КОНТРОЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЭЛОВ ОДНОЙ ИЗ ШТАТНЫХ ТВС ЗОНЫ БОЛЬШОГО ОБОГАЩЕНИЯ ПОСЛЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ТРЕТЬЕЙ МОДЕРНИЗАЦИИ РЕАКТОРА БН

Работа посвящена послеэксплуатационному контролю состояния эле-ментов штатной ТВС ЗБО № 2026 6473 09, отработавшей ресурс 704,1 эф-фективных суток в активной зоне 01М2 третьей модернизации реактора БН-600. Представлены данные по геометрическим особенностям ТВС и твэлов, условиям их облучения. Получены результаты формоизменения и распуха-ния твэлов, а также физико-механических параметров и металлографических исследований. ...

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Геометрические особенности ТВС 7
2. Условия облучения 10
3. Физико-химические факторы, определяющие работоспособность ТВС 19
4. Формоизменение твэлов 22
5. Материаловедческие исследования твэлов 12 и 64 28
5.1. Определение механических свойств при испытаниях кольцевых образцов 30
5.2. Определение механических свойств на трубчатых образцах 33
5.3. Гидростатическое определение плотности 36
5.4. Результаты металлографических исследований 38
6. Обсуждение результатов 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 43
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Рациональное природопользование и охрана окружающей среды 45
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Безопасность проекта 58

На основании накопленного опыта эксплуатации и исследований раз-нообразных конструкций штатных ТВС активных зон 01, 01М, 01М1, 01М2 реактора БН-600[1-4] появилась уверенность в том, что сталь ЧС68-ИД х.д., из которой до сего времени изготавливается наиболее критичный элемент - оболочка твэлов, обладает значительным ресурсом работоспособности до более высоких повреждающих доз и выгорания оксидного топлива.
В этих условиях, в соответствии с требованиями правил ядерной без-опасности реакторных установок атомных станций, потребовалась новая бо-лее оперативная методология контроля и испытаний твэлов в процессе изго-товления и после эксплуатации в реакторе. Такая методология [7] была раз-работана на основе уже опробованной ранее практики принятия частных решений по шаговому увеличению длительно сти отдельных МК реактора БН-600 и успешно применяется в настоящее время. Методология заключает-ся в послеэксплуатационном контроле работоспособности наиболее предста-вительных ТВС всей активной зоны, в состав которых входят твэлы с обо-лочками, изготовленными из:
- штатных материалов по штатным технологическим схемам и режи-мам (штатные ТВС);
- штатных и улучшенных промышленных сталей по штатным и улуч-шенным технологическим режимам (реперные ТВС – штатные ТВС);
– экспериментальных материалов и штатных сталей (комбиниро-ванные ТВС - КТВС);
– перспективных экспериментальных материалов в соответствии с вновь разработанными технологическими режимами (опытные ТВС - ОТВС).
Методология включает в себя сопровождение истории проектирова-ния и изготовления ТВС, условий их реакторных испытаний, массового не-разрушающего контроля твэлов в «горячей» камере БН-600 и послереак-торных исследований в ИРМ, установления пределов и критериев безопас-ной эксплуатации ТВС промышленного реактора, выдачи рекомендаций по дальнейшему повышению ресурсных характеристик ТВС и АкЗ в целом. Достаточно подробно методология ПЭКРС изложена в работах [8, 9].
Настоящая работа посвящена результатам послеэксплуатационного контроля работоспособности очередной штатной зав. № 2026 6473 09 (далее ТВС 6473), выбранной по признаку максимальных значений повреждающей дозы и выгорания топлива для штатных сборок изготовления 2009 года, от-работавших в ЗБО 01М2.
Целями ПЭК работоспособности данной ТВС являются подтвержде-ние данных по формоизменению оболочек из стали ЧС68-ИД х.д., получен-ных ранее на Белоярской АЭС. По результатам этих исследований прово-дится оценка остаточного ресурса безопасной эксплуатации твэлов после установленного проектом АкЗ 01М2 ресурса по критерию допустимого формоизменения твэлов (dэф/d0

1 видно, что минимальное изменение эффективного диаметра оболочек составило 0,42 % (твэл № 127), максимальное - 1,40 % (твэл № 12), при среднем по всем твэлам 0,87±0,26 % в сечении на 100±39 мм ниже центра активной зоны. Этому сечению соответствуют значения номинальных температур оболочек твэлов 464±12 °С и повреждающей дозы 54,2±8,5 сна. Среднее удлинение твэлов составило 0,32±0,11 %, максимальная овализация оболочек твэлов -104 мкм (твэл № 45), минимальная -21 мкм (твэл № 100). Профилограммы твэлов со средним и максимальным изменениями эффективного диаметра приведены на рисунках 4.2, 4.3. Кривые изменения эффективного диаметра оболочек твэлов, температуры оболочек и повреждающей дозы по высоте активной зоны, усредненные за время эксплуатации, представлены на рисунке 4.5.Рисунок 4.1 - Внешний вид пучка твэлов ТВС 6473 без чехловой трубыРисунок 4.2 – Профилограмма твэла № 64Рисунок 4.3 – Профилограмма твэла № 12Рисунок 4.4 – Диаграммы аксиального и радиального относительного изменения диаметра твэла № 12 на координате максимальной овализации Рисунок 4.5 – Изменение эффективного диаметра, повреждающей дозы и номинальной температуры твэлов ТВС 6473Материаловедческие исследования твэлов 12 и 64После поступления твэлов ТВС № 2026 6473 09 в ИРМ были проведены неразрушающие исследования двух твэлов № 12 и № 64 [13]. Целью этих исследований является оценка состояния твэлов, определение физико-механических свойств, включая измерение распухания, исследование коррозионного состояния материала оболочек твэлов.Таблица 5.1 - Характеристики облучения твэлов №12, 64По характеристикам условий облучения твэлов (распределению дозы, температуры и выгорания по высоте активной зоны) и результатам неразрушающего контроля были разработаны схемы вырезки из твэлов образцов для дальнейших послереакторных исследований. В качестве базовой информации использовалось распределение температуры облучения по длине оболочки твэла. При разработке схем разделки твэлы условно разбивались на участки (зоны) с одинаковой температурой облучения (метод изотерм). Из каждой зоны осуществлялась вырезка образцов для одинаковых видов исследований:кольца высотой 2,5 мм для механических испытаний;образцы высотой 10 мм для металлографических исследований оболочки и взаимодействия топливной композиции с оболочкой;образцы высотой 31 мм для определения характеристик упругости, плотности и распухания оболочки, из которых впоследствии изготавливаются трубчатые образцы длиной 15 мм для механических испытаний внутренним давлением пластичного заполнителя.Определение механических свойств при испытаниях кольцевых образцовКратковременные механические свойства при одноосном растяжении определяли на кольцевых образцах высотой 2,5 мм при температурах 20, 400, 600 С. Испытания образцов проводили на разрывной машине 1236 в КГ-6, скорость перемещения активного захвата составляла 1 мм/мин. Точность поддержания заданной температуры не хуже + 5 C. Измерение растягивающей нагрузки осуществлялось с помощью силоизмерительного датчика ДСТ-9035 № 239, градуировка которого выполнена с помощью образцового динамометра ДОСМ-3-1 № 64. Точность определения нагрузки не хуже 1% от выбранного диапазона.По полученным диаграммам испытаний рассчитывались общее относительное удлинение δо, и предел прочности σв. Рисунок 5.1.1 – Зависимость общего относительного удлинения кольцевых образцов оболочки твэла № 64 при 20, 400 и 600 С от положения в активной зонеРисунок 5.1.2 – Зависимость общего относительного удлинения кольцевых образцов оболочки твэла № 12 при 20, 400 и 600 С от положения в активной зонеРисунок 5.1.3 – Зависимость предела прочности кольцевых образцов оболочки твэлов № 64 при температурах 20, 400 и 600 С эксплуатации от положения в активной зонеРисунок 5.1.4 – Зависимость предела прочности кольцевых образцов оболочки твэлов № 12 при температурах 20, 400 и 600 С эксплуатации от положения в активной зонеОпределение механических свойств на трубчатых образцахИспытания трубчатых образцов высотой 15 мм проводились с помощью внутреннего давления твердого заполнителя. При испытаниях образец с пластичным заполнителем внутри помещается в приспособление, обеспечивающее соосность его и захватов при сжатии. В дистанционной машине для механических испытаний со скоростью перемещения активного захвата 1 мм/мин заполнитель нагружали, что приводило к созданию растягивающих напряжений в материале трубы. По полученным диаграммам испытаний рассчитывались общее относительное удлинение δо, и предел прочности σв. Рисунок 5.2.1 – Зависимость общего относительного удлинения трубчатых образцов оболочки твэла № 12 при 20, 400 и 600 С от положения в активной зонеРисунок 5.2.2 – Зависимость общего относительного удлинения трубчатых образцов оболочки твэла № 64 при 20, 400 и 600 С от положения в активной зонеРисунок 5.2.3 – Зависимость предела прочности трубчатых образцов оболочки твэла № 12 при 20, 400 и 600 С от положения в активной зонеРисунок 5.2.4 – Зависимость предела прочности трубчатых образцов оболочки твэла № 64 при 20, 400 и 600 С от положения в активной зонеГидростатическое определение плотностиОпределение плотности материала образцов оболочек твэлов методом гидростатического взвешивания проводилось на весах марки "Sartorius", оборудованных приспособлением для определения плотности модели YDK01. В качестве вспомогательной жидкости использовался этиловый спирт. Образцами являлись отрезки оболочек твэлов без топлива длиной 30-32 мм. Подготовка образцов перед взвешиванием заключалась в химическом травлении остатков топливной композиции в технической азотной кислоте в течение 30 мин и последующем удалении шлама в ультразвуковой ванне генератора УЗГ-3-04. Высушивание образцов после операций очистки проводилось при температуре не более 200 С. Расчет плотности выполнялся по формуле γ=Mв*(γж-σ)0,99983*(Мв-Мж)+σ, (5.3.1)где γ - плотность материала образца, г/см3; γж - плотность жидкости, г/см3; МВ и МЖ - показания весов при взвешивании образца на воздухе и в жидкости соответственно, г; σ = 0,001173 г/см3 - типовое значение плотности сухого атмосферного воздуха при давлении 740 мм рт.ст. и температуре 20 С.Корректирующий коэффициент 0,99983 - поправка на погрешность измерений выталкивающей силы от погруженной в жидкость корзинки для образцовПо результатам определения плотности рассчитывалось радиационное распухание S по формуле S=γ0-γγ0*100%, (5.3.2)где γ0 - плотность материала образца в районе нижней газовой полости, либо вверху АкЗ. Таблица 5.3.1 Изменение плотности и распухания твэла №12Таблица 5.3.2 Изменение плотности и распухания твэла №64Результаты металлографических исследованийМеталлографические исследования твэла № 12.Микроструктура материала оболочки твэла №12 в диапазоне координат от нижней газовой полости до центра активной части выявлена способом химического травления в водном растворе плавиковой и азотной кислот (1часть HF + 1часть HNO3 +2 части Н2О).Состояние оболочки вблизи центра активной зоны твэла характеризуется заметным усилением коррозии со стороны топлива. Здесь глубина МКК составляет около 14 мкм (рисунок 5.4.1 а). Наружная коррозия отсутствует. Четкость травления границ зёрен возрастает. Средний условный размер аустенитного зерна составляет 15 мкм. Увеличение температуры эксплуатации в верхней части активной зоны сопровождается дополнительным усилением коррозионных повреждений оболочки. На высоте 945 мм от НАкЧ регистрируется комбинация сплошной и межкристаллитной коррозии на общую глубину до 25 мкм (рисунки 5.4.1 б, в) Структурные изменения фазового состава стали сопровождаются преимущественным травлением границ зерен (рисунок 5.4.2 г), которые отчетливо выявляются в растворе соляной и азотной кислот в глицерине (2 части глицерина + 2 части HCl + 1 часть HNO3). Размер зерна аустенита находится на уровне 15,2 мкм. Появляются начальные признаки взаимодействия со стороны теплоносителя – типичная жидкометаллическая коррозия стали (рисунок 5.4.2 д). Комплексное воздействие внутритвэльной и натриевой коррозии вызывает локальное утонение «живого» сечения оболочки твэла до 0,377 мкм или 95 % в относительном измерении. Степень коррозионных повреждений в области верхнего и нижнего торцевых экранов со стороны топлива существенно ниже, чем в области АкЗ. Металлографические исследования твэла №64 показали идентичную динамику коррозии по высоте АкЗ, но в меньшей степени, чем твэл №12.а – внутренняя МКК на расстоянии 558 мм от НАкЗ; б, в – комбинация общей коррозии и МКК со стороны топлива (координата 945 мм от НАкЗ), г – структура (внутренняя поверхность, координата 945 мм); д – там же, снаружи Рисунок 5.4.1 – Состояние оболочки твэла № 12Обсуждение результатовИсследование твэлов № 12 и № 64 штатной ТВС № 6473 позволет оценить влияние повреждающей дозы на физико-механические свойства оболочки, а также сопоставить влияние дозы, температуры и выгорания топлива на коррозионные повреждения оболочек твэлов. Следствием различия распухания является разница физико-механических свойств оболочек после эксплуатации. Наряду с распуханием наблюдается деформация ползучести оболочки, вызванная посадкой распухающего топлива на оболочку, о чем, помимо деформации ползучести, свидетельствуют выявленные при металлографических исследованиях фрагменты топлива, осевшие на оболочку и вызвавшие уменьшение зазора между топливом и оболочкой. Коррозионные повреждения оболочки верхней части твэла № 64 не превышают 15 мкм, а у оболочки твэла № 12 достигают 25 мкм. У оболочек твэлов, например, ТВС № 6142 в верхней части такая же глубина коррозионных повреждений ( 25 мкм), при значительно большей дозе. Это свидетельствует о том, что доминирующее влияние на коррозионные повреждения со стороны внутритвэльной среды оказывает выгорание топлива и время. Температура также оказывает влияние на процесс коррозионного воздействия топлива на оболочку. В совокупности с ранее полученными результатами состояние исследованных твэлов ТВС № 20 26 6473 09 подтверждают оценку ресурса безопасной эксплуатации твэлов с оболочкой из стали ЧС68-ИД х.д. до достижения дозы не менее 87 сна.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате выполнения работ установлено следующее:в результате контроля геометрических размеров всех твэлов ТВС № 6473 было установлено, что все твэлы сборки удовлетворяют критерию максимально допустимого радиального формоизменения <5 % (объёмное изменение <15%)минимальное и максимальное эффективное изменение диаметра оболочек твэлов № 127 и 12 составило 0,42 % и 1,4 % соответственно.максимальное распухание оболочек твэлов № 64 и 12 составляет 1,4 и 2,3 % соответственно.механические испытания кольцевых образцов оболочек твэлов показали, что охрупчивания до нулевой пластичности зарегистрировано только на двух образцах оболочки твэла № 12 из области максимального распухания при температуре испытаний, равной температуре эксплуатации. При этом предел прочности составил 780 МПа. В остальных случаях при температурах выше 400 С общее относительное удлинение кольцевых образцов оболочки из области центра АкЗ составило от 0,1 до 4 % при пределе прочности от 420 до 870 МПа. При комнатной температуре испытаний относительное удлинение имело величину от 4,2 до 10,4 % при пределе прочности выше 1000 МПа. механические испытания трубчатых образцов оболочек твэлов показали, что минимальное значение относительного удлинения зарегистрировано при температуре 20 С у оболочки твэла № 64 в области ниже центра активной зоны и составляет 1,5 % при прочности 900 МПа. У большинства испытанных образцов относительное удлинение составляет от 2,9 до 26,3 %, при прочности от 600 до 1000 МПа.глубина коррозионных повреждений не превышает 25 мкм, а остаточное «живое» сечение составляет не менее 0,377 мм. По комплексу свойств твэлы штатной ТВС с оболочкой из стали ЧС-68 после эксплуатации до достижения 61,3 сна полностью сохранили работоспособность и имеют большой запас остаточного ресурса эксплуатации в реакторе БН-600, по меньшей мере, до достижения повреждающей дозы 87 сна. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВФормоизменение элементов активной зоны БН-600 / С.Е. Асташов [и др.] // Атомная энергия, 1993, т.75, вып.3, с.167-175Основные результаты первичных послереакторных исследований ТВС реактора БН-600. Исследования конструкционных материалов элементов активной зоны быстрых натриевых реакторов / В.В. Чуев [и др.] // Сб. науч. трудов, Екатеринбург: УрО РАН, 1994. - с.48-84.Работоспособность ТВС быстрых реакторов. Исследования конструкционных материалов элементов активной зоны быстрых натриевых реакторов / В.В. Чуев [и др.] // Сб. научн. трудов, Екатеринбург: УрО РАН, 1994. - с.85-140.Служебные свойства конструкционных материалов тепловыделяющих сборок реакторов БН-600 при высоких повреждающих дозах. Физика металлов и металловедение / А.Н. Огородов [и др.] // т.81, вып.3, 1994. - с.133-141.Оптимизация структурного состояния оболочечных труб из стали ЧС-68 в холоднодеформированном состоянии / М.В. Баканов [и др.] // Ядерная энергетика. Известия вузов, 2005, №1, с. 139-145.В.В. Чуев. Особенности поведения конструкционных материалов в спектре нейтронов быстрого реактора большой мощности / В.В. Чуев, В.Ф. Росляков, В.В. Мальцев. - Ядерная энергетика. Известия вузов, 2005, №1, с. 113-126.Решение об организации работ по применению реперных ТВС для обеспечения послеэксплуатационного контроля качества конструкционных материалов штатных ТВС реактора БН-600 / А.М. Локшин [и др.] // От 24.05.2006 г. – c. 7. Контроль работоспособности реакторных сборок после эксплуатации в активных зонах БН-600. Вторая модернизация оборудования «горячей» камеры / М.В. Баканов [и др.] // Ядерная энергетика. Известия вузов, 2009, №2, с. 167-186.Основные результаты контроля работоспособности твэлов с оболочками из аустенитных сталей нового поколения / М.В. Баканов [и др.] // Ядерная энергетика. Известия вузов, 2011, №1, с. 187-195.О предоставлении данных по изготовлению ТВС № 2026-6473-09 / А.И. Кузнецов. – ОАО «МСЗ» Исх.18/289/64-27 от 16.10.2014 г., 20с.Расчет эксплуатационных характеристик твэлов ТВС 2026 6473 09 по исходным данным кода «ГЕФЕСТ» / С.В. Богатов. Е.Л. Розенбаум. А.И. Бельтюков. - Техническая записка № 21121403 от 20.03.2014 г., Белоярская АЭС, Заречный, 28 с. Твэлы ядерных реакторов. Пер. с англ. / Б. Фрост. - Энергоатомиздат. 1986 г., с. 91-100.Послереакторные исследования отработавшей штатной ТВС ЗАВ. № 2026 6473 09 / А.В. Козлов [и др.] // Отчёт о научно-исследовательской работе, Заречный 2014 г.ПРИЛОЖЕНИЕ АРациональное природопользование и охрана окружающей средыА.1.Общие сведенияА.1.1 Важность вопросов охраны окружающей средыПри разработке любого современного проекта нельзя не учитывать влияние проектируемого объекта на окружающую среду. Необходимо в любом случае добиться оптимального использования проектируемым объектом природных ресурсов, отсутствия или, в крайнем случае, минимизации вредных воздействий объекта на окружающую среду. Желательно, чтобы любой разрабатываемый объект также преследовал и цели охраны окружающей среды.Основными руководящими документами в области охраны окружающей среды являются: система государственных стандартов (ГОСТ системы «Охрана природы»), санитарные правила и нормы (СанПиНы), строительные нормы и правила (СНиПы), санитарные нормы (СН). Конституция РФ (от 12 декабря 1993 г.) играет основополагающую роль, как и в любой иной области, в регулировании отношений собственности на природные ресурсы, охране окружающей природной среды, признании, охране и защите экологических прав граждан РФ. В Конституции закрепляются права и свободы человека и гражданина: ст. 2 «человек - высшая ценность»; ст. 20 «каждый имеет право на жизнь». Центральное место среди экологических норм Конституции РФ занимает ст. 9, ч.1, где указывается, что земля и другие природные ресурсы в РФ используются и охраняются как основа жизни и деятельности народов, проживающих на соответствующих территориях. В продолжение этого положения в ст. 42 закрепляется право каждого человека на благоприятную окружающую среду, на достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью и имуществу экологическим правонарушением, аварией, катастрофой, стихийным бедствием или иным неблагоприятным воздействием окружающей природной среды.Основные законы РФ в области ООС:ФЗ «Об охране окружающей среды», принятый 10.01.2002 г. ФЗ «Об экологической экспертизе» от 23.11.1995 г.ФЗ «О радиационной безопасности населения» от 9.01.1996 г.ФЗ «Об особо охраняемых территориях от 14.03.1995 г. и др.Основные законы в области охраны природных ресурсов:ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» от22.04.1999 г.ФЗ «Об отходах производства и потребления» от 10.06.1998 г.Земельный Кодекс РСФСР от 25.04.1991 г.Водный Кодекс РФ от 16.11.1995 г.Лесной Кодекс РФ от 29.01.1997 г. и др.Стандартизация в области охраны природы направлена на решение следующих задач:ограничение поступления в окружающую среду промышленных, транспортных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод и выбросов в целях снижения содержания загрязняющих веществ, в атмосфере, природных водах и почве до количества, не превышающих ПДК;рациональное использование и охрана водотоков, внутренних водоемов и морей, их водных и биологических ресурсов;упорядочение землеустроительных работ, охрана и рациональное использование земли, соблюдение оптимальных нормативов отвода земель для нужд строительства, промышленности и транспорта, сохранение и рациональное использование биологических ресурсов;обеспечение воспроизводства диких животных, поддержания в благоприятном состоянии среды их обитания;сохранение генофонда растительного и животного мира, в том числе редких и исчезающих видов;охрана природно-заповедных объектов;улучшение использования недр.Природопользование — это:использование природной среды для удовлетворения экологических, экономических, культурно-оздоровительных потребностей общества; наука о рациональном (для соответствующего исторического момента) использовании природных ресурсов обществом — комплексная дисциплина, включающая элементы естественных, общественных и технических наук.Природопользование подразделяется на рациональное и нерациональное.