Разработка новых видов топлива и конструкционных материалов

1.

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА И
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНОЙ
ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РОССИИ
Докладчик: В.В. Новиков,
ОАО «ВНИИНМ»
3-й Российско-Украинский семинарсовещание
«Развитие атомной энергетики России и
Украины – фактор устойчивого
межгосударственного сотрудничества»
(Виноградово, 19-21 октября 2010 года)

2.

Основные задачи
1. Разработка конструкции ТВС, отвечающей
требованиям надежной, безопасной и
экономически эффективной эксплуатации
2. Разработка новых и совершенствование
имеющихся конструкционных материалов.
3. Совершенствование технологии получения
конструкционных материалов и изготовления
топливных кассет
4. Разработка методик и развитие расчетных
кодов

3.

Наша цель
Поставка Заказчику топлива,
обеспечивающего:
Надежную и
безопасную
эксплуатацию
Экономическую
эффективность
использования в
различных
топливных циклах
3

4.

Направления разработок
1. Разработка конструкции ТВС:
Увеличение загрузки урана в топливных сборках
Применение в ТВС унифицированных элементов конструкции
Разработка конструкции ТВС с интенсификаторами теплообмена
Оснащение ТВС антидебризным фильтром
Создание разборной конструкции ТВС.
2. Разработка конструкционных материалов и технологий их
получения, отвечающих современным требованиям по
условиям эксплуатации и безопасности АЭС.
3. Улучшение свойств топливной композиции с целью
обеспечения безопасной эксплуатации до выгорания
72 Мвт·сут/кгU в условиях повышения мощности АЭС и с
учетом реализации маневренных режимов.
4.
Повышение обогащения топлива.
4

5.

ВВЭР-1000. Базовый твэл для ТВС-2 и ТВСА
(4-х годичный топливный цикл)
Продолжительность эксплуатации, эфф.часов 30000
Максимальное обогащение, %
Загрузка топлива в ТВС, кг
Максимальное выгорание, Мвтсут/кгU
ТВСА
4.4
494.5
55
ТВС-2
5

6.

Ядерное топливо ВВЭР-1000
Современное состояние
Основные решения
топливный столб высотой 3680 мм
(увеличен на 150 мм)
топливная таблетка 7,6/1,2 мм
масса UO2 в кассете 524,1 кг
антивибрационная решетка
АДФ
разборность и ремонтопригодность
ТВСА-PLUS
ТВС-2М
6

7.

Ядерное топливо ВВЭР-1000
Современное состояние
Основные решения
топливный столб высотой 3530 мм
топливная таблетка без отверстия 7,8/0 мм
масса UO2 в кассете 546 кг
8 (12) дистанционирующих решеток
3 перемешивающих решетки
антивибрационная решетка
АДФ
разборность и ремонтопригодность
Эксплуатируется в варианте с 8 ДР с 2006 г.
ТВСА-АЛЬФА
7

8.

Ядерное топливо ВВЭР-1000
Современное состояние
ТВС-2М
ТВСАPLUS
ТВСААЛЬФА
Тип топлива
U-Gd
U-Gd
U-Gd
Среднее обогащение подпитки, %235U
4,74
4,74
4,60
66
66
36
Диаметр топливной таблетки, мм
7,6/1,2
7,6/1,2
7,8/0
Выгорание, МВт·сут / кгU
до 68
до 68
до 68
Топливный цикл
3х510
3х510
5х320
Расход природного урана, кг/МВт·сут
0,208
0,208
0,188
Тип ТВС
Количество ТВС подпитки, шт.
8

9.

Ядерное топливо ВВЭР-1000
Перспективы развития
ТВС-2М
12 ДР, ПР, АДФ,
Топливный столб – 3680 мм,
Унифицированная головка
ТВСА-PLUS
АДФ,
Топливный столб – 3680 мм
Перспективные ТВС
•Унифицированная головка
•12 ДР, ПР, АДФ
•Топливный столб – 3680 мм
•Таблетка 7,8/0 мм
•Загрузка UO2 - 568,4 кг
Топливный цикл
3х510
5х333
Ожидаемый эффект от внедрения:
ТВСA-АЛЬФА
ПР, АДФ, 12 ДР
таблетка 7,8/0 мм
увеличение длительности кампании
на 9 %, или снижение количества ТВС
подпитки на 6 шт. (относительно
ТВСА-PLUS, ТВС-2М)
9

10.

21-я топливная загрузка
на блоке №1 Калининской АЭС (2005-2006 год)
30 ТВСА - 7,57/1,4
10 ТВСА - 7,60/1,2
1 ТВСА-5М - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,6/0,0
1 ТВСА-5М - 7,60/1,2 +18 твэлов 7,8/0,0
- твэлы 7,8/0,0 или 7,6/0,0 (4,4 %)
- твэлы 7,6/1,2 (4,4 %)
- твэлы 7,6/1,2 (4,95 %)
10

11.

Картограмма размещения ТВС в 25-й топливной загрузке
на блоке №1 Калининской АЭС (2009-2010 год)
36 ТВСА-АЛЬФА - 7,80 / 0,0
36 ТВСА-АЛЬФА - 7,80 / 0,0
6 ТВСА-АЛЬФА - 7,80 / 0,0
1 ТВСА-5М - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,6/0,0
( 60,3 МВт*сут/кгU)
1 ТВСА-5М - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,8/0,0
( 59,3 МВт*сут/кгU)
11

12.

Состояние твэлов ТВСА-5М после 2-х и 5-ти лет эксплуатации
2 ТЦ
Область 13-й ДР
5ТЦ
Область 15-й ДР
12

13.

Ядерное топливо ВВЭР:
проект АЭС-2006
Требования ТЗ на
АЭС-2006:
• Тепловая мощность
3200 МВт (Твх=298,8 °С,
массовое
паросодержание
до 13%)
• Топливные циклы
5×1 год/ 3×1,5 года при
выгорании по ТВС
до 70 МВт·сут/кгU
• Маневрирование
мощностью
Направления разработки:
• Увеличение высоты
топливного столба
(L = 3530+200 мм)
• Повышение критических
тепловых потоков за счет
применения решетокинтенсификаторов
• Усовершенствованные
циркониевые сплавы
• Топливо с увеличенным
зерном
13

14.

Этапы модернизации твэла для проекта АЭС-2006
14

15.

Области применения разработок и исследований
Направляющие каналы
Уголки
жесткости
Оболочечные
трубы
Дистанционирующие
решетки
ТВСА
ТВС-2
Промышленные Zrсплавы
для ТВС реакторов
типа ВВЭР-1000:
Э635
– направляющие
каналы
и
центральные
трубы
ТВСА и ТВС-2, уголки
жесткости ТВСА;
Э110
–
оболочки
и
заглушки
твэлов,
дистанционирующие
решетки;
Э125 – чехлы 5-го блока
ВВЭР-1000 НВАЭС
15

16.

Развитие циркониевых материалов
Жесткость ТВС
Ползучесть
оболочек
PCMI
Наводороживание
PCI
Циркониевые
сплавы
Радиационный
рост
Коррозия
16

17.

Развитие циркониевых материалов
С целью повышения надёжности эксплуатации
твэлов водоохлаждаемых реакторов определены
направления модернизации и предложены сплавы
Э110М, Э635М и Э125 в качестве материалов
оболочек твэлов и комплектующих ТВС.
Для реализации комплекса НИОКР по
обоснованию и внедрению сплавов Э110М, Э635М и
Э125 в качестве материалов оболочек твэлов и
комплектующих ТВС разработана программа
«Обеспечение конкурентоспособными
циркониевыми материалами развивающейся
атомной отрасли России».
17

18.

Экспериментальное обоснование
ОАО «ВНИИНМ»
им. А.А.Бочвара
Реактор БОР-60
Циркониевые
сплавы
АЭС
Реактор МИР
ЧМЗ, НЗХК
Ускоритель
18

19.

Развитие циркониевых материалов
Эксплуатация опытных твэлов ТВС-2М с
оболочками из сплавов Э110М, Э635М и Э125 опт. в
реакторе ВВЭР-1000 с 2011 года.
19

20.

Топливо высокого выгорания
UO2 , (U,Gd)O2
Повышение теплопроводности
Увеличение
размера зерна,
уменьшение
стехиометрии,
оптимизация
пористости
Понижение доспекаемости
Уменьшение г.п.д. на границах зерен
Понижение выхода г.п.д. при скачках
мощности (RIA, Condition 2)
Повышение порога PCI
20

21.

Топливо высокого выгорания
UO2 , (U,Gd)O2
Испытание таблеточного топлива
- Реакторная ползучесть (реактор
МИР);
- Температура плавления;
- Теплопроводность
21

22.

Испытание твэлов нового поколения
(таблетки с ц.о. 1,2 мм, таблетки без ц.о., крупное зерно, утоненная оболочка)
2010
2011
Изготовление
экспериментальных твэлов
2012
Горячая камера
ТВСА
2012
RAMP
Линейная нагрузка, Вт/см
Реактор МИР
500
RIA
400
300
LOCA
200
100
40
Испытания на скачки мощности
50
60
70
Выгорание, МВт*сут/кгU
22

23.

Испытание твэлов нового поколения
PCI и PCMI
Подтверждение работоспособности в режимах Condition 2
Самоход регулирующего стержня
Неконтролируемое снижение концентрации борной кислоты
Получения данных для лимитной кривой по допустимому
скачку линейной мощности
250
Нагрузка, Вт/см
200
150
100
50
0
0
100
200
300
400
500
600
Время, мин
23

24.

Испытание твэлов нового поколения
RIA
Эксперименты RIA в водяной петле реактора
МИР с отработавшими твэлами ВВЭР с
утоненными оболочками и таблетками без ЦО
и с твэгами.
Критериальные
эксперименты
с
отработавшими твэлами ВВЭР с утоненными
оболочками и таблетками без ЦО и с твэгами
на импульсном реакторе (БИГР).
24

25.

Испытание твэлов нового поколения
Высокотемпературное окисление и остаточная пластичность
оболочек твэлов из Э110 губчатого циркония
Эксперименты LOCA в паро-водяной петле реактора МИР с
отработавшими твэлами ВВЭР с утоненными оболочками и
таблетками без ЦО.
LOCA
25

26.

Заключение
Повышение мощности АЭС и длительности
эксплуатационных циклов
Развитие конструкций твэлов и ТВС
Модернизация и
совершенствование
расчетных кодов
Развитие
циркониевых
сплавов
Разработка
топливных
композиций
26

27.

Спасибо за внимание!
27