

11. R.E. Pawel, J.V.Cathcart, R.A.McKee, J. Electrochem. Soc., 126 (1979), p. 1105.

12. Leistikow S., Schanz G., H.v.Berg Kinetics of isothermal steam oxidation of Zrcaloy-4 at 700-1300°C. KfK 2587, March 1978.

13. В.Г. Асмолов, Л.А. Егорова, К.В. Лютов, Е.П. Каплар и др. Определение порога охрупчивания окисленных оболочек твэлов ВВЭР в условиях аварий с потерей теплоносителя, Промежуточный отчет (РНЦ КИ, ГНЦ РФ НИИАР), 2002 год.

14. Chung Н.М. and Kassner T.F. "Embrittlement Criteria for Zircaloy Fuel Cladding Applicable to Accident Situations in Light-Water-Reactors", NUREG/CR-I344, January 1980.

15. Uetsuka H, et.al. "Failure-Bearing Capability of Oxidized Zircaloy-4 Cladding under Simulated Loss-of-Coolant Conditions", J. Nucl. Sci. Tech. 20 (1983).

16. Uetsuka H. et.al. "Embrittlement of Zircaloy-4 due to Oxidation in Environment of Stagnant Steam", J, Nucl. Sci. Tech. 19(1982).

17. Sawatzky A. "Proposed Criterion for the Oxygen Embrittlement of Zircaloy-4 Fuel Cladding", Proc. /' Symp. On "Zirconium in the Nuclear Industry", Statford-on-Avon, UK, 27-29 June, 1978.

18. Haggag F.M. "Zircaloy-Cladding-Embrittlement Criteria: Comparison of In-pile and Out-of-pile Results", NUREG/CR-2757, July I9S2.

19. S. Hagen, P. Hofman, V. Noack, L. Sepold, G. at al. «Comparison of the Quench Experiments CORA 12, CORA - 13, CORA - 17», FZKA 5679, Forschungszen-trum Karlsruhe (1996)

20. L. Sepold, A. Miassoedov, J. Stuckert, at al.«Cooling characteristics of PWR-type fuel element simulators tested in the QUENCH experiments», NURETH-10, Seoul, Korea, October 5-9, 2003/

21. A.C. Займовский, A.B. Никулина, Ф.Г. Решетников. Циркониевые сплавы в атомной энергетике. М. «Энергоиздат», 1981, 232 с.

22. Г.П. Кобылянский, А.Е. Новоселов. Радиационная стойкость циркония и сплавов на его основе. Справочные материалы по реакторному материаловедению. Димитровград 1996.

23. J1.J1. Артюхина, Ю.А. Перлович, М.И. Исаенкова. Сверхпластичность циркониевого сплава Н 1. ВАНТ, Материаловедческие вопросы атомной техники. М., Энергоатомиздат, 1991 г., с. 5-6.

24. Е.Н. Пирогов, Л.Л. Артюхина, М.И. Алымов и др. Механизм сверхпластичности циркониевого сплава Н 1. Атомная энергия, т.63, 1987, вып.2, с.142 -144.

25. П. Кофстад. Высокотемпературное окисление металлов. Издательство «МИР» 1969 г. 392 с.

26. LOCA Integral Test Results for High-Burnup BWR Fuel. M.C. Billone, Y. Yan and T. Burtseva. Argonne National Laboratory. Nuclear Safety Research Conference Washington, DC October 25-27, 2004.