ТВС-WR по состоянию на начало 2019 года

Предыдущая запись.

С начала "победного шествия ТВС-WR по Украине" прошло уже достаточно времени, чтобы сделать какие-то промежуточные выводы. Попробуем сделать их, как и раньше, в виде ответов на вопросы.

Были ли отказы ТВС-WR за прошедшее время?
Досрочно выгружены 2 кассеты после одного года эксплуатации: одна - в 2016 году из активной зоны блока №3 ЮУАЭС, вторая - в 2017 году из активной зоны блока №5 ЗАЭС. Но, судя по всему, досрочная выгрузка не связана ни с технологией изготовления топлива, ни с его герметичностью. Есть основания предположить, что выгрузка связана с результатами внешнего осмотра ТВС-WR, возможно, с выявлением в кассете посторонних предметов. Это проблема, но проблема эксплуатационная.

А можно ли проблему повреждения топлива посторонними предметами как-то решить?
Данная проблема - проблема культуры эксплуатации. Всё, что может сделать конструктор топлива - это бороться с последствиями, да и то только частично. Например, все поставляемые на украинские АЭС ТВСА с 2013 года оснащаются фильтрами в хвостовике ТВСА, улавливающими посторонние предметы (см., например, здесь слайд 32). К сожалению, 100% гарантии непропускания постороннего предмета, даже большого, фильтр не даст, да и маленький предмет, попав под дистанционирующую решётку, вполне может привести к повреждению оболочки твэла, в т.ч. к с квозному. А слишком мелкими фильтры делать попросту нельзя как из-за того, что это приводит к росту гидравлического сопротивления, так и из-за опасения перекрытия проходного сечения ТВС и ухудшения теплосъёма.
Американское топливо до настоящего момента антидебризными фильтрами не оснащалось.

Различаются ли подходы к обоснованию безопасности для американского и российского топлива?
Да, различаются, и достаточно серьёзно. В первую очередь это связано с материально-технической базой. Первоначально (да, пожалуй, и сейчас) у американцев она была получше, поэтому основные усилия в их подходе были направлены на разработку и проверку расчётных кодов, а затем на их повсеместное привлечение при выборе и проверке проектных решений. Там, где наши конструктора проводят сотни-тысячи испытаний макетов изделий и их конструктивных элементов, американцы могут обойтись десятком, заменяя остальное расчётами. Это не хорошо и не плохо - так сложилось. Наш подход, в силу больших затрат сил, материалов и времени, дороже и, собственно инициатива Росатома "5D проектирование" и является попыткой комплексного решения проблемы отставания в этой части. Надо только не забывать, что и проектные коды, и испытательные стенды имеют свои пределы применимости.
Во вторую очередь следует отметить, что изначально проектантами использовался т.н. "консервативный подход", который закладывает в оценку события все допуски на измерения, наше незнание и т.п. в наихудшую (для развития аварии) сторону (не исключено, что для аварий разного типа эти допуски будут разнонаправленными). После бурного развития коммерческой ядерной энергетики на западе был апробирован и в настоящее время принят на вооружение метод т.н. "наилучшей оценки" (т.н. best estimate method), немного о нём можно прочитать тут. Этот подход коммерчески оправдан, поскольку очень заметно снижает консерватизм, но пользоваться им надо с предельной осторожностью, поскольку он требует высокой научной и инженерной квалификации от исполнителей. Достаточно сказать, что для большинства иностранных заказов Росатом уже пытается применить именно этот подход (но безопасная эксплуатация ТВСА обонована в рамках традиционного консервативного подхода). Подозреваю, что именно метод наилучшей оценки применяется ЦПАЗом для обоснования безопасности смешанных и полностью "американских" топливных загрузок - американцы передавали именно ту методику лицензирования, которая была у них. Об этом, например, говорит превышение допустимой (для твэл ТВСА) величины линейного энерговыделения в твэле (448 Вт/см) в американских кассетах, начиная с 31-й топливной загрузки блока 2 ЮУАЭС (аналогичное ограничение для твэга ТВСА 360 Вт/см нарушается с момента загрузки американского ядерного топлива, , см. слайд 42 здесь).

Получается, что аварийные запасы у российского топлива меньше, чем у американского?
Беда в том, что именно так и думает украинская эксплуатация, и это в явном виде отражено, например, в документе Отчёт по периодической переоценке безопасности энергоблоков № 3, 4 ОП ЗАЭС. Комплексный анализ безопасности энергоблока №4. Он содержит лишь упоминание о том, что существует обоснование безопасной эксплуатации американского топлива, но основные цифры в нём приведены из обоснования безопасной эксплуатации ТВСА. Например, на стр.285 в явном виде говорится: "С точки зрения использования топлива «Westinghouse», то результаты полученные для ХАЭС, использующем ТВСА являются более консервативными."
Попробуем разобрать, почему такого не может быть, как минимум, для части определяющих аварий.
1) Американское топливо имеет т.н. "бланкеты" (примерно 5% от высоты топливной части вверху и внизу твэла занимает уран природного обогащения, см. слайд 38 здесь), их задача - служить отражателем нейтронов в активную зону. С точки зрения топливоиспользования - это очень хорошее решение, а сточки зрения анализа аварийных режимов - ухудшение начальных условий. В бланкете, в силу меньшего содержания урана-235, выделяется на порядок меньше энергии от деления урана, чем в прилегающей к нему топливной части, т.е. примерно та же мощность твэлом выделяется уже не со 100%, а с 90% от его длины. Это сказывается, например, на запасе до кризиса теплообмена.
2) Американское топливо имеет заметно (примерно на 10%, см. слайд 38 здесь) большую массу и, в силу отсутствия центрального отверстия в таблетке, гораздо большую среднюю температуру топлива. С точки зрения отрицательности обратных связей по мощности это хорошо (препятствует разгону блока), а вот с точки зрения анализа аварий с потерей теплоносителя или срывом теплосъёма - не очень. Большая масса и температура = большее запасённое в топливе в процессе набора мощности тепло, т.е. большее выделение энергии в теплоноситель в начале процесса, в течение нескольких минут после сброса аварийной защиты.
3) В силу большего гидравлического сопротивления (см. слайд 43 здесь) расход теплоносителя через американскую кассету в смешанной топливной загрузке примерно на 20% меньше, чем через ТВСА, что также не улучшает теплосъём с неё. По мере замещения ТВСА на ТВС-WR происходит рост гидравлического сопротивления на активной зоне, что, при тех же ГЦН, автоматически приводит к снижению общего расхода через активную зону (см. слайд 41 здесь).
Таким образом, Запорожская АЭС сравнивает два несравнимых по своей сути обоснования безопасности, полученных путём консервативной оценки (ТВСА) и методом наилучшей оценки (ТВС-WR).

А где-то можно посмотреть на результаты расчётов, подтверждающие ваши слова?
Конечно, причём расчёты выполнены ГНТЦ ЯРБ (экспертным органом украинского регулятора) и опубликованы в его официальном издании (1 и 2). Судя по всему, и распределение мощности твэла по высоте, и запасённая в твэле тепловая энергия в расчётах принимались одинаковыми для ТВСА и ТВС-WR, что, как мы рассматривали выше, не может быть справедливым для такого анализа, менялись только гидравлические характеристики кассет. Поскольку RELAP 5 является инженерным кодом, имеющим довольно значительное количество настроечных параметров, это могло сказаться и на точности оценки.  В частности, для меня является странной таблица 2, точнее то, что наихудшие условия охлаждения топлива складываются для полной активной зоны из ТВС-WR. По моим (качественным, а не количественным) оценкам наихудшие условия складываются во второй переходной топливной загрузке, когда соотношение ТВСА и ТВС-WR в ней примерно одинаково, а максимально напряжёнными кассетами являются ТВС-WR.

И что может сделать эксплуатация в такой ситуации?
Честно говоря, я не знаю. Эксплуатация на украинских АЭС (в первую очередь это касается ЗАЭС) достаточно грамотная, да и сам по себе проект ВВЭР-1000 (В-320) имеет довольно значительные запасы прочности, заложенные главным конструктором. Пугает то, с какой скоростью эти запасы "подъедает" внедрение американского топлива (а к этому сводится и повышение мощности блоков, и снижение консерватизма при оценке безопасности), да и падение уровня (или сознательное искажение фактов?) в украинской эксплуатирующей организации и у экспертов национального Регулятора не внушают большого оптимизма.
И всё-таки какое-то реагирование на внедрение нового топлива на украинских АЭС идёт. Меняются обоснования безопасности, осваивается новая методология, меняются аварийные инструкции, руководства (РУТА, РУЗА) и т.д. И это надо иметь ввиду нашим проектным и конструкторским организациям, когда и если они вернутся к работе с украинскими АЭС (сейчас НИЦ "Курчатовский институт" и ОКБ "Гидропресс" входят в украинский санкционный список, см. Приложение 2, п.137 и 138).

Любые дополнения, ссылки, интересные факты и вопросы приветствуются. Если смогу, постараюсь на них ответить.
Рекомендую обратить внимание на перечень открытых источников