СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА И ПОВЕДЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ТАБЛЕТОК В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
METHOD OF EVALUATING QUALITY AND BEHAVIOUR OF FUEL PELLETS UNDER VARIOUS MODES OF NUCLEAR REACTOR OPERATION

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в процессе производства и контроля качества керамического ядерного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
Как известно, в стационарном режиме работы реактора, в частности, происходит внутриреакторное радиационное уплотнение таблеток, изменение их микроструктуры, в основном рост размеров зерна, и усадка таблеток за счет присутствующих в спеченных таблетках нестабильных мелких пор.
2
В ряде работ ("Анализ уплотнения топлива", Комиссия по ядерному регулированию, США, Nureg Report-0085, 1976; "Приемлемая модель и связанные с ней статистические методы анализа уплотнения топлива", Комиссия по ядерному регулированию, США, REGULATORY GUIDE, 1.126, 1978; "Радиационное уплотнение топливных таблеток UO", Journal Nuclear Materials, 62 (1976), p.138-166) было показано, что имеется определенная корреляция между термическим и внутриреактивным уплотнением (при выгораниях от ≤5 МВт сут/т U до ≥2000 МВт сут/т U) и что, используя результаты тестирования таблеток на "доспекаемость", можно прогнозировать внутриреакторное уплотнение и усадку таблеток при работе реактора в стационарном режиме, причем в зависимости от величины изменений плотности и размеров таблеток при "доспекании" разработаны модели внутриреакторных изменений под облучением плотности и размеров таблеток ("Анализ уплотнения топлива", Комиссия по ядерному регулированию, США, Nureg Report-0085, 1976).
Много более сложной и важной представляется практически не решенная до сих пор задача прогнозирования поведения топлива в нестационарных режимах работы реактора, напрямую связанная с такими проблемами, как безопасность атомных станций, эффективность и экономичность их работы, получение топлива, удовлетворяющего по своим характеристикам условиям эксплуатации в нестационарных режимах работы реактора.
Известно, что одной из причин ухудшения радиационной обстановки на АЭС является разгерметизация твэлов. В свою очередь, одной из причин разгерметизации является нарушение целостности оболочки твэла за счет ее коррозионного растрескивания, термомеханического взаимодействия оболочки с топливом, ряда других причин, но особенно при растрескивании и полном разрушении топливных таблеток. Дело в том, что при разрушении таблеток снижается теплопроводность топлива, уменьшается теплопередача от топлива к оболочке, ведущая к перегреву топлива вплоть до его расплавления и отклонению параметров работы реактора от расчетных, происходят в местах зазоров между фрагментами таблеток и оболочкой локальные всплески мощности, ведущие к разрушению оболочки в местах наибольших зазоров. Кроме этого, в местах плотного контакта фрагментов разрушенных таблеток с оболочкой интенсифицируется механизм деформационного коррозионного растрескивания оболочки, ведущий к выходу радиоактивных продуктов деления из твэла в теплоноситель (Ф.Ран и др. "Справочник по ядерной знерготехнологии", под ред. В.А.Легасова, М., "Энергоатомиздат", 1989; И.Урсу, "Физика и технология ядерных материалов", М., "Энергоатомиздат", 1988; И.Х.Ганев, "Физика и расчет реактора", М., "Энергоатмиздат", 1992).
Известен способ создания и изучения изменений геометрических размеров топливных таблеток на специальном исследовательском аппарате, моделирующий изменения геометрических размеров таблеток в процессе эксплуатации ядерного реактора. При этом путем пропускания через таблетки электрического тока в них создавались температуры, с определенной погрешностью соответствующие температурам, при которых таблетки работают в реакторе. Возникающие при пропускании через таблетки электрического тока термомеханические нагрузки приводили к изменениям геометрических размеров таблеток и в ряде случаев к их фрагментации (разделению на фракции) [Buchner R., Experimente zum Dimensionsverhalten von Brennstofftabletten, Zentralinst. Kernforsch. Rosendorf (Dresden), 1988, №645, С.61].
Недостатком данного способа является невозможность моделирования в способе кинетики внутриреакторного уплотнения топлива, что существенно снижает степень корреляции между фактическими результатами изменения геометрических размеров таблеток при работе в реакторе и опытными результатами.
2
Известен способ оценки качества топливных таблеток - испытание на "доспекаемость", по которому судят о качестве топливных таблеток в процессе работы реактора. По данному способу испытание таблеток на "доспекаемость" проводят при температуре 1780°C, времени выдержки при данной температуре 33 часа во влажном водороде. О качестве таблеток судят по изменению их плотности в процессе испытания ("Метод изготовления устойчивых таблеток из UO", патент США №4.430.276, кл. G21С 21/00, заявл. Oct. 2, 1981, опубл. Feb, 1984).
Недостатком данного способа является относительно высокая длительность выдержки при максимальной температуре, необходимость строгого поддержания в процессе испытаний при температурах, близких к 1800°C, стехиометрического отношения кислород-уран (чтобы не было в процессе испытаний выделения свободного урана с последующим его гидрированием и, как следствие, микрорастрескиванием таблеток), высокая, близкая к критической (1800°C), температура испытаний, невозможность прогнозирования поведения таблеток в нестационарных режимах работы реактора.
2
2
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ оценки качества топливных таблеток, позволяющий в определенной степени оценивать качество и прогнозировать поведение таблеток при работе реакторов тепловых АЭС в стационарном режиме. По данному способу известным способом, например методом гидростатического взвешивания, определяют плотность спеченных таблеток или с использованием высокоточных мерительных устройств (с погрешностью измерения ±1…2 мкм) замеряют диаметры таблеток. Далее спеченные таблетки повторно подвергают термической обработке - "доспеканию" при температуре не менее 1700°C, но не более 1800°C (обычно 1700+25°C) в течение >24 часов или в чистом водороде, или в осушенных водородсодержащих смесях, например N-H, после чего повторно определяют ранее использованными методами или плотность, или величину диаметров и рассчитывают изменение или плотности, или диаметров. По величине изменений судят как о качестве таблеток (в частности, о количестве нестабильных мелких пор), так и о предполагаемом поведении таблеток в процессе стационарного режима работы реакторов тепловых АЭС ("Анализ уплотнения топлива", Комиссия по ядерному регулированию, США, Nureg Report-0085, 1976).
Недостатком данного способа является невозможность прогнозирования поведения таблеток в нестационарных режимах работы реактора и, вследствие этого, отсутствие данных для корректировки технологии изготовления таблеток с целью получения таблеток со свойствами, обеспечивающими их работу в реакторе в нестационарных режимах без разрушения.
Таким образом, все вышеуказанные способы не дают возможности прогнозирования с высокой степенью точности и достоверности поведения таблеток в нестационарных режимах работы реактора и моделирования кинетики их внутриреакторного уплотнения, коррелирования результатов контроля таблеток вышеуказанными способами с технологией их изготовления.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа оценки качества и поведения топливных таблеток в стационарном режиме, режиме маневрирования мощностью и режиме аварийных остановок реакторов тепловых АЭС, позволяющего оценить для таблеток с различными свойствами такие их важные, с точки зрения работы реактора, характеристики, как внутриреакторное изменение плотности и размеров в стационарном режиме работы реактора, спрогнозировать для этих таблеток их поведение и состояние на различных этапах работы реактора в режимах маневрирования мощностью и режимах аварийных остановок в течение всего времени нахождения таблеток в реакторе, вплоть до перегрузок топлива, а также спрогнозировать работу реактора в различных режимах при использовании в нем в качестве топлива таблетки с конкретными свойствами.
В результате решения данной задачи можно получить новые технические результаты, заключающиеся в:
- прогнозировании состояния таблеток с определенными свойствами на любом заданном этапе маневрирования мощностью реактора;
- прогнозировании состояния таблеток с определенными свойствами при любой заданной аварийной остановке реактора;
- прогнозировании состояния твзлов, снаряженных таблетками с определенными свойствами, на любом заданном этапе маневрирования мощностью реактора;
- прогнозировании состояния твэлов, снаряженных таблетками с определенными свойствами, при любой заданной аварийной остановке реактора;
- прогнозировании работы реактора в стационарном режиме, режиме маневрирования мощностью и режиме аварийных остановок при использовании в нем в качестве топлива таблеток с конкретными свойствами;
- оценке внутриреакторного изменения плотности и размеров таблеток в стационарном режиме работы реактора;
- получении данных о свойствах таблеток, обеспечивающих возможность их использования в качестве топлива в нестационарных режимах работы реактора.
Данные технические результаты достигаются тем, что в способе оценки качества и поведения топливных таблеток в стационарном режиме, режиме маневрирования мощностью и режиме аварийных остановок реакторов тепловых АЭС, включающем измерение геометрии и плотности спеченных шлифованных таблеток, проведение их повторной термической обработки, включающей стадию изотермической выдержки, с последующим определением изменений геометрии и плотности:
- в процессе повторной термической обработки на стадии изотермической выдержки моделируют путем проведения циклов охлаждения-нагрева таблеток либо режимы маневрирования мощностью реактора, либо режимы аварийных остановок реактора с последующей оценкой целостности таблеток;
- количеством циклов охлаждения - нагрева задают либо количество маневров мощностью реактора, либо количество аварийных остановок реактора в реальных условиях, при этом параметры циклов определяются параметрами моделируемых режимов.
Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в следующем.
Известные способы оценки качества и поведения топливных таблеток предполагают оценку качества и моделирование поведения таблеток только в стационарном режиме работы реактора.
В отличие от известных способов настоящий способ предполагает:
1. Проведение в процессе повторной термической обработки на стадии изотермической выдержки циклов охлаждения - нагрева таблеток, моделирующих либо режимы маневрирования мощностью реактора, либо режимы аварийных остановок реактора с последующей оценкой целостности таблеток.
2. Задание количеством циклов охлаждения - нагрева либо количества маневров мощностью реактора, либо количества аварийных остановок реактора в реальных условиях.
3. Моделирование параметрами циклов охлаждения - нагрева (скорость охлаждения, скорость нагрева, температура, до которой охлаждаются таблетки с температуры изотермической выдержки и др.) либо параметров режимов маневрирования мощностью реактора, либо параметров режимов аварийных остановок реактора.
Способ оценки качества и поведения таблеток осуществляется следующим образом.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Реализация описываемого способа может быть проиллюстрирована следующим образом.
От партии спеченных и шлифованных таблеток отбираем выборку в количестве до 150 таблеток и делим ее на три части - ~ по 50 таблеток. Оцениваем их внешний вид, определяем плотность и диаметр каждой таблетки. В специальных контейнерах таблетки (в количестве до 50 таблеток для каждого вида испытаний) загружаем в реторту печи для проведения повторной термической обработки, например в печь СШВЭ-1.2,5/25-И3. Для оценки поведения таблеток и изменения их свойств (плотности, геометрии) при работе реактора в стационарном режиме повторную термическую обработку проводим по следующему регламенту: нагрев в вакууме при остаточном давлении 5×10''4 мм рт.ст. со скоростью не более 10°С/мин до температуры 150±30°С, выдержка при температуре 150±30°С и вакууме 5×10''4 мм рт.ст. в течение 2 часов, продолжение нагрева в вакууме до температуры 1500…1550°С в течение 3-х часов, подача в реторту печи баллонной газовой смеси аргона с 7,0±2,0% об. водорода до избыточного давления смеси 0,1…0,2 атм, нагрев в газовой смеси при ее расходе 0,5…1,0 л/мин при избыточном давлении 0,1…0,2 атм в течение 0,5 часа до температуры 1725±25°С, выдержка при температуре 1725±25°С в газовой смеси при ее расходе 0,5…1,0 л/мин и избыточном давлении 0,1…0,2 атм в течение 24 часов, охлаждение в газовой смеси в течение 5 часов до температуры <50°С.
После окончания повторной термической обработки таблетки выгружаем из печи, проводим их визуальный осмотр, определяем плотность и замеряем диаметр каждой таблетки. Далее по изменению плотности или диаметра для каждой таблетки рассчитываем "доспекаемость" и сравниваем ее с нормативными значениями, оговоренными для каждого типа таблеток в соответствующей технической документации (ГОСТ, ТУ и др.). Так, "доспекаемость" по плотности рассчитываем по формуле 1:
где Δρ - "доспекаемость" по плотности, %;
о
3
ρ - плотность таблетки до термической обработки, г/см;
т
3
ρ - плотность таблетки после термической обработки, г/см.
"Доспекаемость" по диаметру рассчитываем по формуле 2:
,
где ΔD - "доспекаемость" по диаметру, %;
о
D - средний диаметр таблетки до термической обработки, мм;
т
D - средний диаметр таблетки после термической обработки, мм.
Таблетки считаем выдержавшими испытание, если рассчитанные по формулам N1 и N2 значения "доспекаемости" меньше соответствующих нормативных значений.
Для прогнозирования поведения таблеток в режиме маневрирования мощностью реактора (исходя из параметров режимов маневрирования мощностью того или иного конкретного реактора по данным соответствующих научно-технических источников) таблетки в количестве до 50 в специальном контейнере загружаем в реторту печи и по вышеизложенному регламенту нагреваем до температуры 1725±25°С. Далее после выдержки при этой температуре в течение не менее чем 0,5 часа проводим цикл "охлаждение-нагрев" таблеток со скоростью, определяемой режимом соответствующего маневра мощностью реактора, путем вначале снижения мощности печи, после чего повышая мощность печи, температуру в реторте вновь доводим до 1725±25°С. Во время снижения и повышения мощности в реторту печи подаем газовую смесь аргона с водородом в количестве не менее 4 л/мин для реализации эффекта повышенного отвода тепла с поверхности таблеток (получения градиента температур между наружными и внутренними слоями таблеток). При этом принимаем за 100% мощность печи, необходимую для поддержания в реторте печи температуры 1725±25°С, и считаем, что эта мощность соответствует 100% мощности реактора. Исходя из того, после какого маневра мощностью реактора, а также для какой величины изменения мощности при маневре, скорости изменения мощности во время маневра оцениваем состояние таблеток, соответствующей величиной изменений мощности печи, количеством и скоростью изменений моделируем соответствующие маневры мощностью реактора.
После проведения заданного количества моделирующих циклов "нагрев - охлаждение" температуру в реторте печи снижаем до <50°С, вскрываем печь и визуально проводим контроль внешнего вида таблеток. О качестве таблеток и их прогнозируемом состоянии после заданного количества маневров мощностью реактора судим по наличию или отсутствию разрушившихся таблеток.
Таблетки считаем выдержавшими испытание, если после проведения по соответствующим режимам заданного количества циклов "нагрев - охлаждение" они не разрушились.
Аналогично вышеизложенному, исходя из опубликованных данных по режимам имевших место в мировой практике аварийных остановок различных реакторов, проводим оценку качества и поведения топливных таблеток в режиме аварийных остановок реактора. При этом величиной изменения мощности печи, количеством и скоростью снижения мощности печи моделируем заданное количество и параметры аварийных остановок реактора. О качестве таблеток и их прогнозируемом состоянии после заданного количества остановок реактора в аварийном режиме судим по наличию или отсутствию разрушившихся таблеток.
Таблетки считаем выдержавшими испытание, если после проведения по соответствующим режимам заданного количества циклов "нагрев - охлаждение" они не разрушились.
В процессе практической реализации способа оценки качества и поведения таблеток в режиме маневрирования мощностью реактора было проведено для таблеток типа ВВЭР и РБМК более 70 испытаний, в ходе которых величина изменения мощности колебалась от 5% и до более 50%, скорость изменения мощности составляла от 0,05%/с до 2,5%/с, а количество изменений мощности (циклов "нагрев - охлаждение") в зависимости от величины и скорости изменения мощности в отдельном испытании составляло от 1 до 100.
При этом таблетки ряда партий вышеназванных испытаний не выдержали, причем их разрушение наступало после различного количества изменений мощности (от 1 до 100).
В процессе практической реализации способа оценки качества и поведения таблеток в режиме аварийных остановок было проведено для таблеток типа ВВЭР и РБМК более 25 испытаний, в которых скорость изменения мощности составляла от 2,5%/с до 50%/с.
При этом таблетки ряда партий вышеназванных испытаний не выдержали, причем их разрушение наступало после различного числа аварийных остановок (от 1 до 25), что явилось следствием их низкой стойкости к термоциклированию, обусловленной комплексом качественных характеристик таблеток.
Анализ результатов оценки качества и поведения топливных таблеток в стационарном режиме, режиме маневрирования мощностью и режиме аварийных остановок реакторов тепловых АЭС показывает, что предлагаемый способ позволяет с учетом опыта эксплуатации реакторов тепловых АЭС и известных теоретических разработок:
- прогнозировать состояние таблеток с определенными свойствами на любом заданном этапе маневрирования мощностью реактора;
- прогнозировать состояние таблеток с определенными свойствами при любой заданной аварийной остановке реактора;
- прогнозировать состояние твэлов, снаряженных таблетками с определенными свойствами, при любом заданном этапе маневрирования мощностью реактора;
- прогнозировать состояния твэлов, снаряженных таблетками с определенными свойствами при любой заданной аварийной остановке реактора;
- прогнозировать работу реактора в стационарном режиме, режиме маневрирования мощностью и режиме аварийных остановок при использовании в нем в качестве топлива таблеток с конкретными свойствами;
- оценивать внутриреакторные изменения плотности и размеров таблеток в стационарном режиме работы реактора;
- получать данные о свойствах таблеток, обеспечивающих возможность их использования в качестве топлива в нестационарных режимах работы реактора.
Таким образом, предлагаемый способ обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с известными сейчас способами оценки качества и поведения топливных таблеток при работе реакторов тепловых АЭС в части внереакторных испытаний различного типа таблеток путем проведения по специальному регламенту повторной термической обработки спеченных таблеток, обеспечивая с высокой степенью надежности и достоверности прогнозирование их поведения в различных режимах работы реактора, а также получение данных о свойствах таблеток, обеспечивающих возможность их использования в качестве топлива в том или ином режиме работы реактора.