Проблемы эксплуатации поставляемого компанией «Вестингауз» ядерного топлива и направления работ по созданию перспективных видов топлива. Часть II.

В настоящее время с целью повышения конкурентоспособности атомных электростанций по сравнению с другими поставщиками электроэнергии и достижения максимальной эффективности работы реакторов коммерческие компании, владеющие АЭС, стремятся снизить долю эксплуатационных расходов, в том числе и затраты на полный топливный цикл. С тем, чтобы достичь конкурентоспособной стоимости эксплуатации электростанции порядка одного цента за киловатт-час, необходимо, чтобы стоимость топливного цикла составляла не более 0,4 - 0,45 ц/кВт.час.

На большинстве американских атомных реакторов с водой под давлением в настоящее время достигнута стоимость топливного цикла в диапазоне 0,4 - 0,6 ц/кВт.час, в результате чего затраты на топливо составляют до 30 % суммарных расходов на эксплуатацию атомных электростанций, в то время как стоимость топлива в общем цикле расходов на выработку электроэнергии, получаемой на электростанциях, сжигающих газ или другие ископаемые топлива, может доходить до 90 %.

Многие владельцы атомных электростанций снижают эксплуатационные расходы и затраты на топливо, продлевая период выгорания топлива и осуществляя эксплуатацию станции при более высоких уровнях мощности и температуры в активных зонах реакторов с тем, чтобы максимально повысить выход энергии из реакторного топлива. Однако, как отмечают американские специалисты, для того, чтобы полностью реализовать экономические выгоды более длительных циклов и более высоких степеней выгорания топлива, необходимо добиться безупречного функционирования топлива при сохранении или повышении его рабочих режимов. Существующие в настоящее время реакторы с водой под давлением характеризуются высокой температурой поверхности стержней при значительном недоохлаждении в процессе парообразования и все более длительными сроками пребывания топлива в реакторе, поскольку продолжительность топливного цикла на некоторых АЭС увеличена с 12 до 18 и даже 24 месяцев. Подобная стратегия эксплуатации АЭС ведет к возникновению очень тяжелых условий работы реакторов.

Специалисты отмечают уже сформировавшуюся тенденцию применять более напряженные условия эксплуатации ядерного топлива АЭС в США, которые характеризуются продолжительными циклами работы при высоких температурах, значительными масштабами парообразования с недоохлаждением и очень высокими значениями факторов, вызывающих пиковые нагрузки. В отдельных же регионах Европы ядерное топливо АЭС эксплуатируется в менее напряженных условиях. При этом именно на установках с более напряженным режимом работы зафиксированы самые высокие уровни коррозии топливных стержней и самые сложные проблемы, связанные с топливом.

Несмотря на наблюдаемый рост интенсивности использования реакторного топлива, его надежность, измеряемая показателем отсутствия стержней с утечками радиоактивности, в целом возросла. В прошлом представители промышленности ставили цель достигнуть уровня радиоактивности теплоносителя менее 0,0005 микрокюри на грамм по йоду-131 (0,0005 μCi I-131/г). По этому критерию надежность топлива в настоящее время приблизилась к значению 99,999 %. В настоящее время промышленность ставит перед собой задачу достичь «нулевой дефектности» или безупречного функционирования топлива. По состоянию на середину 2000 г. почти 60 % энергоблоков, получающих топливо от компании «Вестингауз», работали с нулевым показателем числа стержней с утечкой радиоактивности, а почти 85 % энергоблоков имели радиоактивность на уровне менее 0,0005 μCi I-131/г.

При том, что топливо, поставляемое компанией «Вестингауз», продолжает функционировать с высоким уровнем надежности, использование более интенсивных режимов работы топлива привело к возникновению неожиданной обеспокоенности в масштабах всей атомной промышленности по поводу некоторых видов топлив, поставляемых компанией «Вестингауз», в частности, топлива VANTAGE5Н.

В настоящее время специалистами компании продолжается работа, направленная на выявление причин всех остающихся проблем, связанных с топливом, и на выполнение мероприятий, необходимых для достижения безупречного функционирования топлива на всех энергоблоках. Процесс повышения качества функционирования топлива включает в себя сотрудничество поставщика и потребителя в оценке радиоактивности теплоносителя, в выявлении механизмов отказов и их коренных причин, в принятии мер реагирования на все проявления обеспокоенности и в систематическом наблюдении за функционированием топлива внутри реактора. Американские специалисты считают важным отметить, что технологии и методы, разработанные в процессе решения упомянутых проблем, становятся основой для создания нового поколения топлив.

К проблемам, которые связаны с функционированием реакторного топлива, поставляемого компанией «Вестингауз», можно отнести следующие:

– неполное введение управляющих сборок группы стержней (Incomplete RCCA Insertion - IRI) имеет место, когда одну или более управляющих сборок группы стержней (Rod Cluster Control Assembly - RCCA) не удается вставить до дна направляющей трубы с глухим концом. Специалистами компании было установлено, что причиной этого является чрезмерная деформация трубы с глухим концом или изгиб топливной сборки, вызванный сжимающими нагрузками, возникающими вследствие большого удлинения топливной сборки. Явление IRI наблюдалось в топливах, изготовленных как компанией «Вестингауз», так и другими изготовителями. Впервые оно наблюдалось в 1994 г. в активной зоне, изготовленной компанией, конкурирующей с «Вестингауз». Явление IRI имеет место только на нескольких высокотемпературных энергоблоках в сборках с весьма нетипичными характеристиками процесса выработки энергии с течением времени. Данная проблема к настоящему времени решена, причем без ограничений по степени выгорания, в топливе, поставляемом компанией «Вестингауз», благодаря ослабляющим воздействиям оболочек из сплава ZIRLO, промежуточных устройств перемешивания потока и более толстых направляющих труб с глухим концом;

– вызванный наличием примесей «осевой сдвиг мощности» (Axial Power Shift) представляет собой смещение картины распределения выделяемой энергии между верхней и нижней частями активной зоны по сравнению с ожидавшимся распределением и вынуждает снижать остаточную реактивность выключенного реактора. Явление наблюдалось в топливах как компании «Вестингауз», так и других производителей ядерного топлива. С целью снижения последствий данного явления во втором квартале 2000 г. были применены новые схемы загрузки топлива и новые способы управления химическими процессами в теплоносителе наряду с более перспективной моделью остаточной реактивности выключенного реактора, разработанной специалистами компании с целью предотвращения возникновения ситуаций, для разрешения которых может потребоваться снижение мощности реактора;

– появление трещин в винтах зажимов пружин верхних сопел (Top Nozzle Spring Clamp Screw), что создает трудности при проведении работ с топливом и может повлиять на состояние и функционирование всей топливной сборки. Для решения данной проблемы потребовалось применить новые методы изготовления и использовать сплав с повышенной коррозионной стойкостью;

– фрикционная коррозия в месте контакта решетки и стержня, наблюдаемая в топливе VANTAGE5H производства компании «Вестингауз», происходит, когда конструкционный элемент реактора «трётся» о топливный стержень, приводя к износу поверхности. Данная проблема является чрезвычайно сложной, поскольку вызывается вибрацией топливных стержней, а также свой «вклад» вносят: вибрация опорных конструкционных элементов, осевые потоки, поперечные потоки, высокочастотная вибрация фиксаторов решетки и другие явления. Специалисты компании «Вестингауз» ожидают, что остроту данной проблемы удастся снизить благодаря применению топлива PERFORMANCE+, конструкция которого включает придонную решетку, защищающую сборку от осколков и мусора, а также уменьшенный шаг решетки в нижней части сборки в сочетании с «топливной сборкой зрелой конструкции» (Robust Fuel Assembly). Переход энергоблоков к использованию указанных новых конструктивных особенностей начался в 2000 г., и данный процесс продолжается;

– внутреннее давление в стержне (Rod Internal Pressure - RIP) создается в результате повышенного по сравнению с ожидавшимся выделения газообразного гелия из единых тепловыделяющих элементов, содержащих топливо и выгорающие поглотители, и повышенной по сравнению с ожидавшейся коррозией сплава Zircaloy-4 при высоких степенях выгорания топлива. Нет никаких свидетельств того, что данное явление влияет на сохранность топлива или на работу энергоблока. Тем не менее, как считают специалисты компании, оно может привести к возникновению возможности превышения допустимых конструкционных и управляющих параметров. Данная проблема была успешно решена ими путем применения новой методики проектирования, которая позволяет восстановить проектные пределы выгорания топливных стержней. Методика была одобрена комиссией по ядерному регулированию и реализована при перезагрузках топлива, проведенных осенью 2000 г.

Ключевые теги: Вестингауз RCCA