Termohydraulické testování paliva TVSAT pro JE Temelín ve ŠKODA JS

V souvislosti s přípravou kontraktu na dodávku paliva pro jadernou elektrárnu Temelín na další období kontaktovala ruská firma TVEL společnost ŠKODA JS a.s., ve věci technické podpory této dodávky. Poptávka vycházela ze znalosti prací, které byly v oblasti termohydrauliky reaktorů typu VVER na experimentálních zařízeních ve ŠKODA JS v minulosti uskutečněny, nebo které zajišťovaly její odborné týmy při spouštění jaderných bloků VVER-440 v Jaslovských Bohunicích, Dukovanech, Mochovcích a VVER-1000 v Temelíně. ZKUŠEBNÍ ZAŘÍZENÍ A KNOW-HOW ŠKODA JS se stala finálním dodavatelem primárního okruhu jaderných elektráren. Kromě rozvoje výrobní oblasti se ve firmě věnuje velká pozornost výzkumu. Od poloviny 70. let 20. století byla v experimentální hale v Plzni-Bolevci vybudována řada jednoúčelových experimentálních zařízení, zaměřených na výzkum termohydrauliky primárního okruhu, přestupu tepla v nestacionárních stavech a havarijního chlazení aktivní zóny. V polovině 80. let byla vybudována dvě rozsáhlá experimentální zařízení - velká vodní smyčka a stend LKP pro zkoušení lineárních krokových pohonů řídicích tyčí, na kterých je možno dosáhnout provozních parametrů jaderného reaktoru. Tato zařízení plní dvě funkce: jako zkušební zařízení pro závěrečné zkoušky pohonů regulačních orgánů pro reaktory typu VVER-440 a VVER- 1000, které firma vyrábí, a dále pro termohydraulické testování paliva pro jaderné reaktory stejného typu. Práce v oblasti termohydrauliky jaderných reaktorů se téměř 30 let řešily ve spolupráci s odborníky významných ruských organizací – vědeckého centra Kurčatovský institut a OKB Gidropress. Počátkem 90. let bylo rozhodnuto o záměně paliva pro dostavovanou jadernou elektrárnu Temelín. Pro licencování nového paliva, dodávaného firmou Westinghouse Electric, se ukázalo nezbytné provést řadu experimentálních prací k ověření termohydraulických charakteristik a mechanických vlastností nově navrženého palivového souboru. Pro tyto činnosti měla ŠKODA JS dobré předpoklady a to zejména: ? vybudované experimentální zařízení na zkoušky palivových kazet a pohonů řídicích tyčí ? dlouhodobé zkušenosti z experimentální činnosti v oblasti termohydrauliky reaktorů typu VVER ? zkušenosti s instrumentací a měřením na modelech palivových kazet. Pro firmu Westinghouse pak byly v období 1992-94 realizovány experimentální práce v tomto rozsahu: ? hydraulické zkoušky palivových kazet a jejich částí ? pády řídicích tyčí ? vibrační zkoušky kazet ? životnostní zkoušky kazet a řídicích tyčí ? mechanické zkoušky kazet ? testy kritických tepelných toků a míšení chladiva. Z uvedeného přehledu je zřejmé, že vzhledem k potřebné návaznosti informací o hydraulických charakteristikách nového a předchozího paliva je zkušebna ŠKODA JS jediným zařízením, kde lze hydraulické testy uskutečnit. TESTOVÁNÍ PALIVA TVSA-T V rámci testů paliva TVSA-T se ve společnosti ŠKODA JS uskuteční dva testy z možného rozsahu, a to: ? hydraulické zkoušky palivové kazety a jejich částí a ? pádové zkoušky klastru TVEL a Westinghouse. Ostatní potřebné testy byly realizovány na experimentálních stendech v Rusku. Důvody jsou více než praktické - experimentální testy jsou časově a finančně značně náročné. Řada z nich je bezprostředně spojena s vývojem jednotlivých komponent palivových souborů. Jde zejména o testy kritických tepelných toků a míšení chladiva, které musí být zahájeny již při ověřování možných konstrukčních variant jednotlivých dílů. Testy kritických tepelných toků byly ukončeny 6 let před dodávkou paliva na JE Temelín. HYDRAULICKÉ ZKOUŠKY KAZETY A JEJICH ČÁSTÍ Cílem hydraulických testů je stanovení koeficientů hydraulického odporu palivové části kazety, patice, hlavice, 1. distanční mřížky, 6 kombinovaných mřížek a hydraulického odporu celé makety. Testy budou probíhat v rozsahu následujících parametrů: ? tlak média: 15,7 MPa ? teplota média: 120, 220, 280 a 305 °C ? průtok média: od 200 do 600 m3.h-1 (s krokem po cca 50 m3.h-1) EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ Zkoušky budou provedeny na experimentálním stendu LKP. Jeho parametry umožňují dosáhnout nominálních hodnot parametrů chladiva jako v reaktoru VVER 1000. Hlavní částí je zkušební kanál, pomocná zařízení tvoří kompenzátor objemu, regenerátor, chladicí okruh, filtry, čerpadla a systém doplňování a odpadu. Stend je vybaven systémem měření a řízení provozních veličin - teploty, tlaku, tlakových diferencí, průtoku a odpovídajícím měřicím systémem pro sběr a zpracování experimentálních dat. Hlavní částí stendu je integrovaný zkušební kanál. Je tvořen tlakovým pláštěm, oběhovým čerpadlem, vnitřní vestavbou, ochrannou trubkou a elektrickým ohřívákem. Zkušební kanál je usazen na nosné konstrukci zkušební šachty. Vnitřní vestavba, která má tvar šestihranu, je umístěna v nosné trubce a vytváří prostor pro model palivového souboru s řídicími tyčemi. Dolní a horní část kanálu imitují vstupní a výstupní podmínky reaktoru. Cirkulaci vody zajišťuje vysokotlaké oběhové čerpadlo umístěné v mezikusu zkušebního kanálu. Mezikruhovým prostorem mezi pláštěm a nosnou trubkou proudí voda od čerpadla dolů, kde se obrací (tzv. Fieldova trubka) a přes měřicí mříž pro měření průtoku, opěrnou trubku a přes testovanou kazetu proudí zpět do čerpadla. Ve spodní části kanálu je elektrický ohřívák, tvořící dno tlakového pláště. Průtok je měřen na základě tlakové diference na měřicí mříži, která je umístěna pod opěrnou trubkou palivového souboru. Experimentální kanál je určen pro zkoušky pohonů řídicích tyčí. Pro hydraulické experimenty s palivovými soubory byla vnitřní vestavba upravena. Po výšce kanálu byly vytvořeny tlakové odběry, umožňující měřit tlakové diference mezi jednotlivými úseky zkoušené makety a tlakovou ztrátu celé kazety. PRINCIP HYDRAULICKÝCH TESTŮ M a k e t a s p o l u s klastrem je umístěna do šestihranného zkušebního kanálu stendu LKP. Stend je připraven k činnosti v souladu s provozními předpisy. Současně proběhne prověrka všech měřicích čidel a měřicího systému experimentální části. Stend je natlakován na provozní tlak, pracovní médium se ohřeje na hodnotu první teplotní hladiny a průtok je nastaven na nejnižší hodnotu. Po stabilizaci parametrů jsou všechny měřené veličiny snímány po stanovenou dobu. Po ukončení měření jsou parametry stendu přestaveny na další kombinaci teploty a průtoku. Po stabilizaci parametrů je proveden záznam všech měřených veličin. Tato činnost se nepřetržitě opakuje, až jsou naměřeny všechny zadané kombinace. Naměřené hodnoty tlakových diferencí jsou pro všechny zadané kombinace teploty a průtoku zpracovány podle dohodnuté metodiky. Výsledkem je závislost hydraulického odporu na průtoku. Příklad této závislosti je uveden na obrázku vlevo. Tato závislost bude stanovena jak pro maketu jako celek, tak pro její jednotlivé části. Pro potvrzení reprodukovatelnosti naměřených hodnot bude cca 30 % experimentálních bodů, tj. kombinací teploty a průtoku, opakováno do jednoho měsíce po ukončení základní série zkoušek. PÁDOVÉ ZKOUŠKY KLASTRŮ Základním cílem je experimentální prověření pádových charakteristik klastru výroby TVEL a klastru výroby Westinghouse v maketě palivového souboru TVSA-T. Tyto zkoušky proběhnou na stejném experimentálním stendu jako zkoušky hydraulické. Doba a průběh pádů budou sledovány celkově při 18 různých režimech provozu zkušebního kanálu postupně při teplotách 50, 120, 220 a 305 °C, a při průtoku média, odpovídajícímu 0, 60, 80 a 100 % nominálního průtoku. Doby a průběh pádu budou sledovány pomocí standardního ukazatele polohy LKP, používaného za provozu na JE Temelín. V každém provozním režimu se uskuteční tři pády příslušného klastru. Pro každý klastr to představuje celkem 54 pádů v průběhu celého testu. Nastávajícím testům předcházela důkladná příprava zařízení a celých týmů specialistů, která vyvrcholila modelovým provozem nadcházejícího testu, tzn. dvě zkoušky s odstupem cca dvou měsíců. Práce byly provedeny v plném rozsahu zadaných parametrů na testovací maketě, na něž se též uskutečnily testy před 13 lety. Výsledky testu jsou ve velké shodě s výsledky před 13 lety a reprodukovatelnost naměřených hodnot je na hranici 1 %.