Совершенствование контроля герметичности твэлов при эксплуатации энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000

УДК 621.039:621.311.25

П.Д. Славягин, В.А. Хрусталев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ТВЭЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОБЛОКОВ АЭС С ВВЭР-1000

Рассмотрены вопросы совершенствования контроля герметичности твэлов при эксплуатации энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000. Предполагаемая система контроля осуществляется в машине перегрузочной и служит для оперативного определения тепловыделяющей сборки (ТВС), содержащих негерметичные твэлы, в процессе операции транспортирования их при перегрузках топлива. Оценены системные факторы: рост КИУМ, снижение риска, уменьшение дозовых нагрузок на персонал.

P.D. Slavjagin, V.A. Khroustalev

ENHANCING THE HERMETIC CONTROL OF URANIUM FUELS UNDER EXPLOITATION NPS WITH WWER-1000

The article presents the main ways of enhancing the hermetic control of uranium fuels under exploitation NPS with WWER-1000. The system considered in the article is applied to the reloading machine and is meant for finding uranium fuel assemblies, containing non-hermetic fuels in the process of reloading. The following factors are estimated: the growth of yearly operating load capacity factor, the decrease of risk, the decrease of personnel exposure.

Важнейшие вопросы сегодня, решение которых позволяет поднять конкурентоспособность АЭС с ВВЭР - повышение их эксплуатационной безопасности и готовности. Во многом эта двуединая задача определяется качеством и скоростью контроля герметичности оболочек твэлов. Рост качества и объемов контроля твэлов снижает риск возникновения ра-диационно опасной обстановки в реакторном отделении и на АЭС, снижение времени контроля позволяет сократить сроки простоев блока при совмещенных ремонтах и перегрузках по условиям операций с топливом, и в целом, дает потенциальную возможность достижения более высоких коэффициентов использования установленной мощности (КИУМ).

Предлагаемая система контроля герметичности оболочек твэлов в машине перегрузочной (СКГО МП) предназначена для оперативного определения ТВС содержащих негерметичные твэлы, в процессе операции транспортирования их при перегрузках топлива. СКГО МП не заменяет КГО оболочек твэлов при проверке негерметичных ТВС на отказ в пеналах штатной системы обнаружения дефектов сборок (СОДС).

Система КГО МП состоит из двух частей - механической и технологической. Коммутация указанных частей осуществляется гибкими шлангами, входящими в состав технологической части СКГО МП (см. рисунок).

Механическая часть (далее - МЧ СКГО МП) включает в себя: барботажный трубопровод с форсункой; пробоотборный трубопровод. Оборудование МЧ СКГО МП размещается на секциях рабочей штанги МП.

Технологическая часть (далее - ТЧ СКГО МП) включает в себя: агрегатную сборку с размещенными в ней блоком подготовки сжатого воздуха, блоком отбора и измерения активности газовой пробы, арматурным блоком и штуцерами линии подачи сжатого воздуха на барботаж и линии подачи газовой пробы в блок изменения активности; блок обработки и передачи данных; устройство управления, обработки и отображения данных.

Комплект трубопроводов МЧ СКГО МП обеспечивает: подачу барботажного воздуха под хвостовик ТВС, помещенной в рабочую штангу МП в транспортное положение; подачу газовой пробы в блок контроля.

Блок подготовки сжатого воздуха обеспечивает подачу необходимого количества воздуха для барботирования объема штанги МП.

Блок отбора и измерения активности газовой пробы обеспечивает: забор воздуха из верхней полости рабочей штанги; измерение объемной активности газообразных продуктов деления (Хеш) в газовой пробе.

Блок обработки и передачи данных необходим для: непосредственного управления исполнительными элементами СКГО; обработки результатов измерений; передачи данных в устройство управления, обработки и отображения данных.

Блок управления и отображения информации служит для: управления СКГО в ручном режиме работы; приема и передачи данных и команд от УВК СУМП в автоматическом режиме работы СКГО; представления информации о ходе и результатах контроля оператору СКГО; записи результатов КГО на жестком диске.

Агрегатная сборка

Пультовая МП

Структурная схема СКГО МП

Испытания прототипа установки проводились во время ППР 4-го блока Балаков-ской АЭС в период с 6 по 8 июня 2001 г. Полностью работа КГО МП осуществлена во время ППР 2002 г.

ТВС извлекалась из активной зоны в рабочую штангу перегрузочной машины и поднималась в транспортное положение. Из-за изменения давления вследствие подъема ТВС продукты деления, накопленные под оболочками негерметичных твэлов, переходили в воду, заполняющую внутреннюю полость рабочей штанги перегрузочной машины. После подъема ТВС в транспортное положение производилось кратковременное барботирование объема рабочей штанги воздухом для сепарации из воды газообразных продуктов деления.

Управление процессом проверки осуществлялось с помощью контролера блока управления нажатием кнопки «Пуск». Проверялась также работа системы в режиме ручного управления нажатием соответствующих кнопок на пульте управления для включения-отключения питания исполнительных механизмов. Кроме того, в системе была предусмотрена возможность ручного открытия соответствующих вентилей.

Воздух подавался из ресивера открытия электромагнитного клапана через воздуховод (импульсную трубку) в специальное поворотное устройство, расположенное на наружной секции рабочей штанги МП в нижней ее части. Срабатывание поворотного устройства разворачивало соединенную с ним форсунку из транспортного положения на торце наружной секции в положение, при котором конец форсунки располагается на оси рабочей штанги. При этом воздух из выходного отверстия форсунки попадал в воду под помещенную в рабочую штангу ТВС. Воздух, всплывая в виде пузырей, проходил через ТВС, извлекал из воды газообразные продукты деления и скапливался в объеме между средней и внутренней секциями МП выше уровня воды бассейна перегрузки, откуда затем производился отбор газовой пробы.

Отбор газовой пробы производился путем включения воздушного насоса, расположенного на стойке блока отбора проб. Там же размещался компрессор с ресивером. Блок отбора соединен со штангой МП гибкими шлангами для барботажа и отбора газовой пробы и размещен на тележке моста МП. Линия отбора газовой пробы соединяла блок отбора с объемом между средней и внутренней секциями, в котором скапливался воздух после барботиро-вания ТВС. Газовая проба отбиралась в специальную емкость (полиэтиленовый сильфон), расположенную на стойке.

Работа поворотного устройства контролировалась телекамерой МП с выводом изображения на монитор, расположенный на пульте МП. Работа устройства была записана на видеокассету. За все время испытаний было проведено более 50 циклов срабатывания поворотного устройства. Устройство выполнило свои функции безотказно.

Наладка и испытания системы КГО МП были проведены во время ППР 4-го блока Ба-лаковской АЭС в период с 6 по 8 июня 2001 г. Программа испытаний включала следующее: испытание работы поворотного устройства и системы отбора газовой пробы; проверка представительности барботажа; проведение КГО 4 ТВС; определение оптимального объема бар-ботажного воздуха и момента отбора газовой пробы (при проведении КГО вышеперечисленных ТВС); определение остаточного загрязнения трубопроводов отбора газовой пробы после проверки негерметичных ТВС.

Представительность барботажа проверялась подачей на барботаж воздуха, содержащего радиоактивный ксенон-133. В рабочей штанге находился имитатор ТВС. После проведения барботажа в пробе воздуха был обнаружен ксенон-133. Этим было доказано, что часть барботажного воздуха после прохождения через ТВС попадает в тот объем, из которого производится пробоотбор.

Проверка ТВС проводилась через 40 суток после остановки реактора после выгрузки всех ТВС из активной зоны и проверки в пеналах штатной системы СОДС.

В процессе контроля ТВС была проведена отработка режима пробоотбора.

ТВС были отобраны по результатам КГО в пеналах системы СОДС. Эти ТВС идентифицированы как негерметичные по «штатным» изотопам: йод-131 и цезий-137, кроме того, в пробах воды из пеналов обнаружен и ксенон-133. При контроле герметичных ТВС ксенон-133 не обнаруживался.

Сравнительные результаты контроля обоими методами показали хорошую сходимость результатов при безусловных преимуществах КГО МП.

Внедрение системы КГО МП позволит:

- проводить контроль герметичности каждой перегружаемой ТВС и выявлять негерметичные ТВС перед проверкой в стационарных пеналах СОДС, если такая проверка требуется инструкцией по КГО;

- повысить безопасность при перегрузке ТВС за счет уменьшения количества транспортных операций с ТВС;

- сократить общее время перегрузки за счет уменьшения количества ТВС, проверяемых в пеналах СОДС;

- сократить потребность в чистой борированной воде (не менее 1 м на проверку одной ТВС в пенале СОДС) и снизить соответствующее количество жидких радиоактивных отходов;

- уменьшить дозовые нагрузки на персонал АЭС.

Системную оценку эффективности КГО МП проведем в отношении трех основных преимуществ: 1) возможный рост КИУМ; 2) повышение эксплуатационной безопасности; 3) уменьшение дозовых нагрузок на персонал энергоблока.

Рост КИУМ. Повышение КИУМ определяется в зависимости от сокращения длительности ремонтов по формуле

nT ф

КИУМ = - эф

пТэф + (п -1)СР + КР

где п - кратность загрузок топлива в цикле; Тэф - эффективная кампания загрузки в стационарном режиме, сут.; СР, КР - длительность средних и капитальных ремонтов, сут.

Сокращая за счет использования КГО МП длительность СР и КР всего на 10%, получим повышение КИУМ на 1^1,5% в зависимости от исходных условий.

Так, при п=3, СР=45 сут., КР=75 сут. при относительно коротких кампаниях (Тэф=300 сут.) снижение длительности СР и КР на 4,5 и 7,5 суток позволит поднять КИУМ с

0,845 до 0,8588, а при Тэф=400 сут. - с 0,8791 до 0,9802. Эти последние значения характерны как средние для французских АЭС с PWR. При оценке системного эффекта «вытеснения» газа с внутреннего энергетического рынка эффект составит при Ця=450 руб/т у.т., Цг=1200 руб/т у.т. при КПД АЭС и ТЭС соответственно 33% и 41%.

Э = Nуст АКИУМ  8760  [ь™  Ц, - Ь^Э  Ц,) ,

где ЬдЭ°, Ь^ - удельные расходы условного топлива на отпуск 1 кВт-ч электроэнергии, кг у.т./кВт-ч.

Оцененная таким образом величина эффекта может составит от 16 до 25 млн. рублей в год по блоку 1000 МВт.

Повышение безопасности эксплуатации и снижение риска.

Примем следующие исходные данные для сопоставления обычной процедуры КГО и КГО МП, с учетом [1] и имея в виду сокращение транспортных операций с ТВС на каждом блоке в среднем на 30% (см. таблицу).

Исходные данные для учета повышенной безопасности КГО МП*

Вероятности ядерноопасных аварий, 1/бассейнгод Ожидаемый ущерб единичной аварии с падением ТВС в бассейн, тыс. руб/событие Обоснование

I Л1 = 2 • 10-4 ЗУщ = 0,75106 разнос активности с топливом через днище бассейна при проплавлении фундамента и через фильтр-вентилятор

II Л2 = 1,410-4 то же то же

* в ценах до 1990 г.

Принимая коэффициент перехода к современным ценам Куд=30, получим АК=ЗуЩ^АЬКуг, или примерно 1,5 млн. руб./реакт.-год.

Уменьшение дозовых нагрузок на персонал. Для расчета этой составляющей эффекта используем данные по дозозатратам, структурированным по конкретному персоналу энергоблока АЭС с ВВЭР-1000 [1], а также норматив НРБ-99. Согласно НРБ-99, облучение в коллективной эффективной дозе в 1 чел.-Зв приводит к потенциальному ущербу, равному потере 1 чел.-года (недожитие). Величину денежного эквивалента потери 1 чел/года жизни населения устанавливается не менее 1 среднегодового душевого национального дохода. По аналогии с [2] примем социальный множитель Ксоц=10^20. Средняя оценка эффекта КГО МП при экономии 30% суммарных дозозатрат по топливному хозяйству блока составит ~ 400 тыс. рублей.

Таким образом, наиболее значительным фактором, влияющим на эффект от применения КГО МП, является рост достижимого КИУМ на 1^1,5%. Совместный учет этого фактора, а также снижение риска аварий при топливотранспортных операциях и уменьшение дозозатрат персонала показывает возможность достижения экономии от 17,5 до 26,5 млн. рублей на один энергоблок АЭС с ВВЭР-1000. Это эквивалентно экономии 4-5 ТВС свежего топлива. Для учета других преимуществ КГО МП (качество контроля, большие объемы, снижение жидких РО) необходимы дополнительные исследования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Осадчий А.М. Повышение эффективности и безопасности АЭС с ВВЭР совершенствованием поглощающих материалов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саратов, 2001. 20 с.

2. Басов В.И., Хрусталев В. А. Снижение риска АЭС для персонала и населения. Саратов: СГТУ, 2003. 140 с.

Славягин Павел Дмитриевич -

научный сотрудник РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва

Хрусталев Владимир Александрович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Тепловые электрические станции» Саратовского государственного технического университета