Читайте также:
|
РБМК построен по несколько другому принципу, чем ВВЭР. Прежде всего, в его активной зоне происходит кипение - из реактора поступает пароводяная смесь, которая, проходя через сепараторы, делится на воду, возвращающуюся на вход реактора, и пар, который идет непосредственно на турбину. Электричество, вырабатываемое турбиной, тратится, как и в реакторе ВВЭР, также на работу циркуляционных насосов. Тепловая схема энергоблока с реактором РБМК-1000 приведена на рисунке 5. Она включает в себя реактор, барабан-сепаратор, циркуляционные трубопроводы, главный циркуляционный насос, раздаточный групповой коллектор и напорный коллектор.
| В турбину |
| В турбину |
Рис. 5. Принципиальная тепловая схема АЭС с реактором РБМК: 1- барабан-сепаратор; 2- защита реактора; 3- технологический канал; 4- раздаточный групповой коллектор; 5- главный циркуляционный насос; 6- напорный коллектор
Общее число технологических каналов в активной зоне 1693. Внутри большинства технологических каналов находятся тепловыделяющие кассеты, имеющие довольно сложную структуру. Кассета состоит из двух последовательно соединенных тепловыделяющих сборок (ТВС), длина каждой из которых 3,5м. ТВС содержит 18 стержневых твэлов — трубок наружным диаметром 13,5мм с толщиной стенки 0,9 мм, заполненных таблетками диаметром 11,5мм из двуокиси урана (UO2), крепежные детали из сплава циркония и несущий стержень из оксида ниобия. Стенки кассеты плотно фиксированы к графитовой кладке, а внутри кассет циркулирует вода. В остальных каналах расположены стержни системы управления защитой, которые состоят из поглотителя - бороциркониевого сплава. Некоторые каналы полностью изолированы от теплоносителя, и в них расположены датчики радиации.
Подача воды в технологические каналы и отвод тепла от тепловыделяющих сборок (ТВС) осуществляется в контуре многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), который состоит из двух одинаковых автономных петель. В каждую петлю входят: 2 барабан-сепаратора, 4 главных циркуляционных насоса (ГЦН), всасывающий и напорный коллекторы, раздаточные групповые коллекторы и другие элементы конструкций.
Из нижней части барабана-сепаратора теплоноситель поступает во всасывающий коллектор и 4 всасывающих трубопровода ГЦН. От ГЦН теплоноситель подается в напорный коллектор ГЦН с наружным диаметром 1040 мм и толщиной стенки 10 мм, откуда через 22 раздаточных групповых коллектора с наружным диаметром 325 мм и толщиной стенки 15 мм поступает в трубопроводы водяной коммуникации. В технологические каналы (ТК) вода поступает с температурой 2700С, а из технологических каналов пароводяная смесь с температурой 2850С и давлением 72 кгс/см2 (
7 МПа) поступает в сепараторы пара, где разделяется на пар и воду. Вода из сепараторов смешивается с питательной водой и подается насосами в сепаратор. Трубопроводы питательной воды имеют наружный диаметр 426 мм и толщину стенки 22 мм.
Активная зона реактора – основной компонент установки, обеспечивающий ее жизнедеятельность и отвечающий за ее безопасность. Конструкции активной зоны любого ядерного реактора работают в условиях нейтронного облучения, температуры и воздействия рабочей среды, что приводит к изменению параметров их состояния и, как следствие, может привести к изменению способности выполнять свои функции. В реакторах канального типа это, в первую очередь, сами циркониевые каналы и конструкции замедлителя и отражателя нейтронов. Обеспечение контроля и управления состоянием конструкций активной зоны – неотъемлемое условие квалифицированной эксплуатации.
Активная зона представляет собой вертикальную ячеистую структуру в которой можно выделить четыре основных типа ячеек: топливные ячейки (1661-1693 шт.), ячейки каналов СУЗ (195-227 шт.), ячейки бокового отражателя (444 шт.), ячейки канала охлаждения отражателя (156 шт.). Каждая ячейка включает в себя канал, внутриканальные устройства (ТВС, стержни СУЗ, датчики и т.д.), графитовую колонну, нижние опорные и верхние соединительные стальные конструкции.
Основные требования к диагностике состояния конструкций активной зоны в виде нормативного документа изложены в регламенте эксплуатационного контроля, который является обязательным для исполнения на всех АЭС с реакторами РБМК.
Регламент включает в себя обобщенные критерии работоспособности конструкций, перечень контролируемых параметров, методы, объемы и периодичность контроля, а также критерии предельного состояния по определенным параметрам. В нем разделены внутриреакторный контроль, выполняемый на остановленном энергоблоке и исследования участков каналов, извлеченных из реактора, проводимые в защитных камерах специализированных организаций. Он является основой для системного подхода в исследовании состояния активной зоны.
Разработка и внедрение системы эксплуатационного контроля в виде регламента явилось результатом многолетних исследований поведения конструкций. Совершенствование регламента продолжается и в настоящее время.
Контролируемые параметры:
1. Сплошность.
Сплошность (или целостность) металла – один из основных факторов определяющих работоспособность конструкции.
Среди всех видов нарушения целостности таких как: поры, раковины, риски, несплавления, пологие надиры, трещины – последние являются для каналов наиболее опасными.
Как показала практика, реальная дефектность каналов очень низка. Однако среди случаев их появления, наиболее характерными дефектами для труб каналов являются поперечные несплошности в районе дистанционирующих решеток ТВС которые могут появиться только после длительной эксплуатации ТК, и продольные трещины в основном на наружной поверхности труб, как следствие пропущенных при изготовлении дефектов.
Согласно технической документации при изготовлении труб ТК в настоящее время допускаются поверхностные несплошности глубиной до 120 мкм. При изготовлении переходников также допустимы ограниченные несплошности в виде недопресовок в вершине зубьев.
Предельно допустимые дефекты при эксплуатации определены в регламенте эксплуатационного контроля. Это:
- для переходников – при контроле наружных стыков переходников допускается раскрытие стыка по всей длине окружности на глубину первого циркониевого зуба и наличие трещины в циркониевом ниппеле глубиной не более 0,5 мм;
- для единичных несплошностей в трубах ТК и КСУЗ допускаются дефекты глубиной до 1,2 мм (включительно) протяженностью до 8 мм (включительно) и до 0,7 мм (включительно) протяженностью более 8 мм, при этом единичными считаются дефекты, расстояние между которыми превышает 8 мм.
Потенциальные механизмы роста трещин для труб и переходников ТК различны, однако необходимо отметить, что и в том, и в другом случае можно выделить три общепринятые стадии развития дефектности металла: приработочные отказы, стадия стабильной эксплуатации и стадия начала износных отказов. Учитывая применения принципа ТПР, основной задачей внутриреакторной дефектности является своевременное предупреждение массовых износных отказов ТК.
В отличие от дефектов типа трещин, "пологие" поверхностные дефекты с плавным рельефом менее опасны. К таким несплошностям в основном можно отнести "задиры", которые иногда возникают на внутренней поверхности ТК при извлечении ТВС в случае попадания между ними каких-либо посторонних частиц, или "выбоины" в местах контакта дистанционирующих решеток ТВС, или стержня СУЗ с поверхностью канала.
2. Механические свойства материала каналов.
К ним относятся предел прочности, предел текучести и относительное удлинение. Как известно, у циркониевых сплавов под облучением происходит радиационное упрочнение со снижением пластичности. После кратковременного периода увеличения значений пределов прочности и текучести и снижения относительного удлинения наблюдается их стабилизация, однако имеющийся существенный разброс данных требует проведения периодического контроля.
3. Характеристики трещиностойкости.
Это могут быть раскрытие трещины, коэффициент интенсивности напряжений или J-интеграл в зависимости от приемлемой в дальнейшем методики оценки критической длины сквозной трещины.
Их определение важно с точки зрения подтверждения принципа ТПР в том понимании, в каком этот принцип используется для топливных каналов.
В российских методиках оценки критической длины сквозной трещины используется величина раскрытия в вершине трещины, которая определяется отдельно для радиального направления (прорастание трещин из поверхностной в сквозную) и для осевого направления.
Характер изменения критического раскрытия трещин под облучением аналогичен изменению величины относительного удлинения.
4. Остаточные напряжения.
Остаточные напряжения появляются на трубах каналов на заключительной стадии изготовления, в процессе правки труб на косовалковом стане. Они распределяются неравномерно как по длине и окружности трубы, так и по толщине стенки. На наружной поверхности остаточные напряжения максимальные растягивающие, а на внутренней сжимающие.
В начале производства канальных труб остаточные напряжения на наружной поверхности могли достигать 300 МПа. В восьмидесятых годах, после перехода на валки с полиуретановым покрытием, уровень остаточных напряжений был снижен.
Величина остаточных напряжений может оказать существенное влияние на начальное развитие трещин на наружной поверхности труб.
В процессе эксплуатации ТК под действием облучения и температуры они достаточно быстро релаксируются. На трубах каналов СУЗ релаксация происходит существенно медленнее.
5. Внутренний и наружный диаметры трубы.
Диаметр трубы является основным параметром характеризующим степень радиальной деформации канала в результате ползучести и радиационного роста.
Очевидно, что для оценки зазора "ТВС-ТК" определяющим параметром является внутренний диаметр, а для "газового" зазора "ТК-графитовый блок" - наружный диаметр.
Также при оценке "газового" зазора необходимо учитывать толщины стенок трубы и графитовых колец.
Скорость диаметральной деформации ТК изменяется во времени. После короткого начального периода ускоренной деформации наступает стадия увеличения диаметра с практически одинаковой скоростью. Теоретически, перед наступлением разрушения трубы она должна снова увеличиваться, однако реально в нормальных условиях эксплуатации реактора РБМК до этой стадии процесс дойти не может.
Для отдельных труб скорость деформации может отличаться очень сильно, иногда в несколько раз.
Она зависит от фактических свойств металла, толщины стенки (поскольку она определяет напряжения в стенке трубы) и текстурных характеристик.
6. Содержание водорода.
Знание содержание водорода требуется для оценки возможности протекания замедленного гидридного растрескивания (ЗГР) как основного механизма развития трещин в циркониевых сплавах.
Известно, что циркониевые сплавы хорошо поглощают водород, который в зависимости от его концентрации и температуры находится в металле либо в растворенном состоянии, либо в виде твердых пластин гидридов циркония. При этом при его переходе в твердое состояние гидриды циркония располагаются в местах концентраторов напряжений, приводя к появлению и росту дефектов.
Водород в небольших количествах имеется в сплаве уже при изготовлении. Дополнительными источниками поступления водорода при эксплуатации каналов являются коррозионные процессы и процесс радиолиза теплоносителя.
7. Коррозионное состояние.
Коррозия циркониевого сплава, в основном, проходящая с внутренней стороны ТК, контактирующей с теплоносителем, оказывает влияние как на утонение стенки канала, так и на степень наводороживания металла.
При изготовлении ТК, в результате автоклавирования труба средней части покрывается тонкой, глянцевой пленкой черного цвета. Толщина окисла циркония при этом составляет 1-2 мкм. Такая пленка обладает защитными свойствами. По мере эксплуатации цвет, толщина и характер окисной пленки меняются от черного к серому. Появляются отдельные утолщенные пятна – нодули белого цвета, которые постепенно сращиваются, образуя в итоге неравномерную пленку окисла циркония, толщина которого может 100 микрон и более.
Структура пленки тоже изменяется от плотной крепко сцепленной с поверхностью металла до рыхлой слоистой, склонной к отслаиванию. Эта пленка белого цвета из-за отложения на ней окислов железа, привнесенных теплоносителем из других частей контура, становится коричневой или бурой.
Наличие окисной пленки и коррозионных железноокисных отложений существенно затрудняет контроль параметров трубы ТК.
В отличие от ТК, уровень коррозии труб каналов СУЗ существенно меньше.
8. Толщина металла трубы.
Знание толщины металла стенки ТК необходимо как для оценки запасов прочности, так и определения критической длины сквозной трещины. Ее измерение внутри реактора существенно затруднено наличием неравномерной пленки окисла циркония на внутренней поверхности ТК. Утонение стенки трубы ТК в процессе эксплуатации происходит в разные периоды времени с разными скоростями. Наибольшее внимание должно уделяться местам контакта дистанционирующих решеток ТВС с поверхностью ТК, где в результате фреттинг-коррозии утонение может достигать максимальной величины.
9. Толщина окисной пленки.
О характере окисной пленки было сказано при описании коррозионного состояния канала. Здесь же хотелось бы подчеркнуть, что измерение толщины окисной пленки может быть необходимым при внутриреакторном контроле, для более точной оценки "газового" зазора через расчет наружного диаметра ТК с использованием замеров внутреннего диаметра и толщины стенки.
10. Длина средней части.
Измерение этого параметра необходимо для оценки осевой деформации ползучести и определения имеющегося запаса хода сильфонного компенсатора.
Для ТК ход сильфонного компенсатора составляет 105 мм. Из них 63 мм – это температурное удлинение канала при разогреве, а остальное запас на допуски при изготовлении и монтаже и деформацию осевой ползучести.
Для ТК реакторов РБМК осевая ползучесть существенно меньше, однако существующий разброс текстурных характеристик требует тщательного контроля этого параметра, особенно, после 15-20 лет эксплуатации канала.
11. Стрела прогиба.
Отклонение от прямолинейности канала, как уже было сказано, определяет работоспособность внутриканальных устройств.
Стрела прогиба - это высота сегмента образованного осью искривленного канала и вертикалью. Второй характеристикой искривленного канала является его направление.
В исходном состоянии после монтажа реактора искривление канала определяется отклонением от прямолинейности самого канала и допусками на вварку трактов в металлоконструкции и монтаж самих металлоконструкций. Теоретически оно может быть до 5¸6 мм.
При эксплуатации основной причиной возникновения и роста искривления каналов может являться повреждение и деформация графитовых блоков кладки.
Схема конструкции барабана-сепаратора приведена на рисунке 6.
Рис. 6. Барабан-сепаратор (поперечный разрез): 1- входные патрубки пароводяной смеси; 2- короба; 3- погруженный дырчатый щит; 4- пароприемный потолок; 5- патрубок выхода сухого насыщенного пара; 6- коллектор питательной воды; 7- смесители; 8- патрубки отвода воды контура МПЦ реактора; а - выход острого пара; б - вход питательной воды; в - вход пароводяной смеси; г- выход воды контура МПЦ
Барабан-сепаратор выполнен в виде горизонтального цилиндрического сосуда из углеродистой стали Ст22К с плакировкой внутренней поверхности аустенитной нержавеющей сталью. Его внутренний диаметр – 2300 мм, длина – 31000 мм. Каждая пара барабан-сепараторов соединена между собой пятью паровыми и двумя водяными перемычками, выполненными из труб диаметром 300 мм.
Трубопроводы Ду 300 мм контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) изготовлены из аустенитной стали 08Х18Н10Т. При сварке трубопроводов Ду 300 мм в сварных соединениях образуются остаточные напряжения, которые в процессе эксплуатации являются источником зарождения межкристаллитной коррозии и образования трещин.
Электрическая мощность РБМК - 1000 МВт АЭС с реакторами РБМК составляют заметную долю в атомной энергетике. Так, ими оснащены Ленинградская, Курская, Чернобыльская, Смоленская, Игналинская АЭС.
Реакторы РБМК-1000 эксплуатируется в России на 11 энергоблоках. Первый энергоблок с реактором РБМК-1000 Ленинградской АЭС введен в эксплуатацию в декабре 1973 года. В настоящее время находятся в эксплуатации 4 энергоблока Ленинградской, 3 энергоблока Смоленской, 4 энергоблока Курской АЭС. Подготавливается к пуску 5-й энергоблок Курской АЭС. Реализуются мероприятия по продлению срока службы энергоблоков сверх проектного (30 лет).
В процессе эксплуатации реакторов РБМК они подвергаются модернизации и реконструкции, целью которых является повышение их безопасности и надежности. Результатом этих работ явилось существенное изменение реакторной установки по сравнению с первоначальным проектом. По физическим характеристикам это практически другой, более совершенный реактор, чем он был в 70-ых годах прошлого века.
Основными методами внутриреакторного обследования является осмотр, неразрушающая дефектоскопия и измерение размеров. Для выполнения этого контроля или, иными словами, для диагностики состояния конструкций на АЭС используется достаточно широкий набор приборов и оборудования. В случае если параметры состояния конструкций достигают предельно-допустимых значений, эти конструкции подвергаются ремонту или замене. В частности каналы реактора РБМК заменяются при обнаружении в них недопустимых дефектов или при исчерпании «газового» зазора.
Канальные ядерные реакторы эксплуатируются и за рубежом, в том числе в Канаде, Индии, Румынии и других странах. Построена большая серия канальных реакторов типа CANDU с тяжеловодным замедлителем. Один канальный реактор типа FUGEN (АТR) с тяжеловодородным замедлителем эксплуатируется в Японии. Эти два типа ядерных ректоров являются ближайшими аналогами реактора РБМК-1000.
К настоящему времени в России и за рубежом накоплен значительный опыт в диагностике и оценке состояния конструкций активных зон.
В Канаде контроль состояния топливных каналов реакторов CANDU проводится разрушающими и неразрушающими методами. Создана специализированная система комплексного контроля.
В Японии для контроля состояния труб давления создано оборудование для измерения внутреннего диаметра и толщины стенки, а также система ультразвуковой дефектоскопии металла. Производится также телевизионный осмотр внутренней поверхности труб давления.
Дата добавления: 2015-08-20; просмотров: 196 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Ядерные энергетические установки с реакторами ВВЭР | | | Ядерные энергетические установки с реакторами БН |