Ультразвуковая очистка топливных кассет ВВЭР на примере энергоблоков №3 и №4 Нововоронежской АЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Шваров Вячеслав Анатольевич

• Шваров Вячеслав Анатольевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Шваров Вячеслав Анатольевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Перечень принятых сокращений и условных обозначений

Введение

Глава 1. Исследование причин ухудшения

эксплуатационных характеристик активной зоны

реакторов энергоблоков №3 и №4 Нововоронежской АЭС.

Обзор предшествующих работ и постановка задачи

1.1 Изучение и анализ причин ухудшения характеристик эксплуатации активной зоны

1.2 Предложения по улучшению эксплуатационных

характеристик активной зоны

1.3 Обзор предшествующего опыта очистки топливных

кассет

1.4 Цели и задачи исследований. Определение

показателей эффективности внедрения результатов

Глава 2. Разработка технологии и оборудования для ультразвуковой очистки топливных кассет энергоблоков №3 и №4 Нововоронежской АЭС

2.1 Определение технических требований для установки

очистки топливных кассет

2.2 Разработка конструкции и технологии установки

очистки топливных кассет

2.3 Выводы по результатам разработки ТУУзО 51 Глава 3. Расчетно-теоретические исследования и

обоснование безопасности внедрения технологии очистки

топливных кассет

3.1 Расчетная оценка образования и выброса примесей

при изменении тепловой нагрузки на поверхностях

3.2 Расчетно-теоретическое обоснование безопасности внедрения принятой технологии очистки топливных

кассет

3.2.1 Расчетное обоснование безопасности конструкции

3.2.2 Обоснование безопасности транспортно-

технологических операций

3.2.3 Расчетное обоснование безопасности съема

остаточных тепловыделений

3.2.4 Обоснование ядерной безопасности

3.2.5 Обоснование радиационной безопасности

3.3 Выводы по результатам обоснования безопасности 62 Глава 4. Проведение опытной очистки топливных кассет

и исследования очищенных кассет

4.1 Постановка целей и задач опытной очистки

4.2 Проведение опытной очистки

4.3 Исследование кассет после опытной очистки

4.4 Выводы по результатам опытной очистки 85 Глава 5. Проведение промышленной очистки топливных

кассет. Определение направлений усовершенствования

технологии очистки

5.1 Проведение промышленной очистки

5.2 Анализ данных работы кассет после промышленной

очистки

5.3 Усовершенствование и модернизация оборудования

5.4 Проведение промышленной очистки на

модернизированной ТУУзО и исследования топливных

кассет 96 5.5 Анализ эксплуатационных характеристик активной зоны после очистки топливных кассет на

модернизированной установке 100 Глава 6. Основные выводы и перспективы развития

методов ультразвуковой очистки оборудования АЭС

Литература

Приложение

Приложение

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АРК - аварийная, регулирующая компенсирующая

АЗ - активная зона

АЭС - атомная электрическая станция

БВ - бассейн выдержки

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор

ВКУ - внутрикорпусные устройства

ВНИИАЭС - Всероссийский научно-исследовательский институт

атомных электростанций

ВТУК - внутристанционный транспортно- упаковочный

контейнер

ВХР - водно-химический режим

ГИ - гидравлические испытания

ГК - горячая камера

ГЦН - главный циркуляционный насос

ГЦТ - главный циркуляционный трубопровод

ДР - дистанционирующая решетка

ЕЦ - естественная циркуляция

КГО - контроль герметичности оболочки

КГС - коэффициент гидравлического сопротивления

КД - конструкторская документация

КО БВ - контейнерный отсек бассейна выдержки

МТУУзО - модернизированная техническая установка

ультразвуковой очистки топливных кассет и тепловыделяющих сборок МЭИ - Московский энергетический институт (технический

университет) НВАЭС - Нововоронежская АЭС

ННЭ - нарушение нормальной эксплуатации

НТС - научно-технический совет

НЭ - нормальная эксплуатация

ОТВС - отработавшие ТВС

ОЯТ - отработавшее ядерное топливо

ПГ - парогенератор

РАО - радиоактивные отходы

РК - рабочая кассета

РО - реакторное отделение

РУ - реакторная установка

СВ - сейсмическое воздействие

СВО - спецводоочистка

СВРК - система внутриреакторного контроля

ТВС - тепловыделяющая сборка

ТВС АРК - тепловыделяющая сборка кассеты АРК

твэл - тепловыделяющий элемент

ТОТ -теплообменная труба

ТТО - транспортно-технологические операции

ТУ - технические условия

ТУУзО - техническая установка ультразвуковой очистки

топливных кассет и тепловыделяющих сборок

ТЗ - техническое задание

ТК - топливная компания

ЖРО - жидкие радиоактивные отходы

ЦЗ - центральный зал реакторного отделения

ШРК - шахта ревизии крышки

ВВЕДЕНИЕ

Безопасность и надёжность работы АЭС в значительной мере зависит от надежности работы активной зоны реактора. Отклонения параметров АЗ от регламентных значений неизбежно ведут к ограничению мощности, а в некоторых случаях и к останову энергоблока. В этой связи весьма актуальной является задача обеспечения надежной, безотказной работы ядерного топлива в заданных пределах и своевременное устранение причин нарушения эксплуатации.

Проблема образования отложений на различных конструктивных элементах и теплопередающих поверхностях технологического оборудования широко известна. Образования отложений снижают эксплуатационные характеристики оборудования и влекут за собой отклонения от оптимальных режимов работы систем. В процессе эксплуатации энергоблоков №3,4 Нововоронежской АЭС анализ данных системы внутриреакторного контроля активных зон выявил зависимость снижения расхода теплоносителя через кассеты, от года ее эксплуатации. При исследовании кассет [27 - 29] обнаружено наличие отложений на твэлах и конструктивных элементах ТВС. Очевидно, что данные отложения и явились основной причиной ухудшения теплогидравлических характеристик активной зоны реакторов. Рост отложений на элементах топливных кассет в процессе их эксплуатации все больше снижал расход теплоносителя через активную зону, увеличивал перепад давления на кассетах и повышение температуры на поверхностях твэлов, что вызывало подкипание теплоносителя при достижении температур насыщения и одновременном изменении давления. Как следствие, данные факты приводили к вынужденному снижению мощности блока, а в ряде случаев и останову, при

достижении граничных значений. Для прекращения роста отложений на поверхностях РК (ТВС) станцией предприняты различные меры по оптимизации водно-химического режима первого контура, например увеличение значения рНт, в целях изменения направления массопереноса продуктов коррозии. Были внесены конструктивные изменения в днище шахты реактора энергоблока №4 - увеличение диаметра дроссельных шайб на входе в рабочие кассеты, что позволило повысить расход теплоносителя через АЗ, исключить режим кипения под отложениями на поверхности твэлов и снизить скорость роста отложений. Удаление кассет-экранов на 3 блоке, частично сняло остроту проблемы за счет уменьшения энергонапряженности АЗ в переходных режимах. Вместе с тем было понятно, что для полноценного восстановления эксплуатационных характеристик, необходима очистка кассет от накопленных отложений. В итоге, было принято решение о внедрении технологии очистки топливных кассет.

Целью диссертационной работы является натурное и расчетно-экспериментальное обоснование возможности и эффективности очистки топливных кассет реакторов ВВЭР на примере внедрения технологии на энергоблоках №3 и №4 Нововоронежской АЭС. Определение перспективы развития представленного метода очистки при эксплуатации АЭС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) На основе анализа выявленных проблем, связанных с ухудшением теплогидравлических характеристик АЗ из-за образования отложений на конструктивных элементах РК и ТВС, определить направления разработки оборудования и внедрения технологии очистки топливных кассет.

2) Учитывая существующий технологический цикл обращения с топливом, разработать конструкцию технической установки, позволяющую выполнить очистку РК и ТВС с использованием действующего транспортно-технологического оборудования и компоновки энергоблока.

3) Выполнить расчетно-теоретические исследования и обоснование безопасности внедрения технологии очистки топливных кассет

4) Провести экспериментальную очистку РК (ТВС) с использованием технической установки.

5) Исследовать влияние метода очистки и различных режимов работы установки на топливо и конструктивные элементы кассет.

6) Обосновать выбор оптимальных режимов работы установки для эффективного и безопасного удаления отложений с поверхностей РК и ТВС.

7) По результатам экспериментальной очистки осуществить усовершенствование установки в целях повышения эффективности очистки и улучшения ее эксплуатационных характеристик.

8) Натурно подтвердить эффективность внедренной технологии очистки по показателям устойчивой работы энергоблока, отсутствию остановов и снижению мощности по причине достижения граничных значений перепада давления на АЗ.

9) На примере технологии очистки РК и ТВС энергоблоков №3-4 НВ АЭС и изучения современных научно-технических достижений, выработать предложения о перспективе развития данного метода очистки.

Научная новизна.

1. Впервые внедрен принципиально новый технологический процесс очистки РК и ТВС энергоблоков с ВВЭР с использованием оригинальных технических решений.

2. Экспериментально установлена возможность реализации технологии очистки РК и ТВС реакторов ВВЭР с использованием действующего транспортно-технологического цикла перегрузки ЯТ.

3. Расчетно и экспериментально обоснована безопасность выполнения работ по очистке РК и ТВС.

4. Впервые в России выполнены работы по натурной очистке загрязненных РК и ТВС реакторов ВВЭР, с последующей их эксплуатацией, и достигнуты результаты, позволяющие безопасно и надежно эксплуатировать энергоблоки №3 и №4 НВ АЭС.

Степень достоверности результатов исследований подтверждается:

1. Применением аттестованных методик, проверенных средств и методов измерения.

2. Воспроизводимостью и согласованием результатов независимых натурных экспериментов, выполненных на различных топливных кассетах энергоблоков №3 и №4 НВ АЭС.

3. Положительными результатами практического использования разработанной технологии очистки РК и ТВС АЭС с реакторами ВВЭР на примере энергоблоков №3;4 НВ АЭС.

Практическая значимость результатов работы:

1. Внедрена новая технология очистки РК и ТВС реакторов ВВЭР, позволившая избежать ухудшения теплогидравлических характеристик АЗ и внеплановых остановов энергоблоков №3 и №4 Нововоронежской АЭС.

2. Экспериментально установлены закономерности, разработаны параметры режимов работы технической установки очистки РК и ТВС, позволяющие наиболее эффективно и безопасно проводить процесс очистки.

3. На основе проведенных экспериментальных работ и валидации произведено усовершенствование технической установки очистки РК и ТВС с улучшением ее эксплуатационных характеристик.

4. Подтверждена возможность применения, представленной в работе технологии очистки РК и ТВС, на блоках аналогах и в перспективных проектах.

5. Выработаны предложения по использованию представленной в работе технологии очистки для различного оборудования АЭС с целью восстановления ресурсных и эксплуатационных характеристик.

Основные положения, выносимые на защиту:

Результаты разработки и натурного расчетно-экспериментального обоснования возможности использования ультразвуковой очистки РК и ТВС реакторов ВВЭР, включающие:

1) теоретическое исследование потенциальной возможности использования ультразвуковой очистки для РК и ТВС для энергоблоков АЭС;

2) разработку технологии ультразвуковой очистки РК и ТВС с ее гармонизацией с действующим транспортно-технологическим циклом по перегрузке АЗ энергоблоков №3 и №4 НВ АЭС;

3) расчетное-экспериментальное обоснование безопасности использования технической установки ультразвуковой очистки РК и ТВС на действующих энергоблоках АЭС;

4) анализ экспериментальной очистки РК и ТВС и исследование влияния метода на конструктивные материалы кассеты и топливных элементов;

5) подтверждение эффективности и безопасности применения технологии очистки РК и ТВС на примере устойчивой работы энергоблоков №3 и №4 в течении топливной компании после 100% очистки кассет с возвращением их в АЗ реакторов;

6) анализ перспектив использования результатов работы.

Личный вклад автора в полученные результаты.

Автор принимал непосредственное участие во всех этапах работ по внедрению технологии очистки РК и ТВС энергоблоков №3 и №4 от теоретического исследования и выработки идеи о возможности ультразвуковой очистки кассет к разработке конструкции оборудования и технологии с расчетно-экспуриментальным обоснованием безопасности. Осуществлял техническую поддержку при экспериментальной очистке и исследовании топливных кассет и элементов. Участвовал в выработке и реализации технических предложений по повышению эффективности очистки. Также, автор, реализовывал работы по проектированию, монтажу, изготовлению, испытанию технической установки ультразвуковой очистки и ее доработке по результатам экспериментальной очистки и дальнейшей валидации. Кроме того, автор является основным разработчиком эксплуатационной документации, описывающей технологический цикл, конструктивные особенности, режимы и порядок работы установки ультразвуковой очистки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ультразвуковая очистка топливных кассет ВВЭР на примере энергоблоков №3 и №4 Нововоронежской АЭС»

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 8-й международной научно-технической конференции в ОКБ «Гидропресс» в 2013г.; на 9-й международной научно-технической конференции в ОАО «Концерн Росэнергоатом» в 2014г., а также на различных семинарах, заседаниях НТС и совещаниях в ОАО «Концерн «Росэнергоатом» и АЭС России.

Основные результаты работ, связанные с разработкой технологических установок по удалению отложений с оборудования АЭС, опубликованы в 6-ти печатных работах [44-46; 48-49; 55], в том числе в 5-ти [45; 46; 48; 49; 55] публикациях в ведущих рецензируемых научно-технических журналах. Также, имеется 5 докладов [50-54], опубликованных в ряде сборников трудов научно-технических конференций.

Благодарности.

Автор выражает особую признательность В.П. Поварову; В.А. Викину; А.И. Федорову; С.Л. Витковскому; А.С. Левадному; К.Г. Барабашу; А.Б. Терещенко; Ю.Н. Полякову; Е.А. Бабушкину; И.И. Кирюшину; А.В. Гришакову; Б.А. Гусеву; С.М. Анохину и многим другим за большой вклад в организацию и проведение исследований, расчетов и экспериментов, положенных в основу данной работы.

Глава 1. Исследование причин ухудшения эксплуатационных характеристик активной зоны реакторов энергоблоков №3 и №4 Нововоронежской АЭС. Обзор предшествующих работ и постановка задачи

1.1 Изучение и анализ причин ухудшения характеристик эксплуатации активной зоны

Начиная с 1996г. системой внутриреакторного контроля энергоблоков №3,4 Нововоронежской АЭС фиксировались данные АЗ с выявлением устойчивого увеличения значения условного параметра, обратно пропорционального расходу через кассеты, от года ее эксплуатации в активной зоне:

ш= ^вс эксп. - ^вс расч. / ^вс расч; Ытвс эксп. - относительная мощность РК, по данным термоконтроля СВРК;

^вс расч. - относительная мощность РК по результатам имитационного нейтронно-физического расчета.

Размах ш увеличивался на 3 блоке, начиная с 23-й топливной загрузки (с марта 1997г.), а на 4 блоке с 22-й (с мая 1996г.). Проведенные в 2000 году исследования в горячей камере кассеты РК, выгруженной после 23 топливной загрузки (1998г.), выявили наличие значительного количества поверхностных отложений на конструктивных элементах твэлов. На рисунке 1 показан внешний вид твэлов кассеты РК с отложениями. Наибольшее количество отложений наблюдалось в районе дистанцирующих решеток твэлов. Особенно заметно данное явление на первых двух дистанцирующих решетках по ходу движения среды.

•<А

Рисунок 1. Вид твэлов РК с отложениями.

Состав отложений, состоял из продуктов коррозии, дебриз-частиц и органических веществ. Содержание основных элементов приведено в таблицах 1 и 2, а их нуклидный состав и активность приведены в

о

таблице 3. Плотность отложений оценивается около 2 г/см3.

Таблица 1

Содержание элементов, мг/твэл (по всей длине РК-2420 мм; ТВС АРК-2320 мм с диаметром наружной поверхности 9,1 мм)

Ре Сг №

5-800 3-40 2-70

Таблица 2

Элемент Весовой %

С 4,48 - 6,7

О 26,37 - 31,44

Сг 2,0 - 3,02

Мп 6,11 - 6,67

Ре 42,87 - 48,42

№ 4,91 - 6,23

7г 3,51 - 6,47

Таблица 3

Активность, Бк/мг

54Мп 60Со 58Со

1,26х106 1,99х105 1,25х106

Кроме ухудшения теплогидравлических характеристик активной зоны с каждым годом росло количество негерметичных ТВС по результатам проведения КГО твэлов. Динамика роста отражена на рисунке 2.

□ 3 блок о! — □ 4 блок - г а 2

43 ■_

С5 тГ СП 0 32 1 и: 29

г: Г к ш и: - ООО ч: =1 ч: 19 6 "1 20 г

т т аэ О О о - о. о. о. ее с Ф Ф Фа Ю XX т 1 1 1 6 1 г \

га., а 6 О О О 1 1 5 1 ь " Ь1 Л 1г Г г г

1997 1990 1999 2000 2001 27ТЗ 20ТЗ 29ТЗ ЗОТЗ 31ТЭ 32ТЭ ЗЗТЗ

(2002) (2003) (2004) (2005) (2006) (2007) (2008)

Рисунок 2. Рост количества негерметичных ТВС (штуки по ось ординат),

по результатам КГО. Наблюдения в процессе эксплуатации фиксировали все большее снижение расхода теплоносителя через активную зону; увеличение перепада давления на кассетах и повышение температуры на поверхностях. Как следствие, данные факты приводили к вынужденному снижению мощности, а в ряде случаев и останову энергоблоков при достижении граничных значений. График, отражающий взаимное влияние характеристик АЗ при работе блока №3 во время 33-й топливной загрузки представлен на рисунке 3.

3,10 3,05 3,00 2,95 5,90

"и1

=2,85

í^2,80 го

&,75

го I

§2,70

I

(Ü

s,65

го

Ц.60

с

(и

¡¡2,55 с

2,50 2,45 2,40 2,35 2,30

105

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

SSSNNNNNNSNSSSSNNNNNNSSSSNfflfflfflfflffiffiODOOtOfflfflfflfflfflffiffiODOOOfflfflfflfflfflfflffiODOí)

ооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооо

ooffloifflfflomoooooo

ООООООООт-т-т-т-т-т-

(М (М1М1М1М1М

ооооооооооооооооооооооооооооооо

(MIMO о

(М1М оо

(М1М соо

1Л О 1ЛО 1Л

(М1М оо

(N(N(0 0

1Л01Л01Л01Л01Л01Л0

(М (N(0 0

Рисунок 3. Характеристики АЗ при работе энергоблока №3 во время 33-й

топливной компании. В результате анализа данных:

• контроля характеристик АЗ в процессе эксплуатации;

• контроля герметичности оболочек твэлов;

• исследований РК в горячей камере,

можно сделать вывод, что коренная причина ухудшения эксплуатационных характеристик АЗ и потери герметичности твэлов энергоблоков №3 и №4 НВ АЭС, это накопление отложений на поверхностях конструктивных элементов РК (ТВС). Данные отложения затрудняют съем тепловыделений с топлива из-за снижения расхода теплоносителя, приводят к появлению, так называемого, поверхностного кипения среды, увеличению скорости образования отложений и разуплотнению твэлов.

Первоначальные исследования процессов образования и накопления отложений привели к различным предположениям, но не дали однозначного ответа о причинах в связи с тем, что не выявлено

3,15

110

5

0

стабильной зависимости роста накопления отложений с проводимыми работами на АЭС. В частности, рассматривались негативные аспекты проведения химической дезактивации парогенераторов и электрохимической дезактивации 1-го контура. Также были проанализированы явления образования отложений на других АЭС, которые, впрочем, имели свои особенности, отличные от НВ АЭС и не приводили к значительным изменениям параметров АЗ. Вместе с тем, анализ динамики процессов изменения перепада давления в АЗ на энергоблоках №3 и №4 НВ АЭС в течении ТК показал, что после любого останова блока с переводом в холодное состояние и последующим пуском перепад давления на реакторе оказывается выше, а впоследствии снижается. Изучение литературных источников [56-61], описывающих процессы тепломассообмена и распределения примесей, накопленный опыт НВ АЭС по управления массопереносом и результаты вихретокового контроля теплообменных труб парогенераторов показали природу данного явления. Каждый раз после останова блока, опорожнения ПГ по 1 контуру и сушки, происходит образование «рыхлых» отложений на ТОТ с большой площадью поверхности и относительно малыми скоростями теплоносителя. После последующего заполнения ПГ и включения ГЦН отложения переходят с поверхностей ТОТ в теплоноситель 1-го контура и переносятся в АЗ. Кроме того, в стояночном режиме с топливом в АЗ, находящиеся в воде частицы транспортируются, за счет естественной циркуляции, и осаждаются на наиболее нагретых элементах реакторной установки -твэлах. По окончательному мнению автора, именно такие процессы способствовали образованию и накоплению отложений на поверхностях твэлов. Проведенные эксперименты с пробами данных отложений показали их стойкость к воздействию высоких температур (до 8000С) и

нерастворимость под воздействием высокоактивных кислот. Характер накопления продуктов коррозии в контуре имеет циклическую зависимость от их общего объема, а отсутствие установки для снятия отложений на ТОТ ПГ и не достаточная эффективность штатной системы очистки 1 -го контура СВО-1 (из-за специфики головного проекта) приводят к периодической (в переходных режимах) подпитки «рыхлыми» загрязнениями теплоносителя.

1.2 Предложения по улучшению эксплуатационных характеристик активной зоны

Для улучшения эксплуатационных характеристик АЗ энергоблоков №3-4 НВ АЭС были выработаны ряд предложений.

1 Увеличить проходное сечение дроссельных шайб днища шахты реактора энергоблока №4.

2 Удалить кассеты-экраны на энергоблоке №3, установленные для уменьшения флюенса нейтронов корпуса реактора.

3 Изменить нормируемые значения для ведения ВХР 1 контура энергоблоков №3 и №4.

4 Внедрить систему очистки воды первого контура в стояночном режиме энергоблоков №3 и №4.

5 Внедрить систему намывной ионообменной фильтрации вод бассейнов выдержки, борированных растворов и организованных протечек энергоблоков №3 и №4.

5 Внедрить технологию очистки топливных кассет от отложений.

Модернизация шахты реактора энергоблока №4 с увеличением диаметра дроссельных шайб на входе в РК с 45 мм до 50 мм позволила увеличить расход теплоносителя через них, исключить режим кипения и, как следствие, уменьшить скорость роста отложений. К сожалению, на энергоблоке №3 размер шайб был изначально больший, чем на блоке 4,

а проблема снижения расхода теплоносителя через АЗ была более острой.

После проведения определенных расчетов, с целью подтверждения возможности удаления кассет экранов, и реализации данного предложения, энергонапряженность АЗ блока №3 в переходных режимах была снижена, что позволило уменьшить остроту проблемы герметичности твэлов.

Внедрение новых норм ВХР 1 контура позволило значительно увеличивать значение рНт с целью изменения массопереноса продуктов коррозии в направлении от АЗ реакторов.

Внедрение системы очистки 1 контура в стояночном режиме предполагало установку насосного агрегата и трубопроводов подачи и возврата продувочной воды первого контура на СВО-1. Это мероприятие позволяло СВО-1 производить очистку вод первого контура при останове блока (без задействованных ГЦН), когда идет наибольшее накопление продуктов коррозии конструкционных материалов ГЦТ и их выход в среду.

Система намывной ионообменной фильтрации вод бассейнов выдержки, борированных растворов и организованных протечек представляет собой установленный, в дополнение к имеющейся СВО-4, намывной ионообменный фильтр и вспомогательное оборудование (для подготовки фильтрата, намыва фильтрующего материала, транспортировки сред и.т.д.). Эксплуатация данной системы предусматривалась, как параллельно со СВО-4, так и самостоятельно. Использование данной технологии дает возможность эффективно сочетать очистку от растворенных химических, коллоидных, дисперсных примесей, а также изотопов коррозионного происхождения.

Системы очистки воды первого контура в стояночном режиме и намывной ионообменной фильтрации требовали больших объемов капиталовложений и длительных сроков реализации, что не позволяло решить крайне актуальную задачу в краткосрочной перспективе.

Несмотря на предпринятые меры было очевидно, что необходимо реализовать основополагающий проект по разработке и внедрению технологии, позволяющей выполнить очистку уже загрязненных топливных кассет и тем самым восстановить их эксплуатационные характеристики в возможно короткий срок.

1.3 Обзор предшествующего опыта очистки топливных кассет

За последние десятилетия были разработаны и внедрены многие методы очистки оборудования от нежелательных загрязнений -механические, химические, ультразвуковые и другие. К сожалению не все из них могут быть использованы в случае с отложениями на элементах топливных кассет, а первичный анализ опыта выполнения очистки РК (ТВС) на Российских АЭС показал, что опереться на уже имеющиеся разработки не представляется возможным ввиду отсутствия практики реализации подобных задач. При рассмотрении различных вариантов, механический способ очистки был признан неприемлемым к внедрению с учетом конструктивной специфики объекта очистки и необходимостью его применения непосредственно на месте эксплуатации. Рецептуры химических методов, как правило, приводят к дополнительным коррозионным потерям конструкционных материалов. Также они осложняются необходимостью последующей переработки больших объемов образующихся высокоактивных ЖРО и токсичных промывочных растворов [1]. Химический способ мог дополнительно осложнить и без того не эффективную работу установок СВО, требовал

дополнительных мер по обеспечению поддержания ВХР в установленных пределах и, по опыту проведения химической дезактивации 1 контура энергоблока №3, предполагал внедрение дополнительного оборудования и модернизации существующих технологических систем, что увеличивало сроки его реализации.

Рассмотрение мирового опыта эксплуатации выявило характерный неудачный пример химической очистки топливных кассет на одной из Европейских АЭС с ВВЭР. [2] При проведении химической отмывки топливных кассет произошло их повреждение и выброс газообразных продуктов деления в помещения реакторного отделения. Причина повреждения топлива была идентифицирована, как потеря отвода остаточных тепловыделений от ТВС, подвергавшихся обработке. Данный факт стал возможен, в первую очередь, из-за недостатков проекта установки и некачественного анализа ядерной безопасности, а также ряда ошибок персонала станции при ведении технологического процесса. Контейнер, в котором располагалось топливо, исключал естественную циркуляцию, как способ отвода остаточных тепловыделений. Кроме того, разработчики не приняли в расчет расход охлаждающей среды через небольшие разгрузочные отверстия в нижней части топливных сборок, считая, что байпасный поток через эти отверстия незначителен. В итоге, указанные недостатки не позволили обеспечить отвод тепла при одновременной отмывки 30 ТВС. Далее, при расследовании события и анализе возможности достижения критичности в системе, с допущением наихудшего варианта расположения топлива, было установлено, что в контейнере было достаточное количество (масса) топлива, чтобы достичь критичности. Это могло привести к еще более серьезным последствием, чем было зафиксировано.

Вместе с тем, атомными станциями Испании и США, успешно используются методы ультразвуковой очистки топлива. [3] Рассматривая теоретические основы процесса ультразвуковой очистки можно сказать, что механизмом разрушения поверхностных отложений служит ультразвуковая кавитация - при распространении в жидкости ультразвуковых колебаний возникает явление, называемое кавитацией. В большинстве научных изданий ультразвуковая кавитация определяется, как образование в жидкости паровых полостей, т.е. нарушение целостности жидкости в местах изменения межмолекулярных сил сцепления ее частиц, под воздействием ультразвуковукового поля. Далее, в местах повышенного давления происходит схлопывание полостей с механическим воздействием ударных волн (гидроударом). В результате данного процесса происходит разрушение различных твердых тел. Одним из первых данное явление описано в работе [4]. Автор рассмотрел случай захлопывания пустой полости в безграничном объеме жидкости под действием постоянного давления. Приняв полость сферически симметричной и, что кинетическая энергия движущейся жидкости равна работе, действующих на полость сил давления

2npU2=4/3 nPo (R3макс - R3) автор получил скорость движения стенки полости в функции ее радиуса

U= 2/3 Po/P ^макс/R3 - 1) где U - скорость движения стенки полости; Р о - внешнее давление, приложенное к стенке полости; R - радиус полости; р - плотность жидкости.

Далее, рассматривая уравнение движения сферически симметричного потока

ли/ Дt + и ли/ Лг= - 1/ р ЛР/ Лг

и, используя граничное условие, что на стенке полости г = К, для максимального давления, возникающего при захлопывании пустой полости, автор вывел выражение

Рмакс = О,163 ро р3 макс/р3

С иным подходом определен процесс схлопывания полостей в издании [5]. Если предыдущий автор рассчитал давление вне захлопывающей полости, то последующий предположил, что при захлопывании кавитационной полости жидкость устремляется к ее центру и непосредственно ударяет по поверхности твердого тела, находящегося внутри полости. Автор рассчитал давление на поверхности сферического тела в тот момент, когда жидкость достигает его поверхности:

Р=и рК

где: К - модуль объемной упругости жидкости

В вышеуказанных формулах не учитывается сжимаемость твердой поверхности. С учетом поправки на сжимаемость [6] получим вид

Р=и р 1 с1/ 1 + р1 с1/ р 2 с2

где "1" - среда;

"2" - твердое тело.

Некоторые исследователи [7,8,9] исходят из того, что при захлопывании кавитационных пузырьков, должны возникать высокие температуры, которые и являются причиной кавитационного разрушения твердых тел. Вместе с тем, ряд ученых вовсе отрицают кавитационное разрушение в ультразвуковом поле [10]. По их мнению, в результате прохождения звуковой волны сквозь твердое тело в нем создаются значительные напряжения из-за разных величин ускорений в различных точках. Так, если амплитуда ускорения в звуковой волне:

до=(Рзв/р) (2п /а) где а - длина волны звукового поля,

то изменение величины ускорения на длине Дх будет равно

Дд=(Рзв/р) (2п /а)2Дх Данные исследования являются исключением из ряда большинства расчетно-экспериментальных работ, подтверждающих кавитационную природу разрушения. Вместе с рассмотрением механизма разрушения, во многих исследованиях [11-15] определено значительное влияние параметров (температуры; давления) и химического состава среды на процесс кавитационного разрушения твердых тел в ультразвуковом поле. Так автор [11] определил, что максимальная кавитационная эрозия в воде происходит при температуре 400С. В [15] приведено значение 500С для воды и выведены зависимости кавитационного разрушения для различных растворителей. Авторы [11; 12] предположили, что при возрастании температуры растворимость газов в жидкости уменьшается, вследствие чего газы выделяются из жидкости. Это приводит к увеличению количества кавитационных полостей на единицу объема жидкости и повышению площади кавитационного воздействия на тела. Но увеличение температуры повышает упругость насыщенных паров жидкости, как следствие, уменьшается интенсивность ударной волны, образующейся при захлопывании кавитационного пузырька. Именно комбинация двух противоположных явлений, при изменении температуры жидкости, позволяет достичь максимального кавитационного разрушения. Проводя повышение температуры, мы уменьшаем растворимость газа в жидкости, он выделяется из нее. Повышается давление насыщенного пара и уменьшается коэффициент поверхностного натяжения. Порог кавитации

уменьшается. В результате, при принятой величине звукового давления, большее количество парогазовых пузырьков будет принимать участие в кавитационном процессе. Поэтому с повышением температуры зона кавитации увеличивается. Экспериментальное подтверждение этого утверждения приведено в [14]. С другой стороны, уменьшается давление, возникающее в жидкости при захлопывании полости пузырьков. Таким образом, повышение температуры жидкости, увеличивает зону кавитации и площадь воздействия, но уменьшает его интенсивность. Большинством авторов установлено, что при атмосферном давлении оптимальной температурой жидкости является 50 - 600С для ведения процесса кавитационного разрушения твердых тел в ней. В исследовании [12] сделан вывод, что кавитационное разрушение в воде значительно больше, чем в органических растворителях. Кавитационное разрушение в воде в 7 выше, чем в этиловом спирте и четыреххлористом углероде. Это объясняется тем, что растворимость газа в четыреххлористом углероде и спирте на несколько порядков выше растворимости их в воде, и соответственно, количество парогазовых кавитационных пузырьков меньше. В работе [16] экспериментально подтверждено, что при повышении давления среды максимум кавитационного воздействия сдвигается в сторону более высоких температур. Например, для 4 ати оптимальная температура составит 90-950С. В [17] автор описывает работу погружного ультразвукового преобразователя и приводит зависимости различных характеристик, сопровождающих ультразвуковую кавитацию, из которых видно, что с увеличением частоты ультразвуковых колебаний количество кавитационных полостей в жидкости увеличивается, а энергия кавитации уменьшается. С понижением частоты ультразвуковых колебаний число кавитационных полостей в жидкости уменьшается, а

энергия кавитации увеличивается. При этом, для каждой частоты ультразвуковых колебаний произведение энергии выделяемой кавитационной полостью при ее захлопывании на число этих пузырьков в жидкости является величиной постоянной примерно равной энергии передаваемой в жидкость ультразвуковым погружным преобразователем. Для практики важно, чтобы число кавитационных полостей было бы как можно больше, но при этом энергия кавитации достаточной для удаления загрязнений. Таким образом, для очистки деталей от загрязнений непрочно связанных с поверхностью (жиры, масла) следует применять преобразователи с частотой 35-40 кГц, а для очистки деталей от загрязнений прочно связанных с поверхностью (полировальные пасты, лаковые и полимерные пленки) следует применять погружные преобразователи с более низкой частотой 20-25 кГц. Возвращаясь к объекту очистки, топливным кассетам, перегружаемым в реакторе через 10+12 суток после останова блока с максимальным значением остаточного энерговыделения 15 кВт и мощностью дозы гамма-излучения на чехле РК (ТВС) 19 Гр/с, очевидно, что работы по их очистки возможно проводить только в бассейнах выдержки энергоблоков №3 и №4. При этом параметры системы близки к оптимальным для протекания эффективного процесса ультразвуковой кавитации: среда - раствор борной кислоты с концентрацией 12 г/л; температура до 600С; давление гидростатического столба до 0,1 МПа.

о

Отложения имеют плотность около 2 г/см .

Подводя итог анализа литературных источников с уточнениями некоторых основных характеристик кавитационных явлений и предшествующего опыта выполнения работ по очистке топливных кассет, принимая во внимание условия в которых необходимо провести

очистку РК (ТВС) можно сделать вывод, что наиболее предпочтительным методом очистки является ультразвуковой. 1.4 Цели и задачи исследований. Определение показателей эффективности внедрения результатов.

Результаты проработки исходных данных позволяют сделать следующие выводы и определить цели предстоящей работы.

1. Проблема накопления отложений на твэлах существует на различных АЭС и имеются практические методы очистки. В атомной энергетике России выполнение очистки топливных кассет не проводилось, а применить зарубежные технологии невозможно, в связи с принципиальными различиями конструкций топливных кассет, компоновки оборудования и транспортно-технологического цикла перегрузки топлива.

2. Наиболее приемлемо решение о разработке и внедрении ультразвукового метода очистки РК и ТВС энергоблоков №3 и №4 НВ АЭС.

3. При выработке подходов по разработке технологии необходимо максимально использовать действующее оборудование энергоблоков, адаптировать очистку в рамках штатной процедуры перегрузки АЗ, применить технические решения по обеспечению безопасного обращения и утилизации продуктов очистки.

4. В связи с отсутствием достаточного количества данных по составу отложений на РК (ТВС) и уникальности работ, подбор режимов очистки необходимо выполнить экспериментально.

5. В целях подтверждения безопасности применения метода ультразвуковой очистки, внедрение технологии необходимо выполнить в два этапа - предварительной экспериментальной (опытной) очистки РК (ТВС) с исследованием и оценкой влияния на безопасность примененного метода и, при получении удовлетворительных результатов, проведение эксплуатационной очистки всех РК (ТВС).

6. По результатам экспериментальной очистки, необходимо выявить недостатки технологии (учесть полученные качественные результаты и удобство эксплуатации) и произвести необходимые усовершенствования оборудования.

Главным критерием эффективности работы установки по ультразвуковой очистке РК и ТВС установлено снятие не менее 80% отложений с поверхностей при отсутствии воздействия на конструктивные элементы кассет и топливо. Поэтому в данной работе наряду с методами моделирования, используемых в целях оценки качества работы отдельных элементов оборудования, применен метод натурного эксперимента путем проведения очистки РК (ТВС) с последующим исследованием и оценкой количества снятых отложений. Оценку влияния метода очистки на конструкции предложено выполнить в сравнении с референтной, не подвергавшейся очистке ТВС АРК. Кроме того необходимо изучить и обеспечить внедрение технологии с выполнением условий радиационной защиты и отсутствия негативного влияния на взаимосвязанное оборудование и технологические среды энергоблоков. Необходимо представить теоретические и расчетные обоснования соблюдения пределов безопасной эксплуатации топлива в различных режимах работы установки ультразвуковой очистки.

Для реализации намеченных целей и достижения критериев эффективности в настоящей работе поставлены следующие задачи.

1. Разработать техническую установку для ультразвуковой очистки РК (ТВС) энергоблоков №3 и №4 НВ АЭС.

2. Разработать технологию по очистке РК (ТВС) с выполнением всех необходимых требований по обращению с РАО и использованием штатного транспортно-технологического цикла по перегрузке топлива.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шваров Вячеслав Анатольевич, 2016 год

ЛИТЕРАТУРА

1 Архипов О.П., Брыков С.И., Сиряпина Л.А. и др. Результаты химических промывок парогенераторов на Волгодонской АЭС перед ППР-2005 и ППР-2006 / Седьмой Международный Семинар по горизонтальным парогенераторам. Сборник трудов семинара. ФГУП ОКБ «Гидропрогресс». 3-5 Октября, 2006.

2 WANO SER 2003-6 «Серьезное повреждение топлива при химической отмывке вне реактора из-за потери остаточных тепловыделений». Сообщение о значительном событии. Август 2003г.

3 Ультразвуковая система очистки топлива, Pedro Alvares, Humberto Marta, Enusa Enwesa, Мадрид, Испания, 2007

4 Rayleigh Lord. On pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity. Philosophical Magazin, 1917, v.34, 94-98.

5 Cook S.S.Erosion by water hammer. Proceedings of the Royal Society of London, 1928, ser.A, v.119, iss. 783, 481-488.

6 Marinesco N. Deflagration of explosive substances by ultrasonic waves. Comptes Rendus Academie Sciences, Paris, 1935, v.201, 1187-1199.

7 Кружилин В.Г. Савельев Б.А. О кавитации в некоторых узлах авиационных двигателей. Труды Московского авиационного института, 1956, вып.64.

8 Гавранек В.В. Большуткин Д.Н. Зельдович В.И. Тепловое и механическое воздействие кавитационной зоны на поверхность металла. Физика металлов и металловедение, 1960, том 10, №2, 262-268

9 Ржевкин С.Н. Островский Е.Л. Получение эмульсий при помощи ультразвука. Журнал Физической Химии, 1935, т.6, №11, 13-15.

10 Haller P. Untersuchung von Korrosion durch Kavitation. Schweizerische Bauzeitung (Switzerland),1933, Bd. 101, n.21-22, 243-246, 264-266.

11 Schumb W.S. Peters H. Milligan L.H. A new method for studying cavitation erosion on metals. Metals and alloys, 1937, May, v.8, n.5, 126-132.

12 Бебчук А.С. К вопросу о механизме разрушения твердых тел. Акустический журнал, 1957, т.3, вып.1, 90-91.

13 Hickling Robert.Nucleation of freezing by cavity collapse and its relation to cavitation damage.Nature, 1965, May, v.206, 915-917.

14 Сиротюк М.Г. Влияние температуры и газосодержания жидкости на кавитационные процессы. Акустический журнал, 1966, т.12, в.1, 8792.

15 Ibishi M. Brown B.Variation of the relative intensity of cavitation with temperature. Journal of the Acoustical Society of America, 1967, v.41, n.3, 568-572.

16 Башкиров В.И. Эффективный метод управления процессом ультразвуковой кавитации. Сб. Промышленное применение ультразвука. М. 1965, 3-14.

17 Бронин Ф.А. Устройство и способы применения погружного ультразвукового преобразователя для очистки деталей. [Электронный документ], 2009, http://www. b6403.narod.ru/pp. html

18 ГОСТ 15.005-86 «Система разработки и постановки продукции на производство. Создание изделий единичного производства, собираемых на месте эксплуатации»

19 Кассета рабочая. Сборочный чертеж. 440.01.000 СБ (инв. 213ВП.1505), ОАО МСЗ, 1999.

20 Сборка тепловыделяющая. Сборочный чертеж (инв. 213 ВП 1505), ОАО МСЗ, 1999.

21 УСТАНОВКА РЕАКТОРНАЯ В-179. Расчетный анализ остаточных тепловыделений кассет реакторов 3, 4 блоков НВАЭС, №179-Пр-083, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2007

22 Технологический регламент эксплуатации 3 блока Нововоронежской АЭС с реактором ВВЭР-440 (В-179), № 22/3-АЭС, НВАЭС, 2001.

23 Технологический регламент эксплуатации 4 блока Нововоронежской АЭС с реактором ВВЭР-440 (В-179), № 22/4-АЭС, НВАЭС, 2001.

24 Реакторная установка. Расчет ядерной безопасности при транспортировке и хранении топлива с начальным обогащением 3,82 % по 235^ 179-ТР-261, ОКБ «ГИДРОПРЕСС». 1998г.

25 Реактор В-179. Расчет теплогидравлический. Стационарный режим работы реактора 3 блока НВАЭС (по результатам измерений в 31 топливной загрузке), 179-Р-390, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2005.

26 Реактор В-179. Расчет теплогидравлический. Стационарный режим работы реактора 4 блока НВАЭС (дроссельные шайбы с диаметром отверстия 50 мм), 179-Р-394, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2007.

27 Отчет исследования в горячей камере Нововоронежской АЭС кассет 3 и 4 энергоблоков, разгерметизировавшихся в 2002-2004 гг. Результаты исследования РК № 13866189, достигшей критерия отказа после первого года эксплуатации на 3 энергоблоке. №01/2006-ВРХЛ/32, НВАЭС, 2006.

28 Отчет исследования в горячей камере Нововоронежской АЭС кассет 3 и 4 энергоблоков, разгерметизировавшихся в 2002-2004 гг. Результаты исследования РК № 13865195, достигшей критерия

отказа после первого года эксплуатации на 4 энергоблоке. №01/2005-ВРХЛ/32, НВАЭС, 2005.

29 Отчет исследования в горячей камере Нововоронежской АЭС кассет 3 и 4 энергоблоков, разгерметизировавшихся в 2002-2004 гг. Результаты исследования РК № Н13600313, отработавшей четыре кампании на 3 энергоблоке. №10/2005-ВРХЛ/32, НВАЭС, 2005.

30 Акт №152Ю6-ОЯБ/31 о соответствии теплогидравлических характеристик реактора 4 блока НВАЭС при работе 32 топливной загрузки таблице допустимых режимов работы реактора. НВАЭС, 2006.

31 Акт №186Ю5-ОЯБ/33 о соответствии теплогидравлических характеристик реактора 4 блока НВАЭС при работе 31 топливной загрузки таблице допустимых режимов работы реактора. НВАЭС, 2005.

32 Данные БТА 31 кампании 4 блока НВАЭС. НВАЭС 2006.

33 Установка реакторная В-179. Расчетный анализ остаточных тепловыделений кассет реакторов 3,4 блоков НВАЭС. 179-Пр-083, ФГУП ОКБ «Гидропресс», 2008.

34 Александров А.А., Григорьев Б.А., Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, Москва, Издательство МЭИ, 1999.

35 Микк И.Р. и другие. Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности материала каркаса железоокисных отложений. «Теплоэнергетика» №2, 1980.

36 Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Машиностроение, 1975.

37 Кириллов П.Л., Бобков В.П., Юрьев Ю.С. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы,

теплообменники, парогенераторы). Москва, «Энергоатомиздат», 1990.

38 Программа ультразвуковой очистки двух ОТВС в БВ 3-го блока НВАЭС», утверждена Ю.В. Копьевым 28.10.2008г.

39 Программа №24Ю8-ОЯТ/32 исследования ОТВС после ультразвуковой очистки в защитной («горячей») камере НВ АЭС», утвержденная Главным инженером НВ АЭС от 28.11.2008

40 «Водно-химический режим первого контура энергоблоков атомных электростанций с реакторами ВВЭР-440 без коррозионно-стойкой наплавки корпуса. Нормы качества теплоносителя и средства их обеспечения», СТО 1.1.1.02.005.0621-2007

41 Реакторная установка. Распределение плотности воды по высоте бассейна выдержки при хранении кассет с начальным обогащением 3,82% по 235^ ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 179-Тр-262, 1998

42 В.И. Субботин, П.А. Ушаков. Расчет гидродинамических характеристик пучка стержней. Доклад на конференции в ЧССР 23. 26/11-1970.

43 С.В. Иванов. Совершенствование регламента проведения продувки в режимах останова блока с РБМК на основе динамики распределения примесей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

44 Кучеренко О.В., Шваров В.А. Роботизированная система удаления шлама с днища парогенераторов. «Глобальная ядерная безопасность» №2, 2013г.

45 Горбуров В.И., Шваров В.А., Витковский С.Л. Опыт проведения ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих

сборок энергоблока № 3 Нововоронежской АЭС. «Теплоэнергетика» №2, 2014.

46 Кучеренко О.М., Шваров В.А. Роботизированная система удаления шлама с днища парогенераторов. «Теплоэнергетика» №2, 2014.

47 Поваров В.П., Федоров А.И., Витковский С.Л., Шваров В.А. Основные этапы развития и эксплуатации Нововоронежской АЭС. «Электрические комплексы и системы управления» №4, 2014.

48 Шваров В.А., Федоров А.И., Витковский С.Л., Кучеренко О.В. Результаты внедрения установки ультразвуковой очистки конструкционных элементов топливных кассет и тепловыделяющих сборок энергоблоков НВ АЭС. «Электрические комплексы и системы управления» №4, 2014.

49 Кучеренко О.В., Шваров В.А. Автоматизация и роботизация процесса удаления шлама с днищ парогенераторов на АЭС. «Электрические комплексы и системы управления» №4, 2014.

50 Витковский С.Л., Шваров В.А. Очистка ТВС от отложений с помощью технической установки ультразвуковой очистки энергоблока №3 НВ АЭС. Этапы внедрения и технические характеристики установки. Доклад на 8-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». ОКБ «Гидропресс». Подольск, май 2013г.

51 Кучеренко О.В., Шваров В.А. Внедрение роботизированной системы удаления шлама с днища парогенераторов на Нововоронежской АЭС. Доклад на V международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов атомной отрасли «КОМАНДА-2013». ОАО «СПбАЭП». Санкт-Петербург, июнь 2013г.

52 Шваров В.А. Очистка ТВС от отложений с помощью технической установки ультразвуковой очистки энергоблока №3 НВ АЭС. Этапы внедрения и технические характеристики установки. Доклад на 9-й международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». ОАО «Концерн Росэнергоатом». Москва, май 2014г.

53 Поваров В.П., Федоров А.И., Витковский С.Л., Шваров В.А., Полувековой опыт эксплуатации Нововоронежской АЭС. Доклад на международной научно-технической конференции «Полувековое обеспечение безопасности АЭС в России и за рубежом». Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция». Нововоронеж, сентябрь 2014г.

54 Кириченко А.М., Шваров В.А., Поваров В.П., Федоров А.И. ВАО и АЭС - синергия обеспечения безопасности. Доклад на международной научно-технической конференции «Полувековое обеспечение безопасности АЭС в России и за рубежом». Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция». Нововоронеж, сентябрь 2014г.

55 Поваров В.П., Витковский С.Л., Гончаров И.А., Галанин А.В., Колягина И.А., Шваров В.А., Бородин В.В. Химическая очистка теплообменного оборудования препаратом Вюгепех. "Энергетик", №5, 2015г.

56 Стырикович М.А., Полонский В.С., Циклаури Г.В. Тепломассобмен и гидродинамика в двухфазных потоках атомных электрических станций. Москва, Наука, 1982г.

57 Катковский С.Е. Процессы выброса и прятания примесей в парогенерирующих устройствах АЭС и ТЭС. Диссертация на

соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2002г.

58 Хлебников А.А. Пространственное распределение примесей в парогенерирующем оборудовании АЭС и ТЭС в стационарных и переходных процессах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2001 г.

59 Горбуров В.И., Иванов С.В., Кужаниязов О.С., Забабулин А.И., Гидродинамика теплоносителя и поведение примесей в КМПЦ РБМК в период останова блока. Известия вузов. Ядерная энергетика, №1, 2010г.

60 Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках. Москва, Энергоатомиздат, 2000г.

61 Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. Москва, МЭИ, 2005г.

Приложение 1

Расчет прочности

корпуса модуля ультразвукового

технической установки ультразвуковой очистки топливных кассет ВВЭР

1 Задача расчёта

1.1 В задачу расчёта входит:

- определение рабочих напряжений наиболее нагруженных элементов корпуса модуля при нормальной эксплуатации (НЭ), при гидравлическом испытании (ГИ) и при нормальной эксплуатации с учётом сейсмического воздействия (СВ);

- сравнение полученных напряжений с допускаемыми напряжениями, определёнными по соответствующим нормам.

2 Условия расчёта

2.1 Изделие относится к 3Н классу безопасности в соответствии с «Общими положениями обеспечения безопасности атомных станций ОПБ-88/97» НП-001-97.

2.2 Расчёт выполняется в соответствии с требованиями НП-031-01 «Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций». Категория сейсмостойкости изделия - II.

2.3 Учёт сейсмического воздействия производится по обобщенным спектрам ответа - см. ПН АЭ Г -7-002-89.

2.4 Рабочее состояние корпуса модуля

максимальный вес корпуса модуля вес жидкости, заполняющей корпус модуля

- рабочая температура

- плотность раствора

- расчетное внутреннее давление при НЭ

- максимальное гидростатическое давление при НЭ

Оп =1000даН О ж = 683даН

1 = 60е

3

р = 1100 даН / м

2

р = 3даН / см Ргс = Р •Ъ

где Ъ = 8.0м - максимальная высота уровня жидкости над корпусом модуля

ргс = 1100 • 8.0 = 8800даН / м2 = 0.88даН / см2

2.5 Гидравлические испытания (ГИ) аппарата производятся пробным давлением рпр = 3.75даН / см2.

Максимальное гидростатическое давление при ГИ:

Ргс.ги =Р НО •ь =1000 •316 = 3160 даН / м2 = 0.316даН / см2,

где Ъ = 3.16м - максимальная высота уровня жидкости в баке при ГИ Расчётное давление при ГИ:

2

Рги = Ргсги + Рпр = 0.316 + 3.75 = 4.07даН / см 2.6 Расчетная температура - 1 = 100°

2.7 Материал изделия: сталь 08Х18Н10Т (12Х18Н10Т). Механические характеристики:

ат = 1940даН/см - предел текучести при 60°С

60 2 аПр = 4800даН / см - предел прочности при 60°С

аТ00 = 1930даН / см2 - предел текучести при 100°С

стЦр0 = 4700даН / см2 - предел прочности при 100°С

Допускаемые напряжения при НЭ:

100 1СПП г 1 ат 1930 .___ тт. 2

[а] = —т— =-= 1285даН / см2

п 1.5

Г Т а1пр0 4700 2

[а]ид = 1810даН/см

пт 26

где nm = 2.6, n = 1.5 - запасы прочности. Допускаемые касательные напряжения:

[т] = 0.6 • [а] = 0.6 • 1285 = 770даН / см2

Допускаемые напряжения смятия:

Нсм = 06 • ат = 06 • 1930 = 1155даН / см2

Допускаемые напряжения сварных швов Нормальные напряжения:

Нсв.ш. = 06 • [а] = 0.6 • 1285 = 770даН / см2

Касательные напряжения:

Нсв.ш. = 0.6 • [а]св.ш. = 0.6 • 770 = 460даН / см2

Допускаемые напряжения при расчете на сейсмические нагрузки Нормальные напряжения:

[а]с = 1.5 • [а] = 1.5 • 1285 = 1930даН / см2

Касательные напряжения:

[т]с = 0.8 • [а] = 0.8 • 1285 = 1030даН / см2

Касательные напряжения:

[т]с = 0.8 • [а] = 0.8 • 1285 = 1030даН / см2

Допускаемые напряжения при гидроиспытании:

г 1 аТ0 1940 тт/ 2

|а|ги =-= 1615даН / см2

I 1.2 1.2 д

3 Определение дополнительных усилий от сейсмического воздействия

3.1 Расчётная схема - эквивалентная одномассовая система для вычисления первой собственной частоты

Рис. 3.1

3.2 Частота собственных колебаний

f =

2л \

а

M,

(3.1)

где Сэ - приведенный коэффициент жесткости; М э - приведенная масса.

3.2.1 Приведенный коэффициент жесткости

С э =

3.1 • Е • 1

ь

3

(3.2)

Н

где Е = 2 • 10--модуль упругости материала;

1

Ь = 3.16м - высота корпуса модуля;

I = = «10:511 = 0.00332м 4, 64 64

= 0.51м - наружный диаметр корпуса модуля.

еэ = =31 •211011 •000332 = 0.00065 • 1011 Н

Ь3 3.163 м

3.2.2 Приведенная масса бака Мэ = 0.243 • Мп • Ь + £• Мж, (3.3)

где Мп = 1000кг - масса корпуса модуля;

Ь = 3.16м - высота корпуса модуля; ^ = 1 - коэффициент присоединенной массы жидкости;

Мж = 683кг - масса жидкости, заполняющей корпус модуля.

Мэ = 0.243 • 1000 • 3.16 +1 • 683 = 1451кг

3.2.3 Частота колебаний

г=-1 •

2« у

Сэ 1

М 2« V

0.00065 • 10

11

1451

= 34Гц

3.3 Определение дополнительных нагрузок от СВ

3.3.1 Согласно ПНАЭГ-7-002-86 «Норм расчёта на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» расчёт выполнен с учетом одновременного воздействия в двух горизонтальных и

вертикальном направлениях при значении относительного коэффициента демпфирования К=2%.

По обобщенным спектрам ответа находим сейсмические ускорения в разных направлениях:

2

Горизонтальная компонента - _]х = 0.88м / с

2

Горизонтальная компонента - = 0.88м / с

2

Вертикальная компонента - = 0.38м / с

Суммарное горизонтальное ускорение: =д/ ]Х + ^ 0.882 + 0.882 = 1.25м / с2

Вертикальное ускорение: ]в = ]2 = 0.38м / с2

3.3.2 Дополнительные нагрузки от сейсмического воздействия Горизонтальная:

ддг = •(ап + Ож) = — • (1000 + 683)= 215даН g 9.81

где Оп = 1000даН - вес корпуса модуля;

О ж = 683даН - вес жидкости, заполняющей корпус модуля.

Вертикальная:

ддв = ^ .(а п + а ж )= — -(1000 + 683)= 66даН ё 9.81

3.4 Коэффициент динамичности при СВ

_ ^2 +((а п + а ж )+АОв )2

кд = (а п+ а ж) (34)

_ д/2152 + ((1000 + 683) + 66)2 _ д = (1000 + 683) = .

3.5 Определение сейсмического гидродинамического давления 3.5.1 Гидродинамические давления, вызываемые соответственно горизонтальной и вертикальной составляющими сейсмического ускорения

Арг = ^ • р, (3.5)

ё

Ар в = ^ • р, (3.6)

ё

2

где р = 3даН/см - расчётное давление в корпусе модуля при НЭ

1 25 о

Арг = — • 3 = 0.39даН / см2 г 9.81

Арв = 038 • 3 = 0.12 даН / см2 Рв 9.81

3.5.2 Полное гидродинамическое давление

Ар = Арв + Арг = 0.39 + 0.12 = 0.51даН / см2

3.6 Собственная частота свободных колебаний жидкости

г = 1

2"У

^-К^ • *(кп • Ь0) ,(3.7) Овн

где п 1 - для оценки достаточно учесть только первую собственную форму

к: = 1.84

Ь • 2 3.16 • 2 „ п0 =-=-= 12.64 - постоянный коэффициент

0 Овн 0.5

1 9.81 • 1.84• 2 , (л 0„ ^ ,

Г =----Ш(1.84 • 12.64) = 1.35Гц

2 V 0.5

3.7 Максимальное давление на крышку (днище) возникающее при СВ

Ару = ^ • р, (3.8)

у ё

где ]г(Г)= 10м/с2 - горизонтальная компонента сейсмического ускорения;

2

р = 3даН/см - расчётное давление в корпусе модуля при НЭ.

9.81

Ару = • 3 = 3.06даН / см

4 Проверка устойчивости корпуса модуля

4.1 Условие отсутствия опрокидывания при НЭ + СВ

Болт М20 (3шт) Приварыш

А

Г - Г (а) Г - Г (б)

Р

сдв

Р

сдв

▼ р

сж

▼Р.

сж

Оголовок

Рис. 4.1

Мопр = АРг • Ц <мусг =(ап + АРв)• я,(4.1)

1усг

где А<Зг = 215даН, А0в = 66даН, Оп = 1000даН, Ц = 149см; Я = 11см - минимальное плечо опрокидывания.

Мопр = 215 • 149 = 32035даН • см

Муст = (1000 + бб)-11 = 11726даН • см

Мопр = 32035даН • см > Муст = 1172бдаН • см

Условие отсутствия опрокидывания при НЭ + СВ не выполняется

Для предотвращения опрокидывания корпус модуля закрепляется болтами.

4.2 Расчет сварного шва (сечение А-А) при НЭ + СВ 4.2.1 Момент инерции сварного шва

Jсв = ^ • D - D4)= ^ • (224 - 214 )= 1952.45см4 св 64 V н в/ 64 V '

где DH = 22см, DB = 21см - наружный и внутренний диаметры шва.

4.2.2 Момент сопротивления сварного шва изгибу

= 1952.45 =177.5см3

св DH /2 22/2

4.2.3 Напряжения изгиба

Мопр -Муст 32035-11726 2^1 2

а =----— =-= 164даН/см <laUTTT =770даН/см

0.7 • WCB 0.7 • 177.5 L Jeam

4.3 Расчет оголовка (сечение Б-Б) при НЭ + СВ 4.3.1 Момент инерции сечения

Jсв = • (dH - D4)= ^ • (14.64 -10.64)= 1610.68см4 св 64 V н в/ 64 V '

где DH = 14.6см, DB = 10.6см - наружный и внутренний диаметры сечения.

4.3.2 Момент сопротивления сварного шва изгибу

Jсв 1610.68 3 W™ = —^ =-= 220.64см3

св DH /2 14.6/2

4.3.3 Напряжения изгиба

Мопр - Муст 32035-1172^ 2 ri ^ 2

а =----— =-= 132даН/см <|а| = 1285даН/см

0.7 • Wсв 0.7 • 220.64 L J

4.4 Расчет сварного шва (сечение В-В) при НЭ + СВ 4.4.1 Момент инерции сварного шва

Jсв = ^ • D -D4)= ^ • (и.94 -10.94)= 291.46см4 св 64 v н в/ 64 v '

где DH = 11.9см, Dв = 10.9см - наружный и внутренний диаметры

шва.

4.4.2 Момент сопротивления сварного шва изгибу

W = = 291.46 = 48.99см3 св DH/2 11.9/2

4.4.3 Напряжения изгиба

Мопр -Муст 32035-11726 2 ^Г1 ™ и/ 2 а =----— =-= 593даН/см <laUTTT = 770даН/см

0.7 • WCB 0.7 • 48.99 L *аш

4.5.1 Материал болта - сталь 12Х18Н10Т.

4.5.2 Усилия, действующие на стык

Усилие сдвига:

Мопр 32035

Рсдв =-— =-= 137даН

сдв Ь2 235

Усилие сжатия: Бсж = Лрв = 66даН

Момент, раскрывающий стык: М = Л<Зв • =66• 30.5 = 2013даН• см

4.5.3 Напряжения затяжки в стыке азат =к •(^Ы + аР ) - (42)

где К = 1.5 - коэффициент запаса по нераскрытию стыка; а ы - напряжения в стыке от действия момента:

М 2013 2

аМ.а=^ = -Т^ = 1325ДаН/см -

М 2013 _ тт . 2

аМ б =-=-= 2.49даН / см ,

Мб Wб 810

3

где Wа = 152см - момент сопротивления изгибу по варианту а;

3

Wб = 810см - момент сопротивления изгибу по варианту б;

124

а р - напряжения в стыке от растягивающего усилия:

66 _ . тт . 2

ар = -сж =-= 0.4даН / см2,

р А 163.3

2

где А = 163.3см - площадь стыка.

Напряжения затяжки:

азат.а = К •(стм.а +аР )= 1.5 • (13.25 + 0.4) = 20.5 даН / см азаг.б = к •(ам.б +аР )= 1.5 ^(2.49 + 0.4)= 4.4 даН / см2

4.5.4 Необходимое усилие затяжки одного болта М20 из условия отсутствия раскрытия стыка

а • А

зат

РЗат = , (4.3)

ъ

где ъ = 3 - число болтов, стягивающих стык.

РЗятя =азата А = 20 ,163 = 1115даН

А 20.5 • 163.3

зат.а /->

ъ 3

РЗатб = 0^ = = 240даН

ъ 3

4.5.5 Необходимое усилие затяжки одного болта М20 из условия отсутствия сдвига

К • Р™ + f • Р

зат _

р = , (4.4)

ъ • f

Г = 0.15 - коэффициент трения в стыке деталей (сталь по стали).

= 1^137 + 015-66 = зат 3 • 0.15 Д

4.5.6 Величина необходимого усилия затяжки одного болта М20

-Зэт = тах(РЗат а; -Зат б; -Зэт ) = тах(1115;240;480) = 1115даН

4.5.7 Параметры резьбы М20

ё = 2.0см - наружный диаметр резьбы; ё} = 1.729см - внутренний диаметр резьбы;

ё2 = 1.838см - средний диаметр резьбы; р = 0.25см - шаг резьбы;

=0.15 - коэффициент трения в резьбе (сталь по стали); 7 = 5 - рабочее число витков; к =0.75 - коэффициент полноты резьбы;

кт = 0.7 - коэффициент, учитывающий изменение деформации витков

^т

по высоте.

4.5.8 Необходимый момент на ключе

Мк = -зат • ^ • *ё(Р + р)- (4 5)

где р - угол подъёма винтовой линии:

р = аг^ё—= аг^ё 012о5о = 2.48°; л • а2 л • 1.838

р - угол трения:

р = aгctё(f 1) = аг^ё(0.15) = 8.53°;

Момент на ключе:

1 838 ( \

Мк = 1115 • • tё(2.48° + 8.53° )= 200даН • см

4.5.9 Максимальные напряжения растяжения при затяжке

а = Рзат _ <[а] (4.6)

0.785 • ё2

1115

а =-- = 476даН / см2 <[а]= 1285даН / см:

2

0.785 • 1.7292

4.5.10 Максимальные касательные напряжения при затяжке

х = <[х] (4.7)

0.2 •

200 9 г п

х =-- = 194даН / см2 < [х] = 770даН / см2

0.2 • 1.7293

4.5.11 Приведенные напряжения при затяжке

апр = л/4762 + 3 • 1942 = 583даН/см2 < ат = 4700даН/см2

4.5.12 Напряжения смятия витков резьбы М20

асм =--З2ат 2\ • < [а]см (4 9)

0.785 -(ё2 - )• 7 к1 • кт

1115 2 г 1 2

асм =-*—--^-= 536даН/см <[а]см =1155даН/см

0.785 • (2.02 -1.7292)• 5 • 0.75 • 0.7

4.5.13 Напряжения среза витков резьбы М20

т = ^^--<[т] (4.10)

л-ё2 • р• 7 к • кт

т =-1115---1-= 295даН / см2 <[т] = 770даН / см2

л-1.838• 0.25• 5 0.75• 0.7 1 J

Боб = 50.0см - внутренний диаметр обечайки; Боб = 0.5см - толщина обечайки; С = 0.05см - прибавка на коррозию;

5.2 Расчетная толщина стенки обечайки, подверженной внутреннему давлению

*'об % мб ' Р + С < Воб , (5.1) 2 • [а] • ф - р

где ф = 0.8 - коэффициент снижения прочности обечайки; р = 3даН / см2 - рабочее внутреннее давление.

50 • 3

=--+ 0.05 = 0.13см < Бпб = 0.5см

об 2 • 1285 • 0.8 - 3 об

5.3 Рабочие напряжения в обечайке при действии внутреннего избыточного давления при НЭ

с=[Роб + (Боб - С)]-[а] (52) 2 '(sоб - C)'ф .

а

[50 + (0.5-0.05)]• 3 „„ тт/ 2 г 1 тт/ 2

= ±—^-= 211даН / см2 < [а]= 1285даН / см2

2 • (0.5 - 0.05)• 0.8

5.4 Рабочие напряжения в обечайке при ГИ

^ [Роб + (воб - С)]- Рги Л1

аги =-—(-7л-< [а]ги -(5 3)

2 Ч88об - С)-Ф

2

где рги = 4.07даН/см - расчетное гидравлическое давление

[50 + (0.5-0.05)]-4.07 тт . 2 г 1 ^^ тт , 2

аги =1-)-^-= 286даН / см2 <[а|ги =1615даН / см2

ги 2 -(0.5 - 0.05)-0.8 1 ^

5.5 Рабочие напряжения в обечайке при НЭ + СВ

ас

[роб +(8об - С)] (Р + ЛРЬи]

=--7л-< [а]с -(54)

2 Ч88об - С)-Ф

2

где Лр = 0.51даН/см - полное гидродинамическое давление

ас

[50 + (0.5 - 0.05)]-(3 + 0.51) ^ тт , 2 г 1 тт , 2

=1-Ц-^-= 246даН / см2 < [а1 = 1930даН / см2

2 -(0.5 - 0.05)-0.8 1 *

Экр = 54см - диаметр болтовой окружности;

б кр = 0.5см - толщина крышки;

ёц = 17см - максимальное неукрепленное отверстие в крышке; С = 0.05см - прибавка на коррозию.