Критерии работоспособности и ограничения

Тепловыделяющий элемент включает в себя два из пяти физических барьеров на пути распространения радиоактивных веществ: топливную матрицу и оболочку твэла. Остальными барьерами являются герметичный ПК установки, локализующая система герметичных помещений и система радиационной защиты.

Существует два механизма разрушения (или потери эффективности) твэльных барьеров при работе на мощности и расхолаживании РУ.

Рис. 5.5 Распределение ячеек активной зоны РУ СМ-3 по максимально достижимому энерговыделению в топливе в течение кампании

Первый - расплавление твэла вследствие скачкообразного повышения температуры твэла в результате возникновения кризиса теплообмена. В табл. № 5.5 приведены критические значения мощности твэлов по группам ячеек при номинальных параметрах теплоносителя. Гидропрофилирование обеспечивает одинаковый для всех ячеек запас до кризиса теплообмена в условиях нормальной эксплуатации, равный 1,26 (см. 5.4.2).

Второй механизм повреждения твэльного барьера с выходом продуктов деления в ПК относится к твэлам с выгоревшим топливом и связан с потерей топливной матрицей при перегреве твэла способности удерживать газовые продукты деления и деформацией под их действием оболочки твэла с последующей ее разгерметизацией. Деформация (формоизменение) оболочки проявляется в образовании вздутий в ее впадинах. Причина образования вздутий - не распухание топливной композиции, а деформация оболочки под действием осколочных газов, выделившихся из топливной композиции при ее перегреве. На внутренней поверхности оболочки в характерных местах концентрации изгибных напряжений образуются межзеренные трещины, раскрытие которых приводит к разгерметизации оболочки и выходу осколочных газов [5.14, 5.15]. В реакторных условиях расплавление твэла может происходить уже на стадии начала деформации оболочки в результате сопровождающих этот процесс нарушений условий теплосъема в сборке.

Твэлы со свежим топливом выдерживают нагревы до 1000 ⁰С без каких-либо признаков изменений. Перегрев твэлов до 400 ⁰С со средней скоростью 0,4 ⁰С/с не приводит к разгерметизациям до значений выгорания топлива 60 %. Испытания твэлов при 700 ⁰С с выгоранием топлива до 20 % не вызывает их разгерметизацию, хотя происходящие при этом формоизменения оболочки (отслоения, образование вздутий) делают твэлы не пригодными для дальнейшей эксплуатации. Перегрев твэлов свыше 700 ⁰С с выгоранием, большем 30¸35 %, а также свыше 800 ⁰С с выгоранием >10% приводит к разгерметизации их оболочек.

По результатам термических испытаний твэлов [5.14, 5.16, 5.17] в качестве максимально-допустимой температуры сердечника с выгоранием до 30 % можно принять значение 680 °С. Это значение близко к основному проектному критерию работоспособности твэла СМ-2, в качестве которого разработчиками твэла рекомендуется максимальная температура топливной композиции, равная 700⁰С [5.18].