Иван Васильченко: ТВС-2М и далее

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 18.07.2014

На вопросы электронного издания AtomInfo.Ru отвечает заместитель главного конструктора ОКБ "Гидропресс" Иван ВАСИЛЬЧЕНКО.

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПОСЛЕ ФОТО

Иван Васильченко, фото ОКБ Гидропресс

Как и ранее, в нашем разговоре под понятием "топливо" мы будем подразумевать его конечный передел - топливные сборки или, короче, кассеты, загружаемые в активную зону ядерного реактора.

Третье поколение

Иван Никитович, мы общались с Вами и Вашим товарищем и коллегой Сергеем Кобелевым в 2008 году по теме топлива для ВВЭР. Хотелось бы узнать, что изменилось за прошедшие шесть лет?

Базовые основы конструкции современного поколения кассет для реакторов ВВЭР-1000 ТВС-2 и ТВС-2М были разработаны в начале века.

На их основе создаются усовершенствованные кассеты для новых проектов. Соответственно, новые проекты - это АЭС-2006, который можно считать прошедшим этапом, и ВВЭР-ТОИ.

Вы знаете, что блоки по проекту АЭС-2006 будут пускаться на НВАЭС-2, ЛАЭС-2, на ряде других объектов. За рубежом по этому проекту будут построены АЭС "Ханхикиви", "Пакш", АЭС во Вьетнаме. В свою очередь, проект ВВЭР-ТОИ должен быть реализован на АЭС "Аккую", Курской АЭС-2, и так далее.

Когда мы говорим о топливе для наших строящихся и планируемых блоков, мы имеем в виду, что это топливо очень близко по конструкции к ТВС-2М, которое эксплуатируется, начиная с 2006 года.

Если быть совсем точным, то практическая жизнь нового поколения топливных сборок для ВВЭР началась в 2003 году с загрузки ТВС-2 на Балаковской станции.

Кассета ТВС-2М отличается от неё только увеличенным топливным столбом для того, чтобы обеспечить более длительные топливные циклы, а именно, 18 месяцев и 104% мощность. На таких циклах работают наши внутренние тысячники, то есть, блоки с ВВЭР-1000, построенные в России.

Референтный опыт эксплуатации кассет нового поколения - разумеется, после экспериментальной и расчётно-теоретической части - был получен на базе Балаковской станции, первом - четвёртом блоках.

За это балаковцам большое спасибо. Они рискнули, несмотря на то, что авторитет наших сборок в тот момент качался из-за УТВС. У балаковцев был выбор между ТВСА и ТВС-2М. Они сделали шаг в нашу сторону и не пожалели об этом. Сами они сейчас оценивают свой тогдашний ход как правильный.

Я уже сказал, что ТВС-2М - это новое поколение топливных сборок для ВВЭР. Мы называем его третьим поколением.

Сборки ТВС-2М отличаются как от наших предыдущих конструкций, так и от западных. Отличие состоит в том, что направляющие каналы приварены к дистанционирующим решёткам.

За счёт этого образован жёсткий каркас, который мало подвержен воздействию от перекосов нейтронного поля, температур. Расчёты и опыт эксплуатации показывают, что формоустойчивость ТВС-2М можно экстраполировать на любой физически приемлемый топливный цикл, включая 5×1 год.

Перейдём к объективным показателям. За время эксплуатации с 2006 года до 2013 года ни одна наша cборка не вышла из строя ни по причине негерметичности, ни по причине механического повреждения, что тоже очень важно.

Устойчиво, без всяких натяжек выполняются критерии по времени падения ОР СУЗ, по усилию их перемещения в каналах блока защитных труб, по усилиям перемещения кассет при разборке-сборке активных зон для перегрузки реакторов.

Всё это позволяет существенно сократить время перегрузок.

Для объективности нужно добавить следующее. В 2013-2014 годах чуть-чуть показатели герметичности ухудшились. Обнаружены три сборки - одна на Балаковской и по одной на первом и втором блоках Ростовской АЭС - с газовой негерметичностью.

Время проявления негерметичности характерно для дебриз-повреждения оболочки твэла.Это указывает на то, что антидебризные фильтры полезно широко использовать в кассетах.

Но если посчитать надёжность по той методике, которая принята сегодня в мире, учесть, что в кассете выходит из строя один твэл (а это факт!), то мы получим показатель лучше 1×10^-5 выходов из строя твэлов по причине негерметичности. Это очень и очень неплохой результат.

Добавлю к сказанному, что иметь всегда абсолютный ноль по негерметичности невозможно. Против этого работает статистика.

Итоги и перспективы

Подведём промежуточный итог. На кассетах третьего поколения получено достаточно хорошее выгорание, выполнены все обещанные характеристики, что позволяет "Росэнергоатому" после освоения мощности 104% задумываться и даже планировать испытания на более высокой мощности.

В 2018 году концерн и Балаковская станция планируют испытать четвёртый блок на мощности 107-110%. Почему здесь тире? Потому что всё будет определяться в процессе испытаний. Как "потянет" другое оборудование... Но что касается топливных сборок - мы в них уверены.

Для этих целей устанавливается в 2014 году партия топливных сборок в объёме полной подпитки с перемешивающими решётками. Перемешивающие решётки - новое качество, которое появится в ТВС-2М.

Известно, что перемешивающие решётки вносят гидродинамическую нестабильность. На то они и перемешивающие. Уверены, что эта гидродинамическая нестабильность не вызовет фреттинг-износ оболочек, но позволит получить те же запасы до кризиса, которые мы имеем до повышения мощности.

К моменту испытаний на 107-110% необходимо иметь полную зону с такими решётками и за счёт этого обеспечить указанные запасы до кризиса.

Следует отметить, что в проектах АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ перемешивающие решётки не требуются. У этих проектов достаточный запас до кризиса. Там более высокий топливный столб, больше расходы теплоносителя и можно обойтись без перемешивающих решёток.

О самих перемешивающих решётках стоит рассказать более подробно. Они очень оригинальны. Это не те лопатки, которые используются во всём мире. Перемешивающие решётки стоят в потоке. Следовательно, лопатки должны обладать достаточной прочностью, чтобы не отвалиться. Да и вообще, неизвестно, как они поведут себя в аварийных ситуациях.

Поэтому мы пошли другим путём. Наши решётки сотовые, образованы сваркой специально сформированных ячеек, привариваются только к направляющим каналам. С твэлами не контактируют, поэтому фреттинг-износ в этих местах исключён.

Они только усилят каркас с точки зрения общей жёсткости и выполнят ту роль, которую мы им придаём для перемешивания. Их гидравлическое сопротивление одинаково при прямом и обратном обтекании теплоносителем.

Они ставятся между дистанционирующими решетками?

Да, они установлены в четырёх верхних обогреваемых пролётах. Почему только в четырёх? Потому что они представляют собой дополнительное гидравлическое сопротивление. Ставить их во всех пролётах нет необходимости.

Они сыграют свою роль в тех местах, где возможно появление паровой фазы (или близко к таким местам) - то есть, там, где условия ближе к кризису.

Оригинальность решёток заключается ещё и в том, что они двух типов. Две решётки - перемешивающие ("Прогонка"), они перегоняют поток из одного ряда в другой в той области, где ещё нет паровой фазы, где практически однофазный поток.

А ближе к выходу, где появляется двухфазный поток, установлены две решётки типа "Вихрь". "Вихрь" очень хорошо работает именно в двухфазном потоке, когда он срывает паровую плёнку и восстанавливает теплоотдачу. Это подтвердили наши коллеги из ФЭИ.

А поподробнее, где именно было выполнено экспериментальное подтверждение?

В ОКБ "Гидропресс" проводились эксперименты на семистержневом пучке. Согласен с тем, что такой пучок страдает недостатком масштабного фактора. Коллеги из ФЭИ испытали на 19-стержневых пучках и дали нам немало пищи для принятия решений.

Кто в ФЭИ занимался испытаниями?

Рышард Сидорович Пометько. Ваш сайт с ним знаком. Творческий человек и отличный специалист. Да и вообще вся команда теплогидравликов ФЭИ. В течение нескольких лет один раз в год в ФЭИ проводятся интересные семинары с широким представительством многих предприятий, где обсуждаются результаты экспериментальных и расчётных работ.

Итак, возвращаясь к теме. То, что у нас используется два типа решёток, можно пытаться критиковать с технологической точки зрения. Тем не менее, такое решение сегодня признано оптимальным с учётом тех соображений, о которых я упомянул.

В настоящее время завод закончил отработку технологии формирования решёток, сварку ячеек, приступил к изготовлению кассет с перемешивающими решетками.

Завод какой?

Новосибирский завод. Надо отметить их большой вклад, поскольку придумать решётку - это одно дело. Нужно ещё сделать её в металле. Там изготовление каждого штампа - есть искусство.

Под вашим наблюдением делается?

Да. Мы работаем в тесном сотрудничестве с заводом. Необходимо было обеспечить строгое выполнение межцентровых расстояний, чтобы исключить касание с твэлами. Ноу-хау в разработке штампов, в обеспечении требуемой формы - вся эта технология принадлежит полностью заводу.

Электросталь будет делать такие решётки?

Пока решётки такого типа они не делают. Но, учитывая тенденцию ТВЭЛа на распределение производства и другие соображения, это возможно в дальнейшем.

Например, производство ТВС АЭС-2006 для Ленинградской станции частично поручено заводу в Электростали. Это первый прецедент, когда этот завод подключился к изготовлению кассет такого типа.

Учитывая тенденцию на распределение, принимая во внимание потребности широкого производства при успешном внедрении 107-110% мощности на 320-ых блоках, вполне можно предположить, что Электросталь также подключится к выпуску перемешивающих решёток такого типа.

Появление дополнительных решёток сильно удорожает конструкцию?

Нет. Как известно, стоимость продукции состоит из нескольких частей. Большая часть - это материалы, обогащение. Меньшая часть - фабрикация.

Фабрикация даёт не такой уж и большой вклад в цену кассеты. И в этой фабрикации будет дельта, связанная с установкой и производством перемешивающих решёток. На фоне экономического эффекта, который покупатель может получить при использовании такого топлива, стоимость решёток окажется незаметной.

Задачи на будущее

Иван Никитович, можно несколько слов о будущем? Что дальше? На АЭС-2006 жизнь не заканчивается. И даже ВВЭР-ТОИ - не венец творения.

Нам бы хотелось сделать кассету легкоразборной. Она и сегодня разборная, но наконечники твэлов, которые входят в нижнюю решётку, не позволяют легко проводить сборку/разборку. Извлечение твэла связано с замятием наконечника, надо прикладывать усилие около 100 кгс.

Хотелось бы сделать, чтобы твэл не закреплялся в нижней решётке и мог быть легко извлечён для возможной замены. Практика показывает целесообразность этого, так как разгерметизация твэла хоть и редко, но случается.

В проектах АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ предусматривается и даже спроектирован стенд для инспекций и ремонта кассет, который будет располагаться в центральном зале, в бассейне выдержки.

У "Вестингауза" не такой же стенд на Южно-Украинской?

Конструкция другая, но назначение заключается в этом же. У нас таких стендов долго не было из-за того, что мы не могли оценить их технико-экономический эффект, да и вообще не рисковали заниматься ремонтом.

Потом, когда кассеты стали демонстрировать высокую надёжность, Балаковская АЭС решила, что лучше одну кассету забраковать, чем тратить деньги и время на ремонт, поскольку ремонт мог выйти на критический путь ППР.

В тени других операций ремонт кассеты трудно выполнить, и это пугает эксплуатационников. Сейчас у нас пока стенды внедряются больше "на всякий случай", чем по необходимости.

Под ремонтом Вы понимаете замену твэла на работавшей ТВС?

Рассматривается несколько вариантов. Причём более простой - это установка вместо дефектного твэла сплошного стержня или из циркония, или даже из нержавейки. С точки зрения всплесков энерговыделения это не является проблемой.

И это будет делаться в условиях станции?

Да, именно в условиях станции, и именно на этом стенде. Конечно, с применением ручного управления, так как полностью автоматизировать всё невозможно.

Что касается дальнейших усовершенствований. ТВЭЛ уже поставил кассеты с новой таблеткой на Калининскую АЭС. Это таблетка диаметром 7,8 мм, без центрального отверстия (7,8/0). Все кассеты ТВСА-12 обещают поставлять с такой таблеткой.

Вы спросите, почему мы не спешим с переходом на такую таблетку в ТВС-2М? Потому что "Росэнергоатом" пока не заказывает её. Имеющейся навески урана им хватает на 18 месяцев. Переходить на 24 месяца в ближайшей и даже среднесрочной перспективе концерн не собирается.

А поскольку при такой таблетке утоняется оболочка с 0,67 мм до 0,58 мм, то психологически переходить на неё без надобности не хочется (всё-таки второй, важный барьер на пути распространения радиоактивности!).

Но мы бы хотели, конечно, иметь ТВС-2М с такой таблеткой. Тогда можно было бы формулировать предложения заказчикам следующим образом: "Хочешь иметь ещё более длительный топливный цикл - пожалуйста, бери таблетки без центрального отверстия. Не хочешь - не бери".

На самом деле такой проект разработан. Он получил название ТВС-4. Сегодня он лежит на полке и будет там лежать до тех пор, пока к нему не проявят интерес заказчики.

Мы слышали про ТВС-XXI, или ТВС XXI века.

Разработка ТВС XXI века - более широкая задача по сравнению с ТВС-4. Рассматривается очень много вариантов, вплоть до таких, как твэл с керамической оболочкой. Такой оболочке был посвящён семинар в Курчатовском институте. Предлагаются многообещающие оболочки, но, кроме оболочек, надо еще и многое другое.

Например, то, что разработано - это короткие варианты оболочек. А требуются длинные, под твэльный размер.

Далее. С переходом на керамические оболочки надо переходить и на керамические решётки. В случае аварии, связанной со снижением расхода, надо не только, чтобы оболочка не перегрелась, не расплавилась, но и решётки должны держать структуру пучка, обеспечивая охлаждаемось этого пучка.

Вопросов много. Но хочу сказать - по итогам семинара видно, что идея о керамических оболочках покинула разряд фантастических и стала ближе к реальности. В XXI веке она вполне может быть внедрена.

Керамика обычно характеризуется пониженной пластичностью.

По разным критериям - по прочности, по пластичности, по теплопроводности - нам было продемонстрировано, что керамика полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к твэлам ВВЭР.

Повторюсь, что идея интересная. Но до практической реализации всё-таки далековато.

У Гидропресса есть ещё один проект XXI века - ВВЭР-СКД, СУПЕР-ВВЭР и прочее. Для него топливо чем будет отличаться?

Под флагом СУПЕР-ВВЭР рассматриваются два проекта, эволюционный и инновационный.

Инновационный проект - это реактор типа СКД, на сверхкритических параметрах. Идея сформулирована давно, но очень медленно развивается.

Дело там заключается в поиске материалов, поскольку температура существенно выше чем в обычном ВВЭР, 540°C и выше на выходе из активной зоны. Да, конечно, можно применять нержавейку, поскольку спектр нейтронов сдвинется в сторону быстрого. Но, тем не менее, над подбором материалов для реактора в целом нужно работать.

Эволюционный проект - это тот же ВВЭР с применением эффекта спектрального регулирования. При пуске реактора вытеснители устанавливаются вниз, образуют низкое водо-урановое отношение, идёт наработка плутония. По мере выгорания делящихся материалов вытеснители извлекаются, образуя водяные полости, и спектр смягчается. Дополнительный эффект - выгорание плутония.

Конструкция реактора в первом приближении сделана, на уровне эскизного проекта. Проект кассеты тоже сделан на таком же уровне.

Вряд ли эволюционный проект будет сильно отличаться от ВВЭР-1200.

Невозможно уложиться в имеющиеся сегодня габариты корпуса, поскольку мы рассматриваем больше кассет, не 163, а 241. Вытеснители уменьшают количество твэлов, и их количество надо компенсировать, оставаясь в тех же линейных нагрузках.

Но всё можно уложить в корпус полуторамиллионника, который в своё время был разработан. "Ижора" отработала технологию изготовления такого корпуса.

Один этап мы прошли, теперь нужно убедить потенциального спонсора, что это имеет смысл. А пока мы остаёмся на стадии эскизного проекта.

А на эксперименты по гидравлике выходили?

Пока нет. Только провели гидравлические расчёты, поскольку меняется шаг. С 12,75 мм на 11,6 мм. Частично увеличение количества твэлов компенсируется за счёт уменьшения шага, частично - за счёт увеличения диаметра активной зоны.

Спасибо, Иван Никитович, за интересное интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.

Спасибо вам за проявляемый интерес. Хотелось бы подвести черту под дискуссией о выборе конструкции кассет для реакторов типа ВВЭР. Сегодня ещё много находится в эксплуатации кассет проблемных конструкций, принимаются решения с неясной перспективой, тогда как есть возможность уверенно уйти от этих забот.

Ключевые слова: Фабрикация, ОКБ Гидропресс, Иван Васильченко, ТВС-2М, Интервью

---

Другие новости:

"Росэнергоатом" намерен осуществить пуски АЭС в 2014 году своевременно, несмотря на риски с поставками из Украины

Пока мы не ощущаем и не испытываем реальных проблем поставок с украинских предприятий.

Росатом 23 июля может подписать прединвестиционное соглашение на сооружение АЭС в Иордании

Параллельно готовятся два документа.

Госкорпорация Росатом объявляет о кадровых изменениях в "Uranium One Holding" и "Uranium One Inc."

Вадим Живов покидает посты президента.

---

---

---

---

Поиск по сайту: