4. Корни проблем
Предыдущий материал.
Силовой каркас и у российской, и у американской сборок очень похож!..
Похож, да не очень. Под силовым каркасом кассеты мы обычно подразумеваем совокупность ЦТ, ДР и НК. Ранее мы уже вскользь упомянули о том, что и каркас ТВС-М (из-за применения стали вместо циркония) и каркас ТВСА (из-за дополнительного внешнего "получехла" из уголков, прикреплённых к ДР) являются более жёсткими, чем каркас ТВС-W. Любое такое различие имеет и плюсы, и минусы. Плюсом более жёсткого каркаса является его сопротивляемость возможному формоизменению вод воздействием внешних либо внутренних сил, минусом - сопротивляемость выпрямлению (например, под воздействием собственного веса при перегрузке в штанге перегрузочной машины (ПМ), если такое формоизменение уже произошло. Исходя из того, что кассету перегружают в активной зоне 2-3 раза в течение её эксплуатации (3-4 топливных кампании), правильным будет некая "золотая середина", позволяющая снимать возможное формоизменение в процессе перегрузки топлива. С этой точки зрения ТВСА является даже "избыточно жёсткой". В оправдание применения ТВСА нужно вспомнить о причинах появления такой конструкции, но это отдельная история, на момент внедрения ТВСА на АЭС Украины этот шаг был необходим.
Вернёмся к ТВС-W. Внимательно посмотрите на количество и расположение элементов силового каркаса в российском шестигранном топливе и "квадратном" топливе PWR на эскизах здесь. С моей точки зрения, можно говорить о том, что с американцами злую шутку при проектировании сыграло то обстоятельство, что в квадратной кассете каркас надёжно удерживал кассету от формоизменения (на самом деле изменение геометрии кассет PWR имело место, но в куда меньших масштабах, чем это наблюдалось для ВВЭР-1000, и виной тому именно различие в геометрии кассет). В "квадрате" расположение НК практически равномерное по сечению кассеты, включая её периферию, что, в совокупности с большей (по сравнению с толщиной оболочки твэлов) толщиной НК, приводит к достаточному сопротивлению каркаса на изгиб и скручивание. В любой кассете ВВЭР-1000 это не так, внимательно посмотрите, НК занимают центральную область шестигранного сечения и их заметно меньше. Если убрать твэлы, то оставшийся "в одиночестве" каркас значительно серьёзнее восприимчив и к осевой нагрузке и к нагрузке на скручивание. Поэтому важно, как каркас кассеты ВВЭР-1000 взаимодействует с твэлами, придающими ему дополнительную жёсткость (вспомните притчу о венике и сыновьях).
Но и у российской, и у американской сборок каркас взаимодействует с твэлами в дистрешётках. Более того, вы сами написали, что твэлы в каркасе ТВС-W зажаты сильнее, чем в каркасе ТВСА, т.е. каркас ТВС-W жёстче!..
Именно так! Но есть один момент, который нивелирует сказанное - твэлы ТВС-W по аналогии с "квадратными" кассетами не закреплены в нижней решётке (нижнем концевике ТВС). Если рассматривать силовой каркас ТВС-W как стержень, то этот стержень воспринимает приложенную нагрузку на изгиб и скручивание самостоятельно в обеих точках крепления и в верхнем узле крепления к головке ТВС-W (жёстко закреплённой в верхнем блоке) и в нижнем узле крепления в нижнем концевике ТВС-W (полужёстко закреплённой в посадочном гнезде). Во всех ТВС ВВЭР-1000 российской конструкции в нижнем узле крепления нагрузка распределяется между каркасом и твэлами.
В итоге получаем совершенно невероятную ситуацию: каркас ТВС-W воспринимает нагрузку самостоятельно в районе его крепления к концевым деталям и вынуждено передаёт её на пучок твэлов, поскольку он жёстко скреплён с каркасом. Такое искривление или скручивание (если оно происходит) передаётся на пучок твэлов далеко не сразу, однако, достаточно части твэлов начать смещаться в новое положение, такое искривление фиксируется ДР уже в новом положении.
А из-за чего вообще кассета может начать искривляться?..
Причин для попытки искривления кассеты много, они присутствуют всегда и в разных комбинациях, и далеко не всегда кассета им может сопротивляться. Попробуем перечислить основные:
1) Несоответствие осевых усилий на кассету тому пределу, который может выдержать кассета без искривления. Кассета всегда находится под сжимающим усилием - необходимо предотвратить её всплытие и вибрацию /да, именно так, собственного веса кассеты не хватает, настолько велики скорости теплоносителя в ВВЭР/.
2) "Овальность" посадочных гнёзд. Посадочное гнездо имеет контакт "шар по конусу". При наличии даже незначительного отклонения от точной окружности возникает выбранное направление отклонения даже при проектных усилиях поджатия кассеты, в результате доли миллиметра в посадочном гнезде на длине кассеты в 4+ метра потенциально могут вылиться в максимальное отклонение в десятки миллиметров.
3) Поперечное воздействие от соседних (уже искривлённых) кассет. Думаю, тут всё понятно.
4) Терморадиационный рост твэлов. Цирконий - очень капризный материал с большим количеством фаз, их взаимодействие между собой в условиях термических циклов и облучения приводит к росту оболочек твэлов. Рост этот не линейный, но, чаще всего, он пропорционален потоку нейтронов в кассете. Поток нейтронов по поперечному сечению кассеты, как правило, имеет серьёзный градиент (наиболее заметен он на периферии активной зоны) и, если усилие от неравномерного роста твэлов через дистанционирующую решётку передаётся на каркас, новая форма может быть закреплена...
Все механизмы присутствуют. Все механизмы влияют на все типы кассет ВВЭР, но, думаю, что последний оказывает преимущественное влияние именно на ТВС-W - твэлы в их ДР не имеют возможности проскальзывания. Справедливости ради, не следует забывать о возможном влиянии механизма 4) на ТВСА, только тут влияют не твэлы, а возможен неравномерный терморадиационный рост внешнего каркаса.
Неужели это не было ясно изначально, и проектировщик не мог использовать наработки российского топлива?
Подозрения были, несмотря на расчётное подтверждение достаточной изгибной жёсткости конструкции /результаты испытания макета ТВС-W на изгиб, видимо, видели немногие/. На аккуратное зондирование возможности применения технологий и решений для топлива ВВЭР-440, полученных Вестингаузом при покупке ядерной части Вестингауза BNFL, был получен официальный ответ о достаточной квалификации специалистов Вестингауза. Неофициально же было заявлено, что никто ради тех незначительных объёмов производства, которые предполагал ПКЯТУ, менять линии и осваивать новые операции не будет.
Здесь нужно отметить, что в момент начала ПКЯТУ было ясно, что себестоимость сборки Вестингауза будет выше российской даже при одинаковых объёмах поставок. Даже если вкладывать один и тот же уран, ЕРР и конверсию, стоимость фабрикации в Европе и США выше, чем в России. И альтернативная кассета рассматривалась именно в качестве резерва в случае форс-мажора: если не удаётся купить более дешёвое российское топливо, заказываем его у альтернативного поставщика, а на время разворота производства в Вестингаузе предполагалась работа за счёт резерва топлива на узле свежего топлива (УСТ) - его ещё надо было создать. И обо всех этих планах американцы были в курсе.
Но ведь контракт меняет всё! Тут уже отговорка после сообщений о увеличении мощности линии для нужд Украины не работает...
Продолжение. Вопросы, предложения и замечания приветствуются.
Силовой каркас и у российской, и у американской сборок очень похож!..
Похож, да не очень. Под силовым каркасом кассеты мы обычно подразумеваем совокупность ЦТ, ДР и НК. Ранее мы уже вскользь упомянули о том, что и каркас ТВС-М (из-за применения стали вместо циркония) и каркас ТВСА (из-за дополнительного внешнего "получехла" из уголков, прикреплённых к ДР) являются более жёсткими, чем каркас ТВС-W. Любое такое различие имеет и плюсы, и минусы. Плюсом более жёсткого каркаса является его сопротивляемость возможному формоизменению вод воздействием внешних либо внутренних сил, минусом - сопротивляемость выпрямлению (например, под воздействием собственного веса при перегрузке в штанге перегрузочной машины (ПМ), если такое формоизменение уже произошло. Исходя из того, что кассету перегружают в активной зоне 2-3 раза в течение её эксплуатации (3-4 топливных кампании), правильным будет некая "золотая середина", позволяющая снимать возможное формоизменение в процессе перегрузки топлива. С этой точки зрения ТВСА является даже "избыточно жёсткой". В оправдание применения ТВСА нужно вспомнить о причинах появления такой конструкции, но это отдельная история, на момент внедрения ТВСА на АЭС Украины этот шаг был необходим.
Вернёмся к ТВС-W. Внимательно посмотрите на количество и расположение элементов силового каркаса в российском шестигранном топливе и "квадратном" топливе PWR на эскизах здесь. С моей точки зрения, можно говорить о том, что с американцами злую шутку при проектировании сыграло то обстоятельство, что в квадратной кассете каркас надёжно удерживал кассету от формоизменения (на самом деле изменение геометрии кассет PWR имело место, но в куда меньших масштабах, чем это наблюдалось для ВВЭР-1000, и виной тому именно различие в геометрии кассет). В "квадрате" расположение НК практически равномерное по сечению кассеты, включая её периферию, что, в совокупности с большей (по сравнению с толщиной оболочки твэлов) толщиной НК, приводит к достаточному сопротивлению каркаса на изгиб и скручивание. В любой кассете ВВЭР-1000 это не так, внимательно посмотрите, НК занимают центральную область шестигранного сечения и их заметно меньше. Если убрать твэлы, то оставшийся "в одиночестве" каркас значительно серьёзнее восприимчив и к осевой нагрузке и к нагрузке на скручивание. Поэтому важно, как каркас кассеты ВВЭР-1000 взаимодействует с твэлами, придающими ему дополнительную жёсткость (вспомните притчу о венике и сыновьях).
Но и у российской, и у американской сборок каркас взаимодействует с твэлами в дистрешётках. Более того, вы сами написали, что твэлы в каркасе ТВС-W зажаты сильнее, чем в каркасе ТВСА, т.е. каркас ТВС-W жёстче!..
Именно так! Но есть один момент, который нивелирует сказанное - твэлы ТВС-W по аналогии с "квадратными" кассетами не закреплены в нижней решётке (нижнем концевике ТВС). Если рассматривать силовой каркас ТВС-W как стержень, то этот стержень воспринимает приложенную нагрузку на изгиб и скручивание самостоятельно в обеих точках крепления и в верхнем узле крепления к головке ТВС-W (жёстко закреплённой в верхнем блоке) и в нижнем узле крепления в нижнем концевике ТВС-W (полужёстко закреплённой в посадочном гнезде). Во всех ТВС ВВЭР-1000 российской конструкции в нижнем узле крепления нагрузка распределяется между каркасом и твэлами.
В итоге получаем совершенно невероятную ситуацию: каркас ТВС-W воспринимает нагрузку самостоятельно в районе его крепления к концевым деталям и вынуждено передаёт её на пучок твэлов, поскольку он жёстко скреплён с каркасом. Такое искривление или скручивание (если оно происходит) передаётся на пучок твэлов далеко не сразу, однако, достаточно части твэлов начать смещаться в новое положение, такое искривление фиксируется ДР уже в новом положении.
А из-за чего вообще кассета может начать искривляться?..
Причин для попытки искривления кассеты много, они присутствуют всегда и в разных комбинациях, и далеко не всегда кассета им может сопротивляться. Попробуем перечислить основные:
1) Несоответствие осевых усилий на кассету тому пределу, который может выдержать кассета без искривления. Кассета всегда находится под сжимающим усилием - необходимо предотвратить её всплытие и вибрацию /да, именно так, собственного веса кассеты не хватает, настолько велики скорости теплоносителя в ВВЭР/.
2) "Овальность" посадочных гнёзд. Посадочное гнездо имеет контакт "шар по конусу". При наличии даже незначительного отклонения от точной окружности возникает выбранное направление отклонения даже при проектных усилиях поджатия кассеты, в результате доли миллиметра в посадочном гнезде на длине кассеты в 4+ метра потенциально могут вылиться в максимальное отклонение в десятки миллиметров.
3) Поперечное воздействие от соседних (уже искривлённых) кассет. Думаю, тут всё понятно.
4) Терморадиационный рост твэлов. Цирконий - очень капризный материал с большим количеством фаз, их взаимодействие между собой в условиях термических циклов и облучения приводит к росту оболочек твэлов. Рост этот не линейный, но, чаще всего, он пропорционален потоку нейтронов в кассете. Поток нейтронов по поперечному сечению кассеты, как правило, имеет серьёзный градиент (наиболее заметен он на периферии активной зоны) и, если усилие от неравномерного роста твэлов через дистанционирующую решётку передаётся на каркас, новая форма может быть закреплена...
Все механизмы присутствуют. Все механизмы влияют на все типы кассет ВВЭР, но, думаю, что последний оказывает преимущественное влияние именно на ТВС-W - твэлы в их ДР не имеют возможности проскальзывания. Справедливости ради, не следует забывать о возможном влиянии механизма 4) на ТВСА, только тут влияют не твэлы, а возможен неравномерный терморадиационный рост внешнего каркаса.
Неужели это не было ясно изначально, и проектировщик не мог использовать наработки российского топлива?
Подозрения были, несмотря на расчётное подтверждение достаточной изгибной жёсткости конструкции /результаты испытания макета ТВС-W на изгиб, видимо, видели немногие/. На аккуратное зондирование возможности применения технологий и решений для топлива ВВЭР-440, полученных Вестингаузом при покупке ядерной части Вестингауза BNFL, был получен официальный ответ о достаточной квалификации специалистов Вестингауза. Неофициально же было заявлено, что никто ради тех незначительных объёмов производства, которые предполагал ПКЯТУ, менять линии и осваивать новые операции не будет.
Здесь нужно отметить, что в момент начала ПКЯТУ было ясно, что себестоимость сборки Вестингауза будет выше российской даже при одинаковых объёмах поставок. Даже если вкладывать один и тот же уран, ЕРР и конверсию, стоимость фабрикации в Европе и США выше, чем в России. И альтернативная кассета рассматривалась именно в качестве резерва в случае форс-мажора: если не удаётся купить более дешёвое российское топливо, заказываем его у альтернативного поставщика, а на время разворота производства в Вестингаузе предполагалась работа за счёт резерва топлива на узле свежего топлива (УСТ) - его ещё надо было создать. И обо всех этих планах американцы были в курсе.
Но ведь контракт меняет всё! Тут уже отговорка после сообщений о увеличении мощности линии для нужд Украины не работает...
Продолжение. Вопросы, предложения и замечания приветствуются.