TERMOHYDRAULICKÉ TESTOVÁNÍ PALIVA TVSA-T PRO JE TEMELÍN Ing. Václav Bláha Škoda Plzeň V souvislosti s přípravou kontraktu na dodávku paliva pro JE Temelín na další období, poptala firma TVEL ve ŠKODA JS a.s. možnost technické podpory této dodávky. Tato poptávka vycházela ze znalosti prací, které byly v oblasti termohydrauliky reaktorů typu VVER na experimentálních zařízeních ve ŠKODA JS a.s. v minulosti realizovány, nebo které zajišťovali odborné týmy této společnosti při spouštění jaderných bloků VVER-440 v Jaslovských Bohunicích, Dukovanech, Mochovcích a bloků VVER-1000 v Temelíně. ŠKODA JS a.s. se stala finálním dodavatelem primárních okruhů jaderných elektráren a kromě rozvoje výrobní oblasti byla rozvíjena i oblast vědy a výzkumu. Od poloviny 70 let minulého století byla v experimentální hale na Bolevci vybudována řada jednoúčelových experimentálních zaměřených na výzkum termohydrauliky primárního okruhu, přestupu tepla v nestacionárních stavech a havarijního chlazení aktivní zóny. V polovině osmdesátých byla vybudována dvě rozsáhlá experimentální zařízení a to Velká vodní smyčka a stend LKP, na kterých je možno dosáhnout provozních parametrů jaderného reaktoru. Tato zařízení plně dvě funkce. Jednak jako zkušební zařízení pro závěrečné zkoušky pohonů regulačních orgánů pro reaktory typu VVER-440 a VVER-1000, které firma vyrábí a jednak pro termohydraulické testování paliva pro jaderné reaktory tohoto typu. Práce v oblasti termohydrauliky jaderných reaktorů byly téměř 30 let řešeny ve spolupráci s odborníky významných ruských organizací - IAE Kurčatova a OKB Gidropres. Počátkem 90 let minulého století bylo rozhodnuto o záměně paliva pro dostavovanou jadernou elektrárnu Temelín a pro licencování nového paliva, dodávaného firmou WEC, bylo nezbytné provést řadu experimentálních prací pro ověření termohydraulických charakteristik a mechanických vlastností nově navrženého palivového souboru. Pro provedení těchto činností měla ŠKODA JS a.s. dobré předpoklady a to zejména - vybudované experimentální zařízení na zkoušky palivových kazet a pohonů řídících tyčí - dlouhodobé zkušenosti z experimentální činnosti v oblasti termohydrauliky reaktorů typu VVER - zkušenosti z instrumentací a měřením na modelech palivových kazet Pro firmu WEC pak byly v období 1992 až 1994 realizovány experimentální práce následujícího rozsahu a) hydraulické zkoušky palivových kazet a jejich částí b) pády řídících tyčí c) vibrační zkoušky kazet d) životnostní zkoušky kazet a řídících tyčí e) mechanické zkoušky kazet f) testy kritických tepelných toků a míšení chladiva
Z výše uvedeného přehledu je více než zřejmé, že z pohledu návaznosti informací o hydraulických charakteristikách nového paliva na hydraulické charakteristiky paliva předchozího, je ŠKODA JS a.s. jediným možným realizátorem hydraulických testů. Testování paliva TVSA-T Pro testy paliva TVSA-T budou ve ŠKODA JS a.s. realizovány pouze dva testy z možného rozsahu a to a) hydraulické zkoušky palivové kazety a jejich částí b) pádové zkoušky klastru TVEL a WEC Ostatní potřebné testy byly realizovány na experimentálních stendech v Rusku. Důvody jsou více než praktické. Experimentální testy jsou časově a finančně značně náročné a řada testů je bezprostředně svázána s vývojem jednotlivých komponent palivových souborů. Jedná se 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 ETE). Hydraulické zkoušky kazety a jejích částí Cílem hydraulických testů je stanovení koeficientů hydraulického odporu palivové části kazety, patice, hlavice, první distanční mřížky, šesti kombinovaných mřížek a hydraulického odporu celé makety. Testy budou probíhat v rozsahu následujících parametrů: Tlak media: 15,7 MPa Teplota media: 120, 220, 280 a 305 C Průtok media: od 200 do 600 m3/hod ( s krokem po cca 50 m3/hod) Experimentální zařízení Zkoušky budou provedeny na experimentálním stendu ŠKODA JS, označovaném jako LKP. Parametry stendu umožňují dosáhnout nominálních hodnot parametrů chladiva jako v reaktoru VVER 1000. Hlavní částí je zkušební kanál, pomocná zařízení tvoří kompenzátor objemu, regenerátor, chladící okruh, filtry, čerpadla a systém doplňování a odpadu. Stend je vybaven systémem měření a řízení provozních veličin - teplot, tlaků, tlakových diferencí a průtoku a odpovídajícím měřícím systém pro sběr a zpracování experimentálních dat. Hlavní parametry stendu LKP: Parametr Hodnota Rozměr Maximální tlak pracovní látky 15,7 Mpa Maximální teplota pracovní látky 330 C Otáčky čerpadla 1500 3300 1 / min Maximální průtok pracovní látky 600 m 3 / hod Maximální teplotní gradient 1 C / min Výkon chladiče 500 KW
Schéma stendu LKP je uvedeno na Obr.1. 15 \ / 13 4 8 14 9 2 1 5 6 7 10 11 12 3 1 Zkušební kanál 9 Zásobník 2 Hlavní čerpadlo 10 Tlakovací čerpadlo 3 Ohřívák 11 Plnící čerpadlo 4 Kompenzátor objemu 12 Sběrná nádrž 5 Regenerátor 13 Chladící okruh 6 - Chladič 14 Ventilátor chladícího systému 7 Ionexové filtry 15 Ohřívák chladícího systému 8 Zkušební kanál Obr.1 Schéma stendu LKP 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 umístěná 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 měřící mříž pro měření průtoku, opěrnou trubku a IMPK 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 byly provedeny úpravy na vnitřní vestavbě. Po výšce kanálu bylo vytvořeny tlakové odběry, umožňující měřit tlakové diference mezi jednotlivými úseky zkoušené makety a tlakovou ztrátu celé kazety. Schéma tlakových odběrů je uvedeno na obr.2. 43 3999 N 39 37 K Dp kl Dp jk Dp ik Dp il 3511 34 Dp ij 3001 2491 1981 1471 26 19 H G Dp hi Dp gh Dp gi Dp fi Dp cl 961 90 F Dp fg 451 136 64 N 39 BSP E D Dp ef Dp de Dp cd Dp df Dp cf 0 C B Dp bc B A Dp ab Obr.2 Schéma měření tlakových diferencí na zkoušené maketě TVSA-T Způsob provedení hydraulických testů Maketa spolu s klastrem se umístí do šestihranného zkušebního kanálu stendu LKP. Stend se připraví k činnosti v souladu s provozními předpisy a současně proběhne prověrka všech měřících čidel a měřícího systému experimentální části. Stend se natlakuje na provozní tlak, pracovní médium se ohřeje na hodnotu první teplotní hladiny a průtok se nastaví na nejnižší hodnotu průtoku. Po stabilizaci parametrů se provádí snímání všech měřených veličin po stanovenou dobu. Po ukončení měření se parametry stendu přestaví na další kombinaci teploty a průtoku, stabilizují se parametry a provede se záznam všech měřených veličin. Tato činnost se nepřetržitě opakuje až jsou naměřeny všechny zadané kombinace. Naměřené hodnoty tlakových diferencí se pro všechny zadané kombinace teplot a průtoků zpracovávají podle dohodnuté metodiky a výsledkem je závislost hydraulického odporu na průtoku.
Příklad této závislosti je uveden na obr.3. Tato závislost bude stanovena jak pro maketu jako celek, tak pro její jednotlivé části. Pro prokázaní reprodukovatelnosti naměřených hodnot bude cca 30% experimentálních bodů (kombinací teploty a průtoku) opakováno do jednoho měsíce po ukončení základní série zkoušek. Obr.3 Závislost hydraulického odporu makety na průtoku Pádové zkoušky klastrů Základním cílem je experimentální prověření pádových charakteristik klastru výroby TVEL a klastru výroby WEC v maketě palivového souboru TVSA-T. Tyto zkoušky na stejném experimentálním stendu jako zkoušky hydraulické. Doby a průběhy pádů budou sledovány celkem při 18 různých režimech provozu zkušebního kanálu postupně při teplotách 50, 120, 220 a 305 C a při průtocích média odpovídající 0, 60, 80 a 100% nominálního průtoku. Doby a průběh pádu budou sledovány pomocí standardního ukazatele polohy LKP, které bude používáno za provozu na JE Temelín. Pro každý provozní režim budou realizovány 3 pády příslušného klastru. Pro každý klastr to představuje celkem 54 pádů v průběhu celého testu. Závěr Nastávajícím testům předcházela důkladná příprava zařízení a celé týmy specialistů, která vyvrcholila modelovým provozem nastávajícího testu, t.j. dvěma zkouškami s odstupem cca 2 měsíců. Práce byly provedeny v plném rozsahu zadaných parametrů na testovací maketě, na které byly též prováděny testy před 13 lety. Výsledky testu jsou ve velké shodě s výsledky před 13 lety a reprodukovatelnost naměřených hodnot je na hranici 1%.