26 Жовтня 2016

Диверсифікація палива для реакторів ВВЕР

Генерація електроенергії у ряді країн Східної Європи багато в чому залежить від  функціонування атомної енергетики, яка повністю складається з парку реакторів ВВЕР-440 і ВВЕР-1000. Після політичних конфліктів в Україні, в тому числі російської анексії Криму, уряди цих країн стають все більш стурбовані питанням безпечної поставки палива для ВВЕР.

Westinghouse Electric Company LLC, яка є сьогодні єдиною альтернативною компанією – постачальником палива для реакторів типу ВВЕР, нещодавно отримала розширений контракт на поставку ТВЗ ВВЕР-1000 для України. У цій статті буде представлений  шлях до договору, орієнтуючись на вирішення технічних проблем, з якими зіткнулася компанія.

Westinghouse також активно підтримує реактори ВВЕР-440 у Європейському Союзі (ЄС). У травні 2015 року Westinghouse отримала фінансування від Європейського співтовариства з атомної енергії (Євратом) для програми, яка дозволить зробити важливі кроки у напрямі диверсифікації ринку палива ВВЕР-440.

На даний момент в ЄС в експлуатації знаходиться 33 енергоблока ВВЕР-440 і ВВЕР-1000. ТВЗ обох типів у перерізі мають гексагональну форму. Але ТВЗ реактора ВВЕР-440 значно менша і містить меншу кількість твелів. Крім того, для контролю реактивності у реакторі ВВЕР-1000 використовуються поглинаючі стрижні системи управління і захисту (ПС СУЗ). У тей же час, в реакторі ВВЕР-440 – касети АРК з поглинаючою вставкою, яка кріпиться до ТВЗ.

Перші тестові ТВЗ для України


Всі АЕС в Україні експлуатуються у державній власності Національною атомною енергетичною компанією (НАЕК) Енергоатом, яка має штаб-квартиру в Києві.

Розробка перших ТВЗ ВВЕР-1000 від Westinghouse для поставки в Україну почалася в 2001 році, в результаті урядової угоди між Україною і США про співпрацю в галузі енергетики та безпеки. Робота виконана в рамках Програми Кваліфікації ядерного палива для України.

У Westinghouse раніше розробляли і постачали паливо ВВЕР в Чехії, на АЕС Темелін, але не для  завантаження змішаної активної зони. Розробка ТВЗ ВВЕР-1000  для змішаних зон була додаткової серйозною проблемою, тим більше що дані про російських ТВЗ були важко доступним для Westinghouse.

Після завершення розробки ТВЗ для реактора ВВЕР-1000, в якій брала участь Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія США (PNNL), пілотна партія з шести ТВЗ (LTA) була виготовлена на заводі компанії в Колумбії, Південна Кароліна, США і в тому ж році була завантажена в активну зону 3-го блоку Южно-Української АЕС.

Дані збірки були вивантажені в 2010 році після 4-х річного циклу. Детальні обстеження палива( у тому числі зовнішній вигляд, корозія, зміна форми, позиція дистанціонуючих граток) показали позитивні результати.

Перед виконанням програми LTA і перевантаженням палива у великих кількостях , компанія вирішила використати можливість і підсилити конструкцію LTA, підвищивши конструкційну жорсткість системи шляхом додавання додаткової вставки з обох сторін дистанціонуючої гратки (Рис. 1). ТВЗ для завантаження була названа як WFA ( Westinghouse Fuel Assembly). Так само було додано зміни в матеріалі в 13 з 16 гратках для зменшення нейтронного захвату.


fig1

Для цілей постачання потрібної кількості палива, необхідного для завантаження, виробництво було перенесено в Швецію, на завод в місті Вестерос. У 2009 році Westinghouse виготовили 42 ТВЗ, які згодом були завантажені в активну зону 3-го блоку Южно-Української АЕС.

У доповненні до палива, компанія отримала вказівку від Енергоатому поставити спеціальну систему для контролю палива в активній зоні – Beacon®, яка також експлуатується на АЕС  Темелін. Система була використана на 3-му блоці Южно-Української АЕС, щоб забезпечити точне моделювання процесів в активній зоні зі змішаним завантаженням і підтримку оператора під час перехідних процесів.

Проблеми з перевантаженням

У 2012 році кілька ТВЗ Westinghouse були пошкоджені під час робіт з перевантаження палива. Дистанціонуючі гратки були пошкоджені через контакт з сусідніми, більш міцними, ТВЗ.

На відміну від інших реакторів під тиском, у паливі яких використовуються квадратні дистанціонуючі гратки, шестигранні гратки реактора ВВЕР-1000 більше схильні до механічних впливів, у тому числі взаємодії з гратками сусідніх ТВЗ, особливо, якщо ТВЗ знаходиться в зміщеному положенні ( Рис. 2). В даній ситуації збірки Westinghouse були оточені тепловиділяючими збірками з високим ступенем прогину і структурної жорсткості. Відповідно, якщо витягувати дані ТВЗ, може відбутися контакт і деформація.

fig2

Оптимізація завантаження активної зони

Westinghouse розробив нову послідовність завантаження активної зони на основі базового досвіду і деяких основоположних принципів. Компанія використовує завантаження з центру активної зони, використовуючи спеціальні пристрої і прилади контролю. Вжиті заходи виявилися досить ефективними, і після не було жодного випадку механічного пошкодження.

Зміни в конструкції

Деякі вдосконалення були зроблені для збільшення міцності і мінімізації ризику механічних пошкоджень при взаємодії між збірками. Зовнішня частина гратки була зроблена тонше і сама дистанціонуюча гратка виготовлялася зі сплаву 718, спеціальні фаски в хвостовику і у верхнії частині паливної колони для зручності перевантаження (рис. 3-6)

fig3
fig4
fig5
fig6

Нова модель ТВЗ отримала назву Robust Westinghouse Fuel Assembly (RWFA). Були проведені всі необхідні механічні та тепло-гідравлічні випробування. Дане паливо було завантажено в активну зону 3-го блоку ЮАЕС 3 березня 2015. Це було перше завантаження  після інциденту в 2012 році.


Розробка палива для реакторів ВВЕР-440

Держави з реакторами ВВЕР-440 в ЄС і Україна в тому числі висловлювали інтерес щодо диверсифікації ТВЗ ВВЕР-440.

У далекому 1998-му , компанія BNFL (British Nuclear Fuel Limited) поставила дві  тестових збірки на 2й блок АЕС Ловіса у Фінляндії. ТВЗ були виготовлені на паливній фабриці у м. Спрингфілд за програмою визначення другого постачальника палива для Фінляндії.
У грудні 1999 BNFL отримала контракт на постачання ТВЗ ВВЕР-440. В період з 2001 по 2007 рік до Фінляндії було поставлено сім партій ТВЗ ВВЕР-440.

Програма Євратому


Організація Євратом виділила гроші на запуск і розвиток програми, яка буде сприяти диверсифікації. Westinghouse і ще 8 європейських компаній отримали близько 2 млн. євро.

 Mark Dye, Jan Höglund, and Ulf Benjaminsson for NEI magazine, переклад