Тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора

Тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерной технике и касается усовершенствования конструкции тепловыделяющих сборок (ТВС), из которых набирается активная зона ядерных реакторов, в которых в качестве теплоносителя и замедлителя используется вода (так называемых водоохлаждаемых ядерных реакторах), применяемых как источник тепла для электростанций, в силовых установках и пр., особенно в реакторах тепловой мощностью порядка (2600-3900) МВт.

Уровень техники

Топливная загрузка реакторов состоит из большого числа тепловыделяющих элементов (твэлов), количество которых в активной зоне водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) исчисляется десятками тысяч. Для обеспечения необходимой жесткости стержневых твэлов, а также удобства монтажа, перегрузки, транспортировки и обеспечения требуемых условий охлаждения их объединяют в пучки. Каждый пучок представляет единую конструкцию тепловыделяющей сборки. Число твэлов в тепловыделяющей сборке может составлять от нескольких штук до нескольких десятков или даже сотен. Твэлы в ТВС соединяются между собой с помощью двух концевых и более пятидесяти дистанционирующих решеток, устанавливаемых на определенном расстоянии друг от друга по высоте сборки, что обеспечивает жесткое дистанционирование тепловыделяющих элементов при обтекании их теплоносителем и соблюдение зазоров между твэлами для прохода теплоносителя и обеспечения необходимого водо-уранового соотношения в поперечном сечении сборки.

Тепловыделяющая сборка реактора ВВЭР-1000 состоит из пучка стержневых твэлов и каркаса сборки, с помощью последнего обеспечивается крепление твэлов в сборке. Каркас сборки включает в себя гексагональные дистанционирующие решетки, которые механически связаны между собой центральной трубой и 18 направляющими каналами, а также с хвостовиком и головкой. Каждая ТВС содержит 312 твэлов с таблетками из диоксида урана (см. Эксплуатационные режимы АЭС с ВВЭР-1000, Библиотека эксплуатационника АЭС, Выпуск 12, Москва, Энергоатомиздат, 1992 г., с.231-233, рис.4.3 и 4.4).

Конструкции стержневых твэлов и ТВС для ВВЭР-1000 должны обеспечить механическую устойчивость и прочность, в том числе в аварийных условиях при высоких температурах, что усложняется наличием мощных долгосрочных потоков нейтронов и гамма-излучения. Повреждение твэла влечет за собой радиоактивное загрязнение контура продуктами деления. Нарушение первоначальной геометрической формы твэла может ухудшить условия теплоотдачи от твэла к теплоносителю. Поэтому при разработке конструкции ТВС необходимо в первую очередь учитывать возможность увеличения величины отношения теплопередающей поверхности твэла к активному объему, занимаемому ядерным топливом.

Известная тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора ВВЭР-1000 содержит каркас и пучок стержневых твэлов с ядерным топливом в виде диоксида урана (см. “Future fuel. - Vattenfall's new approach” Nuclear Engineering International, September 1997, p.25-31). В пучке известной ТВС реактора ВВЭР-1000 содержится 312 стержневых твэлов, выполненных с наружным диаметром от 8.90·10^-3 м до 9.14·10^-3 м и имеющих среднюю линейную тепловую нагрузку на твэл от 15,90 кВт/м до 16,71 кВт/м. Такой твэл обеспечивает относительно высокий уровень выгорания топлива в известной ТВС и хорошо себя зарекомендовал за время эксплуатации на отечественных и зарубежных АЭС с реакторами ВВЭР-1000. Однако следует отметить, что в случае перегрева оболочек твэлов, возникающего при изменении условий их охлаждения, может произойти разгерметизация и даже разрушение твэлов. Дело в том, что низкая теплопроводность окисного топлива, используемого в реакторах ВВЭР-1000, обуславливает его высокую температуру при работе в режимах нормальной эксплуатации, относительно большое количество аккумулированного тепла и, как следствие, при аварии с обесточиванием АЭС и при аварии с потерей теплоносителя это приводит к значительному разогреву оболочек твэлов в первые несколько секунд. Достигаемые при авариях с потерей теплоносителя температуры при использовании штатных ТВС в значительной мере зависят от исходных тепловых линейных нагрузок на твэл. Так, при большой течи первого контура реактора ВВЭР-1000 твэлы с максимальной тепловой нагрузкой к пятой секунде имеют расчетную температуру оболочки ~900°С. В то же время в этих же условиях твэлы с нагрузкой, близкой к средней, разогреваются до 550-600°С.

Экспериментальные и расчетные исследования показывают, что с точки зрения предотвращения возможности разгерметизации твэлов применительно к авариям с потерей теплоносителя предельные температуры оболочек не должны превышать уровень ~700-750°С. Следовательно, если в активной зоне реактора ВВЭР-1000 снизить максимальные тепловые линейные нагрузки, то возможный разогрев оболочек не превысил бы вышеупомянутого предельного уровня температур. Это принципиально решает проблему возможной разгерметизации твэлов на начальном этапе аварии с потерей теплоносителя. В особенности данная проблема усугубляется при повышении глубины выгорания топлива, когда работоспособность твэлов даже в нормальных условиях эксплуатации близка к предельно допустимой.

Из вышеизложенного следует, что для повышения уровня безопасности действующих и вновь проектируемых АЭС с ВВЭР-1000 необходимо разработать стержневые твэлы контейнерной конструкции уменьшенного диаметра при увеличенном их числе в ТВС (при условии сохранения мощности реактора и близкого к штатной ТВС водо-уранового отношения топливной решетки), которые позволят принципиально решить проблему возможной разгерметизации твэлов на начальном этапе аварии с потерей теплоносителя. Кроме того, при разработке модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000 необходимо осуществить выбор основных параметров из условия максимального сохранения конструкции активной зоны и ядерной энергоустановки, а также обеспечения приемлимых нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик, близких к штатным характеристикам активной зоны реактора ВВЭР-1000, так как задачей настоящего изобретения не является разработка принципиально нового реактора.

Такой подход вызывает определенные ограничения, накладываемые на выбор основных параметров модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000, которые сводятся к следующему:

- шаг (236 мм) между осями ТВС и высота модернизированной ТВС должны быть такими же, как и в штатной конструкции ТВС ВВЭР-1000;

- размер "под ключ" и высота топливных сердечников модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000 не должны превышать 1.5 и 2.83% соответственно;

- диаметр твэлов и их количество в модернизированной ТВС должны обеспечивать снижение линейных тепловых нагрузок в твэлах модернизированной активной зоны;

- уменьшение загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС реактора ВВЭР-1000 не должно превышать 10%;

- увеличение гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС не должно превышать имеющихся запасов по напору главного циркуляционного насоса (ГЦН) реактора ВВЭР-1000;

- размещение органов системы управления и защиты (СУЗ) должно быть таким же, как и в штатной конструкции активной зоны реактора ВВЭР-1000.

Для увеличения глубины выгорания ядерного топлива или для повышения безопасности эксплуатации при заданной нагрузке из-за ограничений, связанных с допустимой температурой топлива и теплоотводом, стремятся к увеличению отношения поверхности твэла к его весу, при котором обеспечивается уменьшение теплового потока за счет увеличения поверхности. Понижение удельных тепловых нагрузок на твэлы может достигаться за счет использования твэлов с уменьшенным диаметром, а именно с диаметрами твэлов 6.0·10^-3 м и 6.80·10^-3 м (см. Бек Е.Г., Горохов В.Ф., Духовенский А.С., Колосовский В.Г., Лунин Г.Л., Панюшкин А.К. и Прошкин А.А. “Совершенствование характеристик топлива реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 путем уменьшения диаметра тепловыделяющих элементов”, доклад на конференции “Top Fuel-97”, Манчестер, 1997 г.). Однако, так как загрузка топлива (по U²³⁵) u модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000 не увеличивается, а U²³⁵ загружается на 5-6% меньше, то несмотря на то, что в модернизированной ТВС с твэлами диаметром 6.8·10^-3 м при исходном обогащении, равном обогащению топлива в штатной ТВС, достигается глубина выгорания топлива больше, чем у штатной ТВС, это не компенсирует полностью потерю в продолжительности работы топливной загрузки по сравнению со штатной ТВС. Поэтому к вышеуказанным ограничениям следует также добавить следующее:

- для обеспечения проектной продолжительности работы топливной загрузки ТВС уменьшение загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС.

Наиболее близкой по технической сущности к описываемому техническому решению является тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора, содержащая каркас, гексагональные дистанционирующие решетки, в ячейках которых размещен пучок стержневых тепловыделяющих элементов с топливным сердечником из диоксида урана, заключенным в оболочку (RU 2143143, G 21 С 3/32, 20.12.1999).

Использование таких ТВС в модернизированных активных зонах реактора ВВЭР-1000 позволяет за счет снижения тепловых нагрузок твэлов обеспечить возможность расширения диапазона маневрирования мощностью реактора, повысить глубину выгорания топлива и снизить вероятность разгерметизации твэлов.

Однако сравнительная оценка стоимостей штатной ТВС ВВЭР-1000 (диаметр твэлов 9.1·10^-3 м) и модернизированной ТВС (твэлы уменьшенного диаметра) показала, что заводская себестоимость модернизированной ТВС для реакторов ВВЭР-1000 возросла на 18%, что является одной из причин, почему такие тепловыделяющие сборки не нашли пока практического применения.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание новых тепловыделяющих сборок водо-водяного энергетического реактора тепловой мощностью от 2600 до 3900 МВт, обладающих улучшенными характеристиками, в частности повышенной безопасностью и надежностью при эксплуатации вновь проектируемых и действующих реакторов, позволяющими скомпенстровать повышенную себестоимость модернизированной ТВС и получить в целом увеличение экономической эффективности.

В результате решения данной задачи при реализации изобретения могут быть получены технические результаты, заключающиеся в снижении тепловых нагрузок тепловыделяющих элементов, уменьшении вероятности разгерметизации оболочек твэлов, снижении неравномерности энерговыделения, расширении диапазона маневрирования мощностью реактора и улучшении характеристик топливоиспользования за счет повышения глубины выгорания ядерного топлива.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке водо-водяного энергетического реактора, содержащей каркас, включающий гексагональные дистанционирующие решетки, в ячейках которых размещен пучок стержневых тепловыделяющих элементов с топливным сердечником из диоксида урана, заключенным в оболочку, дистанционирующие решетки содержат от 481 до 517 ячеек для пучка, содержащего от 468 до 510 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.00·10^-3 м до 7.50·10^-3 м и от 5.94·10^-3 м до 6.36·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 436.24 кг до 561.18 кг или дистанционирующие решетки содержат от 403 до 439 ячеек для пучка, содержащего от 390 до 432 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.60·10^-3 м до 8.30·10^-3 м и от 6.45·10^-3 м до 7.04·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 451,37 кг до 582,17 кг или дистанционирующие решетки содержат от 331 до 367 ячеек для пучка, содержащего от 318 до 360 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 8.30·10^-3 м до 8.79·10^-3 м и от 7.04·10^-3 м до 7.46·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 442,22 кг до 544,12 кг, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,27 до 1,83.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что дистанционирующие решетки содержат от 481 до 517 ячеек для пучка, содержащего от 468 до 510 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.00·10^-3 м до 7.50·10^-3 м и от 5.94·10^-3 м до 6.36·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 436,24 кг до 561,18 кг или дистанционирующие решетки содержат от 403 до 439 ячеек для пучка, содержащего от 390 до 432 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.60·10^-3 м до 8.30·10^-3 м и от 6.45·10^-3 м до 7.04·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 451,37 кг до 582,17 кг или дистанционирующие решетки содержат от 331 до 367 ячеек для пучка, содержащего от 318 до 360 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 8.30·10^-3 м до 8.79·10^-3 м и от 7.04·10^3- м до 7.46·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 442,22 кг до 544,12 кг, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,27 до 1,83, что характеризует новую концепцию ТВС реактора ВВЭР-1000 и, соответственно, активных зон реактора ВВЭР-1000, обладающих повышенной работоспособностью как в нормальных условиях эксплуатации, так и в аварийных режимах, и обусловлено следующим. Поскольку каркас, с помощью которого обеспечивается крепление пучка стержневых твэлов в ТВС, должен быть аналогичен каркасу штатной ТВС реактора ВВЭР-1000, а изменение загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией не должно превышать 10% (см. вышеуказанные условия), то водо-урановое отношение ячейки модернизированной ТВС выбрано от 1,27 до 1,83, а дистанционирующие решетки содержат от 481 до 517 ячеек для пучка, содержащего от 468 до 510 стержневых твэлов с наружным и внутренним диаметром оболочки от 7.00·10^-3 м до 7.50·10^-3 м и от 5.94·10^-3 м до 6.36·10^-3 м соответственно и массой диоксида урана в пучке от 436,24 кг до 561.18 кг, или дистанционирующие решетки содержат от 403 до 439 ячеек для пучка, содержащего от 390 до 432 стержневых твэлов с наружным и внутренним диаметром оболочки oт 7.60·10^-3 м дo 8.30·10^-3 м и от 6.45·10^-3 м до 7.04·10^-3 м соответственно и массой диоксида урана в пучке от 451,37 кг до 582.17 кг, или дистанционирующие решетки содержат от 331 до 367 ячеек для пучка, содержащего от 318 до 360 стержневых твэлов с наружным и внутренним диаметром оболочки от 8.30·10^-3 м до 8.79·10^-3 м и от 7.04·10^-3 м до 7.46·10^-3 м соответственно и массой диоксида урана в пучке от 442,22 кг до 544,12 кг, поэтому средняя линейная нагрузка на твэлы модернизированной ТВС уменьшается в 1,19-1,42 раза при условии сохранения номинальной мощности реактора и обеспечения нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик, близких к штатным характеристикам ВВЭР-1000. Или, как показывают расчеты, можно повысить тепловую мощность активной зоны при условии сохранения требуемой безопасности эксплуатации реактора на величину до 2.9%, что необходимо для компенсации повышенной стоимости модернизированных ТВС.

Целесообразно, чтобы дистанционирующие решетки содержали 481 ячейку для пучка, содержащего от 468 до 474 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.00·10^-3 м до 7.40·10^-3 м и от 5.94·10^-3 м до 6.28·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 441.83 кг до 501,50 кг или 403 ячейки для пучка, содержащего от 390 до 396 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.70·10^-3 м до 8.10·10^-3 м и от 6.53·10^-3 м до 6.87·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 446,64 кг до 508,25 кг или содержали 331 ячейку для пучка, содержащего от 318 до 324 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 8.50·10^-3 м до 8.70·10^-3 м и от 7.21·10^-3 м до 7.38·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 442,22 кг до 479,89 кг, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,41 до 1,83.

Также целесообразно чтобы дистанционирующие решетки содержали 496 ячеек для пучка, содержащего 489 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.00·10^-3 м до 7.30·10^-3 м и от 5.94·10^-3 м до 6.19·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 455,81 кг до 509,94 кг или 418 ячеек для пучка, содержащего 411 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.70·10^-3 м до 8.00·10^-3 м и от 6.53·10^-3 м до 6.79·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 463,56 кг до 514,56 кг или 346 ячеек для пучка, содержащего 339 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 8.40·10^-3 м до 8.70·10^-3 м и от 7.13·10^-3 м до 7.38·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 455,03 кг до 502.11 кг, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1.48 до 1.83.

Кроме того, целесообразно, чтобы дистанционирующие решетки содержали 517 ячеек для пучка, содержащего от 468 до 510 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.00·10^-3 м до 7.40·10^-3 м и от 5.94·10^-3 м до 6.28·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 448.79 кг до 531.83 кг или 439 ячеек для пучка, содержащего от 390 до 432 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 7.60·10^-3 м до 8.10·10^-3 м и от 6.45·10^-3 м до 6.87·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 451.37 кг до 540.85 кг или 367 ячеек для пучка, содержащего от 318 до 360 стержневых тепловыделяющих элементов с наружным и внутренним диаметрами оболочки от 8.30·10^-3 м до 8.79·10^-3 м и от 7.04·10^-3 м до 7.46·10^-3 м соответственно, а масса диоксида урана в пучке выбрана от 442.22 кг до 521.03 кг, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1.41 до 1.83.

Следует подчеркнуть, что только вся совокупность существенных признаков обеспечивает решение поставленной задачи изобретения и получение вышеуказанных новых технических результатов. Действительно, известны твэлы с наружным диаметром оболочки 6.0·10^-3 или 6.8·10^-3 м для ТВС реактора ВВЭР-1000. Однако выбор лишь значения наружного диаметра оболочки твэла без указания диапазонов необходимых значений внутренних и наружных диаметров оболочки твэла, соответствующего диапазона массы топлива, количества твэлов и ячеек в дистанционирующих решетках и их взаимосвязи, а также без указания диапазона значений водо-уранового отношения топливной решетки (что предполагает комбинации входящих в них конкретных величин) не позволяет реализовать новые технические результаты. Кроме того, комбинация величин, составляющих отмеченные пары диапазонов внутренних и наружных диаметров твэлов, а также количества ячеек и твэлов в пучке без выбора величины массы топлива (диоксида урана) приводит к возможности несоблюдения допустимого изменения значения водо-уранового отношения топливной решетки и/или греющей поверхности твэлов, а также требуемой загрузки ядерного топлива, которое позволяет принципиально решить (при условии сохранения мощности реактора) поставленную задачу.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 изображен вариант продольного разреза модернизированной в соответствии с настоящим изобретением тепловыделяющей сборки для реактора ВВЭР-1000, на фиг.2 изображен вариант поперечного сечения дистанционирующей решетки с пучком тепловыделяющих элементов и вытеснителями, на фиг.3 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 318 тепловыделяющих элементов, на фиг.4 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 360 тепловыделяющих элементов, на фиг.5 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 390 тепловыделяющих элементов, на фиг.6 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 432 тепловыделяющих элементов, на фиг.7 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 468 тепловыделяющих элементов, на фиг.8 изображен вариант фрагмента поперечного сечения пучка, содержащего 510 тепловыделяющих элементов, на фиг.9 изображен вариант продольного разреза тепловыделяющего элемента для модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000, на фиг.10 представлены кривые, характеризующие изменение максимальной температуры оболочки наиболее энергонапряженного штатного и модернизированного твэла, используемого в описываемой ТВС для реактора ВВЭР-1000 при аварии с разрывом трубопровода Ду 850, на фиг.11 представлены кривые, характеризующие изменение максимальной температуры оболочки средненапряженного штатного и описываемого твэла ВВЭР-1000 при аварии с разрывом трубопровода Ду 850.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Тепловыделяющая сборка 1 реактора ВВЭР-1000 состоит из пучка стержневых твэлов 2, хвостовика 3, головки 4 и каркаса 5. С помощью каркаса 5 обеспечивается крепление твэлов 6 в ТВС 1. Каркас 5 сборки 1 включает в себя гексагональные дистанционирующие решетки 7, которые механически связаны между собой центральной трубой 8 и направляющими каналами 9 (для размещения поглотителей). Центральная груба 8 в ТВС 1 предназначена для фиксации дистанционирующих решеток 7 и для размещения внутриреакторных детекторов. С помощью хвостовика 3 и головки 4 тепловыделяющую сборку устанавливают в активной зоне реактора (см. фиг.1). В дистанциопирующих решетках 7 описываемой ТВС модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000 содержится от 331 до 367 ячеек 10 (см. фиг.2) для пучка 2, содержащего от 318 до 360 твэлов 6 (см. фиг.3 и фиг.4) или от 403 до 439 ячеек 10 для пучка 2, содержащего от 390 до 432 твэлов 6 (см. фиг.5 и фиг.6) или от 481 до 517 ячеек 10 для пучка 2, содержащего от 468 до 510 твэлов 6 (см. фиг.7 и фиг.8). В зависимости от выбранного количества твэлов 6 в пучке 2 в свободные ячейки 10 дистанционирующих решеток 7 могут быть установлены каналы 11 для вытеснителей или выгорающих поглотителей 12, а также установлены технологические каналы и т.п. (на чертеже не показаны).

Тепловыделяющий элемент 6 включает топливный сердечник, состоящий из отдельных таблеток 13 с центральным отверстием 14 диаметром от 1.15·10^-3 м до 1.45·10^-3 м (или сплошных) или стерженьков цилиндрической формы длиной от 6.90·10^-3 м до 12.00·10^-3 м, размещенных в оболочке 15, выполненной с наружным и внутренним диаметрами, соответственно от 7.00·10^-3 м до 8.79·10^-3 м и от 5.94·10^-3 м до 7.46·10^-3 м, которая является конструкционным несущим элементом и к которой крепятся концевые детали 16 (см. фиг.2 и фиг.9). Оболочка 15 в течение эксплуатации испытывает напряжения за счет расширения и распухания топлива, а также вследствие газовыделения из топлива, особенно в местах, соответствующих границе раздела таблеток 13 или стерженьков. Устранение данных негативных моментов осуществляется профилированием формы таблеток 13 (или стерженьков), в частности путем выполнения их торцов вогнутыми или с конической формой боковой поверхности в районе торцов (на чертеже не показано).

В качестве материала таблеток 13 наиболее целесообразно использовать спрессованный и спеченный диоксид урана со средней плотностью (10.4-10³-10.8·10^-3) кг/м³, но могут использоваться также окислы плутония, тория и карбиды урана или смеси указанных делящихся материалов. Масса диоксида урана в тепловыделяющей сборке составляет от 428,52 кг до 582,17 кг.

При выборе толщины оболочки 15 твэла модернизированной активной зоны наиболее целесообразно сохранить отношение толщины оболочки к наружному диаметру описываемого твэла таким же, как и в штатных твэлах реактора ВВЭР-1000, что с учетом сохранения величины давления заполнения гелием 2,0 МПа позволяет гарантировать устойчивость оболочек твэла модернизированной активной зоны, не меньшую, чем для штатных твэлов. Кроме того, необходимо также учитывать условие, касающееся того, что радиальный зазор между таблетками 13 топливного сердечника и оболочкой 15 в описываемых твэлах был не менее 0,05·10^-3 м. Это условие обусловлено технологическими трудностями при сборке твэлов.

Вследствие низкой теплопроводности материала таблеток 13 топливного сердечника, а также с учетом всех вышеприведенных условий оболочка 15 стержневого твэла описываемой ТВС для модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000 должна иметь наружный и внутренний диаметры (7.00·10^-3-7.50·10^-3) м и (5.94·10^-3-6.36·10^-3) м соответственно для пучка (468-510) твэлов, или (7.60·10^-3-8.30·10^-3) м и (6.45·10^-3-7.04·10^-3) м соответственно для пучка (390-432) твэлов или (8.30·10^-3-8.79·10^-3) м и (7.04·10^-3-7.46·10^-3) м соответственно для пучка (331-367) твэлов. Дело в том, что из первых трех вышеуказанных условий следует, что относительный шаг h расположения твэлов (см. фиг.2) должен обеспечить водо-урановое отношение ячейки 10 для модернизированной активной зоны, близкое к водо-урановому отношению ячейки решеток действующих ВВЭР-1000. Значения водо-уранового отношения ячейки для решеток модернизированных ТВС находятся в диапазоне от 1.27 до 1.83. Принимая во внимание все вышеуказанные условия, а также результаты нейтронно-физических, теплогидравлических, термомеханических расчетов и, прежде всего, результаты анализов аварий ВВЭР-1000 с течами теплоносителя из первого контура, были определены границы диапазонов основных характеристик описываемой ТВС для модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000. Так, для пучка, содержащего от 468 до 510 твэлов:

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.00·10^-3 м до 7.50·10^-3;

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5.94·10^-3 м до 6.36·10^-3 м;

- масса диоксида урана выбрана от 436,24 кг до 561,18 кг;

- в дистанционирующих решетках выполнено от 481 до 517 ячеек для пучка, содержащего от 390 до 432 твэлов:

- наружный диаметр оболочки твэла выполнен от 7.60·10^-3 м до 8.30·10^-3;

- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 6.45·10^-3 м до 7.04·10^-3;

- масса диоксида урана выбрана от 451,37 кг до 582,17 кг;

- в дистанционирующих решетках выполнено от 403 до 439 ячеек, а для пучка, содержащего от 318 до 360 твэлов:

- наружный диаметр оболочки твэла выполнен от 8.30·10^-3 м до 8.79·10^-3;

- внутренний диаметр оболочки твэла выполнен от 7.04·10^-3 м до 7.46·10^-3 м;

- масса диоксида урана выбрана от 442,22 кг до 544,12 кг;

- в дистанционирующих решетках выполнено от 331 до 367 ячеек, причем водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,27 до 1,83.

Выполнение твэла описываемой ТВС с пучком от 468 до 510 шт. с наружным диаметром менее 7.00·10^-3 м, например 6.90·10^-3 м, и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки менее 5.94·10^-3 м и массой топлива в ТВС менее 436,24 кг, а также несоблюдение вышеуказанного диапазона водо-уранового отношения (1,27-1,83) приводит к невыполнению условия, касающегося обеспечения проектной продолжительности работы топливной загрузки в связи с уменьшением загрузки топлива в модернизированной ТВС, по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000 (которое должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС), а выполнение твэла с наружным диаметром более 7.50·10^-3 м (например, 7.60·10^-3 м) и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки более 6.36·10^-3 м и массой топлива в ТВС более 561,18 кг приводит к невыполнению условия, касающегося возможного увеличения гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000 по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000. Выполнение твэла описываемой ТВС с пучком от 390 до 432 шт. с наружным диаметром менее 7.60·10^-3 м, например 7.50·10^-3 м, и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки менее 6.45·10^-3 м и массой топлива в ТВС менее 451,37 кг, а также несоблюдение вышеуказанного диапазона водо-уранового отношения приводит тоже к невыполнению условия, касающегося обеспечения проектной продолжительности работы топливной загрузки в связи с уменьшением загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000 (которое должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС), а выполнение твэла с наружным диаметром более 8.30·10^-3 м (например, 8.40·10^-3 м) и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки более 7.04·10^-3 м и массой топлива в ТВС более 582,17 кг приводит к невыполнению условия, касающегося возможного увеличения гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000 по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000. Выполнение же твэла описываемой ТВС с пучком от 331 до 367 шт. с наружным диаметром менее 8.30·10^-3 м (например, 8.20·10^-3 м) и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки менее 7.04·10^-3 м и массой топлива в ТВС менее 442,22 кг, а также несоблюдение вышеуказанного диапазона водо-уранового отношения приводит тоже к невыполнению условия, касающегося обеспечения проектной продолжительности работы топливной загрузки в связи с уменьшением загрузки топлива в модернизированной ТВС по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000 (которое должно быть скомпенсировано повышением глубины выгорания в модернизированной ТВС по отношению к штатной ТВС), а выполнение твэла с наружным диаметром более 8.79·10^-3 м (например, 8.90·10^-3 м) и, соответственно, выполнение твэла с внутренним диаметром оболочки более 7.46·10^-3 м и массой топлива в ТВС более 544,12 кг приводит к невыполнению условия, касающегося возможного увеличения гидравлических потерь на трение в модернизированной ТВС реактора ВВЭР-1000 по сравнению со штатной конструкцией ТВС ВВЭР-1000.

Следует отметить, что первые четыре вышеуказанные условия позволяют уточнить предпочтительные границы диапазонов основных характеристик описываемой модернизированной активной зоны реактора ВВЭР-1000, а именно:

1. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 517 ячеек:

- пучок содержит 468 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.10·10^-3 м до 7.40·10^-3м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.02·10^-3 м до 6.28·10^-3,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 448,79 кг до 501,50 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,48 до 1,74;

2. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 517 ячеек:

- пучок содержит 510 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.00·10^-3 м до 7.30·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5.94·10^-3 м до 6.19·10^-3м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 475,83 кг до 531,83 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,55 до 1,83;

3. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 496 ячеек:

- пучок содержит 489 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.00·10^-3 м до 7.30·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5.94·10^-3 м до 6.19·10^-3 м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 455,81 кг до 509,94 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,55 до 1,83;

4. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 481 ячейку:

- пучок содержит 468 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.10·10^-3 м до 7.40·10^-3м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.02·10^-3 м до 6.28·10^-3м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 448,79 кг до 501,50 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,47 до 1,74;

5. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 481 ячейку:

- пучок содержит 474 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.00·10^-3 м до 7.30·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 5.94·10^-3 м до 6.19·10^-3м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 441,83 кг до 494,29 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,55 до 1,83;

6. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 439 ячеек:

- пучок содержит 390 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.60·10^-3 м до 8.10·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.45·10^-3 м до 6.87·10^-3 м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 451.37 кг до 500.72 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1.41 до 1.82;

7. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 439 ячеек:

- пучок содержит 432 твэла,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.60·10^-3 м до 8.00·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.45·10^-3 м до 6.79·10^-3 м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 474.67 кг до 540.85 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1.48 до 1.82;

8. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 418 ячеек:

- пучок содержит 411 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.70·10^-3 м до 8.00·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.53·10^-3 м до 6.79·10^-3 м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 463.56 кг до 514.56 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1.48 до 1.73;

9. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 403 ячейки:

- пучок содержит 390 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.80·10^-3 м до 8.10·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.62·10^-3 м до 6.87·10^-3 м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 451.37 кг до 500.55 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1.41 до 1.65;

10. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 403 ячейки:

- пучок содержит 396 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 7.70·10^-3 м до 8.10·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 6.53·10^-3 м до 6.87·10^-3 м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 456.64 кг до 508.25 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1.41 до 1.73;

11. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 367 ячеек:

- пучок содержит 318 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8.55·10^-3 м до 8.79·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7.25·10^-3 м до 7.46·10^-3 м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 442.22 кг до 480.80 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,43 до 1,60;

12. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 367 ячеек:

- пучок содержит 360 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8.30·10^-3 м до 8.60·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7.04·10^-3 м до 7.30·10^-3м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 471,78 кг до 521,03 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,56 до 1,79;

13. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 346 ячеек:

- пучок содержит 339 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8.40·10^-3 м до 8.70·10^-3 м,

- внутренний диаметр оболочки твэла выбран от 7.13·10^-3 м до 7.38·10^-3 м,

- масса диоксида урана в ТВС выбрана от 455,03 кг до 502,11 кг,

- водо-урановое отношение ячейки выбрано от 1,49 до 1,72;

14. для тепловыделяющих сборок с дистанционирующими решетками, содержащими 331 ячейку:

- пучок содержит 318 твэлов,

- наружный диаметр оболочки твэла выбран от 8.55·10^-3