Модель давления газов под оболочкой твэлов ВВЭР-1000 после эксплуатации

18.03.2024 2024 - №01 Моделирование процессов в объектах ядерной энергетики

А.А. Боков С.В. Павлов П.А. Ильин В.Г. Теплов

https://doi.org/10.26583/npe.2024.1.12

В работе обобщены и проанализированы данные результатов послереакторных исследований давления и состава газов под оболочкой более чем 300 твэлов ВВЭР-1000 различного конструктивного исполнения из состава 26-ти тепловыделяющих сборок, эксплуатировавшихся на различных АЭС. По конструктивному исполнению (диаметр топливной таблетки и центрального отверстия в ней, толщина стенки оболочки) все твэлы разделены на три группы. Выгорание топлива в исследованных твэлах находится в диапазоне от 16 до 72 МВт·сут/кгU. Показано, что для каждой группы твэлов давление газа под оболочкой увеличивается с ростом выгорания топлива и в исследованном диапазоне выгораний хорошо аппроксимируется линейными зависимостями. Скорость увеличения давления для твэлов с утоненной оболочкой и топливной таблеткой диаметром 7,8 мм без центрального отверстия (первая группа твэлов) больше, чем для твэлов со штатной оболочкой и с таблетками, имеющими центральное отверстие (вторая и третья группы твэлов). Разработана феноменологическая модель давления газа под оболочкой твэлов после их эксплуатации. В основу модели положены закон Дальтона для смеси газов и эмпирические зависимости изменения свободного объема твэлов и количества криптона и ксенона под оболочкой твэлов от выгорания топлива. Показано, что для каждой группы твэлов количество газообразных продуктов деления ядерного топлива (ксенон и криптон), вышедших под оболочку, хорошо описывается соответствующей конкретной группе твэлов степенной функцией от выгорания топлива. Расчеты давления газа по феноменологической модели показали, что для каждой группы твэлов начиная с выгорания ~ 55 МВт·сут/кгU скорость роста давления в них начинает увеличиваться при повышении выгорания. Для экспериментального подтверждения этого эффекта необходимо провести дополнительные исследования твэлов с повышенным выгоранием топлива. Разработанная феноменологическая модель может быть использована для верификации расчетных кодов, описывающих поведение твэлов ВВЭР-1000 при штатной эксплуатации в реакторе и при длительном «мокром» и «сухом» хранении отработавших ТВС.

Ссылки

1. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии «Основные требования к обоснованию прочности и термомеханического поведения тепловыделяющих сборок и тепловыделяющих элементов в активной зоне водо-водяных энергетических реакторов» (НП-094-15). Москва, 2016.
2. Фадин С.Ю., Мурашов В.Н., Яковлев В.В. Экспериментальное исследование давления в твэлах контейнерного типа с топливом из двуокиси урана. Препринт ИАЭ-4133/4. – Москва, 1985. – 15 с.
3. Плясов А.А. Механизмы деградации свойств оболочек твэлов тепловых реакторов в условиях сухого контейнерного хранения. // ВАНТ. Серия: Материаловедение и новые материалы. – 2019. – № 4 (100). – С. 144 – 159. Электронный ресурс: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_44630380_16352517.pdf/ (дата доступа 01.07.2023).
4. Лиханский В.В., Алиев Т.Н., Колесник М.Ю., Хоружий О.В., Зборовский В.Г., Евдокимов И.А., Сорокин А.А., Улыбышев К.Е., Гурович Б.А., Забусов О.О., Журко Д.А., Фролов А.С., Звир Е.А., Ильин П.А. Моделирование механических свойств твэльных оболочек для условий сухого хранения / Тезисы докладов XI конференции по реакторному материаловедению, посвященной 55-летию отделения реакторного материаловедения АО «ГНЦ НИИАР». – г. Димитровград, 2019. С. 93 – 94.
5. Bratton R.N., Jessee M.A., Wieselquist W.A. Rod Internal Pressure Quantification and Distribution Analysis Using FRAPCON. Oak Ridge National Laboratory Report No. ORNL/TM-2015/557. – 2015. – 61 p.
6. Feria F., Herranz L.E. Internal pressure of spent PWR fuel rod at high burnup: prediction enhancement through FRAPCON-3.5 uncertainty analysis. / Top Fuel conference proceeding, part 2. – 2015. – P. 194 – 203.
7. Demyanov P.G., Kuznetsov V.I., Novikov V.V., Zvir E.A., Zhitelev V.A. UO2 and UO2-Gd2O3 Fuel Rods of VVER-1000 Size Change Modeling / Proceedings of the 13th International Conference on WWER Fuel Performance, Modelling and Experimental Support. – Nesebar, Bulgaria, 15 – 21 September 2019. – PР. 326 – 332.
8. Щеглов А.С. Разработка методик, моделей и инженерных программ расчета теплофизических параметров твэла ВВЭР. – Автореф. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук. – М., 2008. – 27 с.
9. Пассаж Г., Стефанова С., Щеглов А.С., Проселков В.Н. Сопоставление результатов расчета и послереакторных исследований твэлов ВВЭР-1000 выгоранием 49 МВт·сут/кг. // Атомная энергия. – 2006. – Т. 101, – № 6. – С. 413 – 420.
10. Порядок проведения экспертизы программ для электронных вычислительных машин, используемых в целях построения расчетных моделей процессов, влияющих на безопасность объектов использования атомной энергии и (или) видов деятельности в области использования атомной энергии: утв. Приказом Ростехнадзора от 30.07.2018 № 325 (зарегистрирован в Минюсте России 12.11.2018 № 52650).
11. Богдан С.Н., Жылмаганбетов Н.М., Козлова Н.А., Понизов А.В., Шарафутдинов Р.Б., Шевченко Р.А., Шевченко С.А., Яшников Д.А. Актуальные вопросы экспертизы программ для электронных вычислительных машин, применяемых при обосновании безопасности объектов использования атомной энергии. // Ядерная и радиационная безопасность. – 2022. – № 2 (104). – С. 31 – 49. DOI: https://doi.org/10.26277/SECNRS.2022.104.2.002
12. Kileen J.C., Turnbull J.A., Sartori E. Fuel Modelling at Extended Burnup: IAEA Coordinated Research Project FUMEX-II. / Proceeding of the 2007 International LWR Fuel Performance Meeting. – San Francisco, California, September 30 – October 3, 2007. – Paper 1102.
13. Боков А.А., Павлов С.В., Теплов В.Г. Особенности изменения свободного объема твэлов ВВЭР-1000 в зависимости от выгорания топлива. // ВАНТ. Серия: Ядерно-реакторные константы. – 2023. – Вып. 1. – С. 159 – 169. Электронный ресурс: https://vant.ippe.ru/images/pdf/2023/issue2023-1-159-169.pdf/ (дата доступа 01.07.2023).
14. Пимонов Ю.И., Булыгин В.А., Дворецкий В.Г. Методические аспекты измерения количества и состава газа под оболочкой облученных твэлов. // Сборник трудов АО «ГНЦ НИИАР». – 1998. – №1. – С. 37 – 41.
15. Гуров К.П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов (физические основы). М.: Изд-во «Наука», 1978. – 128 с.
16. Дмитриев Д.В., Гончар Н.И., Жилкин А.С. Моделирование выхода и распределения стабильных газообразных продуктов деления в герметичном твэле контейнерного типа. // ВАНТ. Серия: Ядерно-реакторные константы. – 2022. – № 2. – С. 53 – 60. Электронный ресурс: https://vant.ippe.ru/images/pdf/2022/issue2022-2-53-60.pdf/ (дата доступа 01.07.2023).
17. Struzik C., Garcia Ph., Noirot L. A comparative study of fission gas behaviour in UO2 and MOX fuels using the meteor fuel performance code. / Fission Gas Behaviour in Water Reactor Fuels Seminar Proceeding. – Cadarache, France, 2000. – PР. 511 – 522.
18. Noirot J., Desgranges L., Marimbeau P. Contribution of the RIM to the overall fission gas release: what do isotopic analyses reveal? / Fission Gas Behaviour in Water Reactor Fuels Seminar Proceeding. – Cadarache, France, 2000. – PР. 223–234.
19. Bernard L.C., Jacoud J.L., Vesco P. FRAMATONE analysis of fission gas release and related topics. / Fission Gas Behaviour in Water Reactor Fuels Seminar Proceeding. Cadarache, France, 2000. – P. 463 – 478.
20. Bibilashvili Yu.K., Medvedev A.V., Khvostov G.A., Bogatyr S.M., Korystine L.V. Development of the fission gas behaviour model in the START-3 code and its experimental support. / Fission Gas Behaviour in Water Reactor Fuels Seminar Proceeding. Cadarache, France, 2000. – PР. 407 – 431.

тепловыделяющий элемент выгорание ядерное топливо водо-водяной энергетический реактор давление газа модель

Ссылка для цитирования статьи: Боков А.А., Павлов С.В., Ильин П.А., Теплов В.Г. Модель давления газов под оболочкой твэлов ВВЭР-1000 после эксплуатации. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2024. – № 1. – С. 147-158. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2024.1.12 .