Изобретение ТВЭЛ вошло в топ-100 лучших в России

Разработка ТВЭЛ вошла в топ‑100 лучших изобретений Роспатента за 2019-й и первое полугодие 2020 года. Это тепловыделяющая сборка с новой конструкцией ячеек перемешивающей решетки. Изобретение позволит увеличить мощность АЭС на 10 %. О том, что такое кризис теплообмена, чем твэлы похожи на кастрюлю и почему важен каждый процент мощности атомной станции, мы поговорили с одним из авторов проекта, главным специалистом отдела главного конструктора НЗХК Мстиславом Шустовым.

— Правообладатель патента — ​ТВЭЛ, но сама разработка «Тепловыделяющая сборка для ядерного реактора» — ​продукт коллективного творчества инженеров и ученых НЗХК, ФЭИ и «Гидропресса». Какова была ваша роль в проекте?

— Я придумал особую конструкцию ячеек перемешивающей решетки тепловыделяющей сборки. Это было еще в 2008 году в Обнинске, на одном из отраслевых семинаров по интенсификации теплообмена. Слушая доклад коллеги, я просто сделал несколько набросков пришедшего в голову технического решения. Идея оказалась правильной, чертеж лег в основу будущего изделия. Потом несколько лет мы с коллегами доводили проект до ума. По нашим расчетам, использование решеток нового типа позволит поднять мощность АЭС до 104–110 %.

Реактивная кастрюля

— В чем суть разработки?

— Начну с теории. Поднятие мощности реактора чревато различными побочными эффектами, главный из них — ​кипение теплоносителя, что очень опасно: возникает риск разрушения оболочки твэла. Этот момент называется кризисом теплообмена, до него доводить нельзя. Нужно сдвинуть момент наступления кризиса в область более высокого теплового потока, тогда можно будет использовать полученный запас для повышения мощности.

— И как это сделать?

— Во всем мире проблема решается с помощью улучшения теплообмена между поверхностью твэла и теплоносителем. Теплоноситель по сечению активной зоны и даже по сечению отдельной ТВС подогревается неравномерно. Где-то вода чуть горячее, где-то чуть холоднее. Если удастся ее перемешать, температура в горячей струе станет ниже, и запас для поднятия мощности увеличится.

Еще одна проблема — ​пузырьки газа на стенках твэлов, которые образуются в самой горячей, верхней части активной зоны реактора. Вспомните обычную кастрюлю: когда вода начинает закипать, на стенках образуются пузырьки воздуха. Такие же пузырьки появляются на стенках твэлов. И это очень опасно. Если возникнет паровая пленка, то процесс теплопередачи резко ухудшится, произойдет перегрев циркониевой стенки, возникнет риск сильной коррозии, что грозит разгерметизацией. Если убрать пар со стенок и подвести к ним воду, мы отодвинем момент возникновения кризиса теплообмена.

В реакторах PWR западного дизайна, где были впервые внедрены перемешивающие решетки, эта задача решается с помощью специальных дефлекторов, которые воздействуют на поток. Но там упаковка твэлов квадратная, и решетки пластинчатого типа, на них дефлекторы сделать легко. У отечественных реакторов типа ВВЭР такие решетки получаются очень сложной конфигурации, в каждой полсотни уникальных деталей. Причина в треугольной упаковке твэлов, плюс есть нарушения регулярности в местах расположения направляющих каналов. Мы придумали альтернативу — ​перемешивающие решетки из привычных ячеек, только особой формы. Для выравнивания температуры и удаления пара разработано два типа перемешивающих решеток: «Прогонка» и «Вихрь».

Тестирование в Балакове

— Как вся эта схема работает?

— Перемешивающие решетки устанавливаются в четырех пролетах в верхней части ТВС. Те, что относятся к типу «Прогонка», идут в первые два из них, туда, где теплоноситель еще достаточно холодный и пара почти нет. Ячейки решетки сконструированы так, что проходящие через них струи теплоносителя перемешиваются — ​вход и выход смещены друг относительно друга, — ​это и выравнивает температуру. А для удаления пузырьков пара с твэлов применяются решетки типа «Вихрь». Проходя через их ячейки, поток начинает вращаться, центробежная сила отбрасывает воду на периферию этого вихря, а пар собирает в центре. Момент начала кризиса теплообмена отодвигается. Инженерное решение простое: в решетке типа «Прогонка» все ячейки одинаковые, в конструкции решетки «Вихрь» используется два вида ячеек. Их можно штамповать на тех же прессах и сваривать теми же роботами, что и при изготовлении обычных дистанционирующих решеток.

— На какой стадии сейчас проект?

— Первую партию ТВС с перемешивающими решетками нового типа мы выпустили в 2014 году. Сейчас налажено промышленное производство. Продукция рассчитана на реакторы ВВЭР‑1000 и ВВЭР‑1200. Пока что у нас один заказчик на эту линейку — ​с 2017 года мы поставляем такие сборки на Балаковскую АЭС. Ими полностью укомплектован четвертый энергоблок. Впереди эксперимент по подъему мощности энергоблока до 107 % от номинальной.

Дорог каждый процент

— Эксперимент идет уже 12 лет. Почему так долго?

— Я бы не сказал, что это долго, учитывая фронт работ. Сначала мы должны были доказать, что ТВС действительно позволит увеличить теплоотдачу. С 2008 по 2014 год шли теоретические изыскания, обсуждения, эксперименты. Надо было обработать сотни экспериментальных точек, чтобы продемонстрировать безопасную работу в любом режиме. За шесть лет мы, как разработчики, решили локальную задачу, нашли способ, как снять с ТВС больше тепловой мощности.

Но эту мощность нужно обработать в первом, втором и третьем контурах энергоблока, на турбине, в генераторе, в передающей сети — ​огромный комплекс задач для того, чтобы начать эти мегаватты получать на стороне АЭС и сетей. Все оборудование станции должно позволять поднять мощность. С полной гарантией безопасности, в чем нужно убедить Ростехнадзор. Над этой задачей теперь бьются наши коллеги. Кроме того, для распространения результатов на другие энергоблоки нужно постепенно, в течение четырех-пяти лет, заместить обычное топливо в активных зонах на топливо с новыми перемешивающими решетками. До реального внедрения в генерацию пройдут еще годы.

— Стоит ли овчинка выделки?

— Конечно! Даже 1 % сверх номинальной мощности — ​это колоссальные деньги. В масштабах даже одной АЭС это миллионы рублей в год. Затраты на техническое обеспечение окупятся.

Дмитрий Мальчевский
Начальник отдела по разработке ядерного топлива, ТВЭЛ

— От рождения идеи турбулизирующей решетки «Вихрь» до ее воплощения в металле и проведения первых стендовых испытаний в «Гидропрессе» прошло немного времени. Первые результаты тех испытаний показали ошеломительный результат в повышении критического теплового потока. По их результатам было экспериментально определено оптимальное место размещения решеток «Вихрь» — ​в пролетах между обычными дистанционирующими решетками. Затем были проведены эксперименты по определению критических тепловых потоков на стендах в ФЭИ, подтвердившие эффективность. Разработан и изготовлен полномасштабный макет ТВС‑2М, который прошел комплекс стендового экспериментального обоснования, подтвердивший надежность конструкции, выполнены расчетные работы в обоснование безопасности. Все это позволило получить лицензию Ростехнадзора и в 2014 году начать опытно-промышленную эксплуатацию ТВС‑2М на Балаковской АЭС, которая была успешно закончена в начале 2020 года.