onetwoclick.ruБирюков А.Н., Бакулин Д.В., Подосинников А.А. (АО «НИКИЭТ»)
Сегодня в России эксплуатируются 10 энергоблоков с реакторами РБМК-1000 на площадках Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС, доля которых в энергобалансе в зависимости от года составляет порядка 35 %. Срок службы реакторов РБМК на стадии проектирования предполагался равным 30 годам, и к настоящему времени все 10 энергоблоков перешагнули этот рубеж или приблизились к нему, для эксплуатации АЭС сверх этого срока специалистами АО «НИКИЭТ» выполнены работы по обоснованию возможности эксплуатации реакторов до 45 лет.
Одним из определяющих ресурс элементов реакторной установки (РУ) – является графитовая кладка.
Состояние графитовых колонн кладки реактора определяет геометрию всех каналов и внутризонных элементов при эксплуатации реактора. Под радиационнотермическим воздействием происходит сложные процессы изменения микро- и макрохарактеристик графитовых блоков, что связано с появлением радиационных дефектов в кристаллической решетке графита и изменением напряженнодеформированного состояния. Происходит изменение прочностных и теплофизических свойств графита, что ведет к уменьшению прочности и росту его температуры.
Также, в результате радиационно-термического воздействия изменяются геометрические размеры графитовых блоков: диаметр отверстия, высота граней и взаимное положение поверхностей, что приводит к их растрескиванию. Поскольку графитовые блоки в кладке установлены достаточно плотно, изменение геометрии даже незначительного числа блоков приводит к формоизменению всего массива колонн (рис. 1), что в свою очередь приводит к изменению условий эксплуатации важнейших элементов активной зоны: топливных каналов (ТК), тепловыделяющих сборок (ТВС), исполнительных механизмов регулирующих органов системы управления и защиты (СУЗ).
Рис. 1. Процесс формоизменения графитовой кладки
Для безопасной эксплуатации реакторной установки в условиях формоизменения графитовой кладки и связанного с ним искривления каналов на первый план выходит обеспечение следующих параметров:
- целостность внутризонных элементов (технологических каналов, каналов СУЗ, исполнительных механизмов СУЗ, каналов охлаждения отражателя (КОО);
- работоспособность (проходимость) исполнительных механизмов СУЗ;
- работоспособность тепловыделяющих сборок (ТВС), включая выполнение технологических операций (загрузка-выгрузка); теплотехническая надежность.
Для обеспечения возможности дальнейшей эксплуатации реакторов РБМК специалистами АО «НИКИЭТ» была разработана и внедрена в промышленную эксплуатацию технология восстановления ресурсных характеристик (ВРХ) графитовой кладки. Основными технологическими операциями технологии являются измерение стрелы прогиба, азимута и радиуса кривизны графитовых колонн, демонтаж внутризонных устройств и последующий продольный рез графитовых блоков (ГБ), выбранных по результатам контроля, и силовым воздействием на них (рис. 2). После выполнения механообработки ГБ проводятся контрольные измерения, калибровка отверстия и монтаж технологических каналов, сильфонов, калачей и обойм.
Рис. 2. Основные операции технологии ремонта
Кроме указанных выше процессов, деформации кладки, наблюдаемая в продленный срок эксплуатации энергоблоков, также приводит к исчерпанию проектного зазора «ГК-КЖ» – зазора между периферийными графитовыми колоннами каналов охлаждения отражателя и обечайкой металлоконструкции (МК) схемы «КЖ» что может привести к их касанию и последующему силовому взаимодействию. На рисунке 3 представлен эскиз периферийных колонн графитовой кладки и металлоконструкция схемы «КЖ». Как показывают результаты внутриреакторного контроля (рис. 4), контакт графитовых колонн происходит в первую очередь со шпилькой крепления ограничивающей планки, при этом наблюдается частичное выкрашивание графита. Также в ходе контроля зафиксированы ячейки с исчерпание зазора «ГК-КЖ» в районе максимального прогиба графитовых колонн.
Рис. 3. Эскиз периферийных колонн графитовой кладки и металлоконструкция схемы «КЖ»
Рис. 4. Примеры исчерпания зазора «ГК-КЖ»
Безопасность эксплуатации реакторных установок ( РУ) РБМК-1000 при контакте графитовой кладки и МК схемы «КЖ» была подтверждена прочностными расчетами, выполненными несколькими независимыми организациями. В соответствии с результатами расчетов герметичность МК схемы «КЖ» при совместном перемещении ее с графитовой кладкой до 50 мм обеспечивается. Однако, в связи с отсутствием экспериментальных данных, подтверждающих верность выполненных расчетных обоснований на текущий момент не допускается эксплуатация АЭС без гарантированного зазора между графитовой кладкой и кожухом реактора на протяжении всей эксплуатации в межремонтный период.
На первых этапах для решения поставленной задачи в короткие сроки применялась отработанная технология ВРХ для резки периферийных графитовых колонн ТК близких к месту исчерпания зазора. Результаты работ показали недостаточную эффективность данной ремонтной технологии в части управления зазором, кроме того возрастали сроки и объемы ремонта.
В 2017 году была разработана и внедрена технология по восстановлению зазора «ГК-КЖ» с помощью робототехнических средств по резке снаружи углов графитовых колонн каналов охлаждения отражателя. Восстановление зазора КЖ-ГК осуществляется двумя способами – фрезерованием и резанием (рис. 5). Технология успешно применена на первых очередях Ленинградской и Курской АЭС, а также на энергоблоке № 3 ЛАЭС.
Рис. 5. Резка граней периферийных графитовых колонн
В ходе накопления исходной информации было определено, что исчерпание зазора «ГК-КЖ» по высоте колонны происходит неравномерно – для каждого графитового блока характерна индивидуальная скорость уменьшения зазора и в центре активной зоны она является максимальной.
Для уменьшения объемов ремонтных работ, направленных на восстановление зазора «ГК-КЖ», и повышения точности прогнозных расчетов были проанализированы профили искривления технологических каналов (рис. 6).
Рис. 6. Профили искривления ТК
В результате анализа установлено, что для определения скорости исчерпания зазора «ГК-КЖ» справедливо соотношение
(1) где V i – скорость исчерпания зазора «ГК-КЖ» на уровне i-го графитового блока за межремонтный период (i = 1…14), мм/эф.сут;
V max – максимальная скорость исчерпания зазора « ГК-КЖ» (максимальная скорость прироста стрелы прогиба в колонне) за межремонтный период, мм/эф.сут;
A i – стрела прогиба на уровне i-го графитового блока (i = 1…14), мм;
A max – максимальная стрела прогиба в колонне, мм.
Из формулы (1) следует, что скорость исчерпания зазора «ГК-КЖ» определяется следующим образом:
где КПС – коэффициент прироста стрелы прогиба.
С учетом указанных особенностей, специалистами АО «НИКИЭТ» был разработан новый методический подход к прогнозированию зазора «ГК-КЖ», суть которого заключается в расчете значений коэффициентов прироста стрел прогибов, соответствующих относительным скоростям изменения искривления для каждого графитового блока в колонне.
Таким образом, максимально возможное исчерпание зазора «ГК-КЖ» с учетом КПС рассчитывается по формуле
где ?ГК-КЖ – уменьшение зазора « ГК-КЖ» за рассматриваемый (межремонтный) период, мм;
?T – межремонтный период, эф.сут.
Для подтверждения применимости разработанной методики прогнозирования значения зазора «ГК-КЖ» были выполнены следующие мероприятия:
- сформирована база данных значений зазора «ГК-КЖ», измеренных в 2017 году;
- выполнен прогнозный расчет значений зазора «ГК-КЖ» на 2018 год;
- полученные результаты расчетов сравнивались с фактическими результатами измерений 2018 года.
На рисунке 7 представлены графики результатов измерений и прогнозов зазора «ГК-КЖ». По результатам разработки в внедрения методики оптимизации объемов ремонта по восстановлению зазора «ГК-КЖ» сделаны выводы, что разработанная методика сохраняет консервативность для всех графитовых блоков и, при этом, позволяет сократить объемы ремонтных работ (и соответственно трудо- и дозозатраты персонала АЭС) по восстановлению зазора «ГК-КЖ» до 30 %.
Рис. 7. Результаты измерений и прогнозных расчетов значения зазора «ГК-КЖ» для каждого ГБ в колонне
Начиная с 2018 года прогноз зазора «ГК-КЖ» и определение объемов ремонта по данному критерию на энергоблоках с РУ РБМК-1000 проводится по разработанной методике с учетом КПС.
Таким образом, контроль величины зазора «ГК-КЖ» совместно с выполнением компенсирующих мероприятий, направленных на восстановление зазора, позволяют обеспечить безопасность эксплуатации РУ по данному критерию в период ускоренного формоизменения графитовой кладки.
В тоже время, для подтверждения выполненных расчетных обоснований о возможности эксплуатации в режиме силового взаимодействия, в настоящее время ведутся работы по организации экспериментальных исследований на базе АО «НИКИЭТ». Для моделирования характера взаимодействия графитовой кладки и металлоконструкции схемы «КЖ» сооружается масштабный стенд рис. 8.
Рис. 8. Модель стенда «ГК-КЖ»
В ходе исследований будет уточнен установленный расчетный критерий безопасной эксплуатации по зазору «ГК-КЖ», определено предельное совместное перемещение графитовой колонны и металлоконструкции. Кроме того будет выполнена оценка деформаций (при наличии) элементов «КЖ» – обечайки, зоны приварки сильфонных компенсаторов, крепежных элементов, а также характер разрушения графитовых блоков.
Полученные экспериментальные данные позволят уточнить методические подходы к формированию объемов ремонта, оптимизировать технологию управления зазором «ГК-КЖ» и обеспечить безопасную эксплуатацию РУ по данному критерию в период ускоренного формоизменения графитовой кладки.
