Geum.ru

Тепловыделяющие элементы ввэр-1000, изготовляемые на ОАО «мсз»

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
Тепловыделяющие элементы ВВЭР-1000,

изготовляемые на ОАО «МСЗ»


Енюшина Е.А.

ОАО «МСЗ», г. Электросталь


1 Введение

ОАО "Машиностроительный завод" – головное предприятие корпорации «ТВЭЛ» является одним из крупнейших предприятий в мире по производству топлива для активных зон ядерных реакторов различных типов. ОАО "МСЗ" изготавливает топливо для реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВК-50, РБМК-1000, РБМК-1500, БН-600, ЭГП-6, СМ-3 и для реакторных установок судов морского флота.

Поставка ТВС осуществляется на АЭС России, Украины, Армении, Литвы, Чехии, Венгрии, Словакии, Финляндии, Германии, Швеции, Швейцарии, Нидерландов.

ОАО «МСЗ» было первым предприятием, которое, начиная с 1975 года по 1978 год, создало производство ТВС для реактора ВВЭР-1000. Первая активная зона для реактора ВВЭР-1000 5 блока НВАЭС была изготовлена на ОАО “МСЗ”. В дальнейшем производство ТВС для реактора ВВЭР-1000 было передано на ОАО “НЗХК”.

Однако, в 1995 году министерство Российской Федерации по атомной энергетике, учитывая необходимость наличия параллельного поставщика ядерного топлива для действующих АЭС, решило возобновить производство топлива для реактора ВВЭР 1000 на ОАО “МСЗ”.

Принимая во внимание современные требования рынка ядерного топлива, а также требования заказчиков, инженерные службы ОАО «МСЗ» активно сотрудничали с отраслевыми НИИ и КБ, внедрили ряд усовершенствований, направленных на увеличение ресурса и повышения надёжности и безопасности тепловыделяющих сборок и, в частности, тепловыделяющих элементов.

Об основных путях совершенствования топлива и конструкции твэлов ВВЭР-1000 пойдет речь в основной части доклада.

2 Развитие конструкции и технологии изготовления

2.1 Конструкция

2.1.1 В конструкции твэл применяются

– контактно-стыковая сварка (КСС-2);

– пружинный фиксатор и проставка, позволяющие дистанционировать топливные таблетки;

– оболочка улучшенного качества;

– нижняя заглушка, реализующая цанговое крепление твэл к нижней решетке ТВС и позволяющая производить разборку в условиях стенда инспекции для замены дефектных твэл;

– топливная таблетка с уменьшенным диаметром центрального отверстия, что позволило увеличить загрузку топлива;

– увеличение длины топливного столба, позволяющее увеличить длительность топливной кампании, а также номинальной мощности энергоблоков при сохранении необходимого уровня теплотехнической надежности активной зоны;

– увеличение обогащения топливных таблеток до 5% по U-235;

– выгорающий поглотитель, интегрированный в топливные таблетки;

– таблетки из регенерированного топлива.

2.1.2 Унификация комплектующих для твэл является важной задачей. Особенности конструкции твэл ВВЭР-1000 и технологии производства твэл (наличие существующего парка оборудования и технологических линий на заводах-изготовителях ОАО «МСЗ» и ОАО «НЗХК»), привели к тому, что в конструкциях твэл применяется большая номенклатура комплектующих для однотипных изделий (таблетки, оболочки, заглушки, фиксаторы).

Постоянная поддержка производства данных комплектующих, а также оснастки и приспособлений для их производства, приспособлений для контроля приводит к дополнительным расходам на заводах-изготовителях комплектующих и твэл ВВЭР-1000, что увеличивает затраты и снижает, в конечном счете, эффективность производства.

Одним из принципиальных решений, обеспечивающих возможность унификации комплектующих, является реализация разделения и изготовления однотипных комплектующих на ОАО «ЧМЗ», ОАО «НЗХК» и/или ОАО «МСЗ». Реализация данного решения позволит существенно сократить издержки и трудоемкость производства, повысить его эффективность и качество изготовления твэл и их комплектующих, а также обеспечить гибкость технологического процесса и взаимозаменяемость комплектующих для различных типов твэл.

Для унификации предлагаются следующие комплектующие твэл:

– оболочечная труба;

– топливные таблетки – по чертежам главного конструктора-технолога ФГУП ВНИИНМ;

– пружинный фиксатор топливного столба (замена материала проволоки с ЭК-173ИД на более технологичную 12Х18Н9Т);

– нижняя заглушка;

– верхняя заглушка.

2.2 Технология изготовления

ОАО "МСЗ" имеет полный цикл производства ядерного топлива - от конверсии гексафторида урана в порошок двуокиси урана до изготовления ТВС.

Технология изготовления топлива складывалась годами и воплощает в себе огромный опыт. Наиболее перспективным направлением, с точки зрения обеспечения высокого качества продукции, является постоянное совершенствование имеющихся и разработка новых перспективных технологий. Если при этом технологии обладают высокой степенью автоматизации, что исключает влияние человеческого фактора на производство, то это дополнительно повышает его стабильность и уровень качества. В указанном направлении ОАО «МСЗ» выполняет значительный объем работ по технологии изготовления ТВС и ее компонентов. Высокая степень автоматизации и механизации производства, применение наиболее эффективных и надежных технологических процессов и приборов контроля и наличие собственного высокоразвитого инструментального производства обеспечивают получение стабильного высокого качества продукции.

Остановимся подробнее на некоторых аспектах совершенствования технологии изготовления твэл.

2.2.1 На протяжении многих лет операция контроля герметичности являлась главным препятствием на пути создания полностью автоматизированных линий производства твэлов.

Автоматизация операции контроля герметичности с предварительной сушкой является трудноразрешимой задачей и заключает в себе несколько проблем:

– в ритме автоматизированной линии (производительность не менее 1 шт/мин) необходимо провести полноценную операцию подготовки к контролю – сушку в течение не менее 40 минут при температуре 300…400С;

– контролю герметичности подвергнуть не только зоны сварных швов, но и оболочку изделий (контроль проводится в высоком вакууме).

Для решения задачи был проведен поиск нестандартных технических решений, на основе которых проведена разработка принципиально нового поколения автоматов контроля герметичности твэлов, обеспечивающих полную автоматизацию производства изделий с оболочками из циркониевых сплавов с повышенной достоверностью их контроля. При этом гарантируется выявление сквозных дефектов, сокращается площадь, занимаемая установкой контроля, в десятки раз сокращаются затраты электроэнергии, полностью исключается брак, связанный с механическими повреждениями изделий.

Не так давно, после проведения ряда работ и выпуска обоснования, для твэлов, изготовленных без проведения операций травления и анодирования, стало возможным проведение контроля герметичности при пониженной температуре оболочки твэла в зоне нагрева (не менее 160С). Также была снижена до 220…260С температура сушки перед контролем герметичности для данных твэлов.

2.2.2 В течение ряда последних лет проведен комплекс исследований, посвященных анализу факторов, влияющих на количество влаги в готовом твэл. В результате исследований было определено:

1. Основным источником остаточной влаги в готовом твэле является влага, сорбированная топливными таблетками. При этом ограничение максимальной открытой пористости топливных таблеток позволяет снизить до минимума количество влаги в готовом твэле.

2. Попадание влаги в полость твэла в количествах, существенно превышающих допустимые возможно только в результате:

– грубого нарушения технологического процесса;

– возникновения аварийных ситуаций, связанных с возможностью попадания воды на элементы технологического оборудования.

Применение автоматизированных линий и постоянный контроль за процессом изготовления и качеством продукции позволило решить эту проблему.

2.2.3 На ОАО "МСЗ" разработана технология изготовления твэлов различного типа, активная часть которых состоит из нескольких зон с разным содержанием U235, как с добавлением гадолиния, так и без него.

Производство организовано на автоматизированных модульных линиях.

При создании производства многозонных твэлов решены следующие задачи:

1. Согласованная работа всего комплекса снаряжения многозонных твэлов.

2. Выполнение специфических для многозонных твэлов требований: длина зон топливного столба; длина всего топливного столба; массы зон топливного столба; масса всего топливного столба; качество топливного столба; наличие проставки, изолирующей таблетки и пружины сжатия (фиксатора); длина компенсационного объема.

3 Модификации тепловыделяющих элементов ТВСА ВВЭР-1000

Современный рынок ядерного топлива характеризуется острой конкурентной борьбой, в условиях которой необходимо предлагать потребителям разнообразные виды топлива, способные обеспечить максимальную надежность, безопасность и эффективность. С целью повышения конкурентоспособности был разработан ряд модификаций тепловыделяющий элементов, часть которых уже установлена и успешно эксплуатируется в составе ТВС на первом блоке Калининской АЭС, а часть готовится в эксплуатации.

Остановимся более подробно на конкретных модификациях.

3.1 Твэл ТВСА-У

Габаритная длина увеличена на 150 мм по сравнению со штатным твэлом путем введения 2-х бланкетных зон (нижняя – 90 мм и верхняя – 60 мм), набранных из таблеток обогащением 0,5%. В твэле используется нижняя заглушка с защелкой, что позволит разбирать тепловыделяющую сборку. Бланкеты используются для того, чтобы не исказить поле энерговыделения в активной зоне. В перспективе предполагается заменить низко обогащенные таблетки на таблетки обычного обогащения, что позволит решить вопрос об увеличении номинальной мощности энергоблоков ВВЭР-1000 при сохранении теплотехнической надежности опытной зоны, при этом мощность блока может быть повышена до 103% - 105%.

Увеличение высоты активной части твэл также приводит при сохранении мощности блока к снижению удельного энерговыделения в АЗ, уменьшению линейной нагрузки (~4%) и соответствующему повышению запаса до кризиса теплоотдачи.

3.2 Твэл ТВСА-Т

Габаритная длина увеличена на 17 мм по сравнению со штатным твэлом путем использования удлиненной проставки. Предполагалось, что это конструктивное изменение позволит использовать твэлы на чешской атомной станции “Темелин”. В твэле используется нижняя заглушка с защелкой, что позволит разбирать тепловыделяющую сборку.

3.3 Твэл ТВСА-5

Используется топливо, обогащением 5% по U-235. Топливные таблетки с диаметром внутреннего отверстия 1,2 мм позволят увеличить загрузку UO2 до 500,6 кг на одну ТВС. Предполагается ТВС с твэлами ТВСА-5 эксплуатировать в условиях реактора в течении 5-ти лет.

Помимо этого на Калининской АЭС в составе опытной ТВСА установлены и успешно работают твэл с утоненной оболочкой, в которых использованы таблетки без центрального отверстия. В перспективе загрузка UO2 на одну ТВС, в которой топливные столбы всех 312 твэл будут набраны из таких таблеток, составит ~546 кг.

3.4 Твэл для ТВС АЭС «Темелин»

В 2006 году ОАО «ТВЭЛ» выиграл тендер на поставку ТВС на чешскую АЭС «Темелин». ОАО «МСЗ» и научные организации активно ведут работы с тем, чтобы в 2009 году изготовить первую загрузку для одного из блоков этой станции. Эксплуатация первой загрузки начнется в 2010 году. Уже разработаны макеты №1 и №2 твэл и эскизные чертежи твэл для предварительной отработки технологии.

Высота топливного столба твэл для ТВС АЭС «Темелин» будет составлять 3680 мм, включая верхний и нижний торцевые бланкеты по 150 мм каждый. Обогащение бланкетов уточняется при проведении нейтронно-физических расчетов. Нижняя и верхняя заглушки будут унифицированными. Проставка применятся не будет. Труба оболочки будет иметь шлифованную наружнюю и травленную внутреннюю поверхности.

4 заключение


Совершенствование конструкции и технологии изготовления, разработка новых модификаций твэлов альтернативной ТВС для ВВЭР-1000 позволят достигнуть таких показателей, как:

– повышение эксплуатационного ресурса и увеличение топливной кампании с целью обеспечения возможности применения гибких и перспективных топливных циклов на АЭС (4х295 эфф.сут., 4х320 эфф. сут., 3х350 эфф. сут., 3х475 эфф. сут., 5х320 эфф.сут.);

– увеличение глубины выгорания топлива;

– увеличение технико-экономических показателей топливного цикла;

– повышение надежности в процессе эксплуатации.

Несомненно, это повысит конкурентоспособность топлива ВВЭР-1000, производимого на ОАО «Машиностроительный завод».