Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

9. НИР проводятся как до начала ОКР, так и на стадии ОКР.

10. Теоретические и экспериментальные исследования при проектировании твэлов, ТВС и их составных частей включают: разработку и построение моделей состояния и поведения твэлов и ТВС при эксплуатации в РУ; получение и обоснование данных по эксплуатационным характеристикам твэлов и ТВС и их изменению при эксплуатации в АЗ; обоснование допущений; выявление необходимости проведения экспериментов для подтверждения теоретических исследований и проверки правильности принятых технических и конструкторско-технологических решений и получения конкретных значений параметров, необходимых для проведения расчетов; разработку методики экспериментальных исследований; подготовку моделей (макетов, экспериментальных образцов); проведение экспериментов; сопоставление результатов эксперимента с теоретическими исследованиями; корректировку, при необходимости, теоретических моделей исследований.

11. При проектировании твэлов, ТВС и их составных частей учитываются нагрузки, процессы и воздействия, которые возникают при их эксплуатации в АЗ, проведении контроля при эксплуатации, установке и выгрузке из АЗ, хранении, транспортировании, осмотре, проведении испытаний и производственном контроле. Свойства твэлов и ТВС анализируются с учетом максимально допустимых нагрузок и воздействий.

12. К основным нагрузкам и воздействиям на твэлы, возникающим при их эксплуатации в составе ТВС в АЗ, которые могут привести к изменению геометрии и формы твэлов, накоплению повреждений в оболочке, разгерметизации оболочки и отказу твэла, относятся:

перегревы оболочки твэла вследствие ее окисления и отложения продуктов коррозии, а также локальных неравномерностей охлаждения твэлов;

термомеханические напряжения, обусловленные градиентом температур и различными коэффициентами термического расширения топливного сердечника и оболочки;

термомеханические воздействия вследствие асимметрии температурных полей из-за неравномерности нейтронного потока и несимметричности теплосъема;

фрикционное взаимодействие топливного сердечника и оболочки;

коррозионные и фреттинг-коррозионные воздействия со стороны теплоносителя;

механическое воздействие на оболочку распухающего топливного сердечника;

давление газообразных продуктов деления под оболочкой твэла;

коррозионное воздействие со стороны агрессивных по отношению к оболочке продуктов деления;

нейтронное облучение, приводящее к изменению механических свойств и структуры материалов.

13. При конструировании твэлов и их составных частей учитывается следующее.

Для режима нормальной эксплуатации и переходных процессов:

распределение температуры внутри оболочки твэла, теплопередача между таблеткой и оболочкой, распределение температуры в топливе;

изменение структуры топлива;

взаимодействие таблетки с оболочкой твэла;

распухание и уплотнение таблеток, влияние эффекта уплотнения таблеток на линейную плотность энерговыделения и теплоперенос (для ВВЭР);

возникновение напряжений в оболочке, деформации и увеличение ее объема, удлинение оболочки вследствие облучения;

изменение размеров и геометрии твэлов (прогиб, распухание, удлинение, коробление);

взаимодействие конструкционных элементов твэлов, ТВС и теплоносителя;

усталостные явления в конструкционных элементах твэлов;

окисление и наводораживание (гидрирование) оболочки твэла (для ВВЭР);

выделение газообразных продуктов деления и зависимость от выгорания и истории облучения;

коррозия внутренней и внешней поверхности оболочки твэла (в том числе фреттинг-коррозия), формирование слоев продуктов коррозии и влияние коррозии на теплопередачу.

При нарушениях нормальной эксплуатации, включая проектные аварии:

взаимодействие между элементами твэлов и ТВС;

распределение температуры и окисление оболочки твэла (для ВВЭР);

распухание и уплотнение топлива;

взаимодействие материала оболочки твэла с водой (для ВВЭР).

14. При конструировании твэлов также учитываются возможные при изготовлении отклонения геометрии и формы твэла, несплошность оболочки и топливного сердечника, отклонения от номинальных значений содержания легирующих элементов в материалах и состав топлива.

15. Обоснование проектных решений включает подтверждение расчетными или экспериментальными методами выполнения следующих условий.

При нормальной эксплуатации и нарушениях нормальной эксплуатации:

не происходит разрушения оболочки твэла с образованием осевого зазора (неплотности);

температура топливных таблеток и оболочки не превышает предельную температуру топлива, обусловленную температурой плавления и зависящую от выгорания;

предельное внутреннее давление газов, вызванное образованием и выделением газообразных продуктов деления и повышением давления в твэле, не превышает давление теплоносителя, если только не продемонстрировано, что внутреннее давление в твэле не окажет недопустимого воздействия на поведение твэла;

предельная линейная мощность твэла не превышает установленных величин;

величина скачка мощности, определяемая как разность между локальной линейной нагрузкой в твэле в конце и начале цикла нагружения, не превышает установленных пределов;

деформации оболочки твэла, т.е. прогиб твэла, его искривление, удлинение диаметра оболочки твэла, удлинение оболочки, уплотнение и распухание твэла не превышают предельные деформации;

изменения диаметра твэла ограничиваются предельным значением, обеспечивается работоспособность в дистанцирующих решетках с требуемой силой трения, фреттиг-коррозии и фреттинг-износ оболочки ограничиваются допустимыми значениями, теплогидравлические характеристики обеспечивают надежный теплосъем;

повреждения, вызванные взаимодействием топлива с оболочкой, не превышают значений, установленных с учетом напряжения, вызванного коррозией;

окружные напряжения в оболочке не превышают порогового напряжения, при котором исходный (допустимый при изготовлении) технологический дефект не подрастает и оболочка не накапливает повреждений;

расчетная вязкопластическая деформация не превышает пороговой вязкопластической деформации, накапливаемой оболочкой в процессе эксплуатации;

максимальное эквивалентное напряжение в оболочке твэла не превышает предела текучести материала оболочки;

обеспечивается сохранение окружной устойчивости оболочки, расчетное предельное наружное напряжение, вызывающее потерю устойчивости оболочки, не превышает давления теплоносителя;

накопленная суммарная повреждаемость оболочки твэла под действием длительных циклических и статических нагрузок не превышает предельного значения повреждаемости;

толщина оксидной пленки на внешней поверхности оболочки и концентрации гидридов (для ВВЭР) на конец компании топлива не превышает установленного предельного значения;

фреттинг-коррозия оболочек не приводит к недопустимому снижению прочности и повреждению целостности оболочек в течение всего срока эксплуатации твэлов.

При проектных авариях (включая аварии с потерей теплоносителя и аварии с быстрым увеличением реактивности):

ограничиваются параметры процессов, которые могут привести к деградации твэла, не совместимой со стержневой геометрией, или вызвать дополнительный выход механической энергии;

охрупчивание оболочки твэла ограничивается допустимыми величинами, максимальная глубина локального окисления оболочки, максимальная температура оболочки не превышают установленных величин (для ВВЭР);

доля прореагировавшего с паром циркония в АЗ не превышает установленных величин (для ВВЭР);

температура топлива не превышает температуры плавления (зависящей от выгорания);

при аварии, вызванной возрастанием реактивности, величина энтальпии не превышает величину максимальной усредненной по сечению (среднерадиальной) энтальпии топлива в любой точке АЗ.

16. При разработке конструкции ТВС и их составных частей рассматриваются следующие нагрузки и воздействия:

гравитационные нагрузки;

гидравлические нагрузки, возникающие в результате выталкивания ТВС;

динамические нагрузки, возникающие из-за вибраций при прохождении теплоносителя через АЗ;

механические напряжения конструкционных элементов ТВС и их соединений, возникающие вследствие взаимодействия конструкционных элементов твэлов и ТВС, ТВС и теплоносителя в условиях давления теплоносителя;

термические напряжения от теплового потока;

циклические и термоциклические нагрузки, возникающие при изменениях мощности РУ;

нагрузки, возникающие при падении рабочих органов системы управления защитой, в том числе при ударном взаимодействии;

осевые и поперечные нагрузки, возникающие при нарушении нормальной эксплуатации, в частности, при аварии, связанной с потерей теплоносителя, и землетрясении.

17. При проектировании ТВС и их составных частей рекомендуется учитывать следующее.

Для режима нормальной эксплуатации и переходных процессов:

механические напряжения конструкционных элементов ТВС и их соединений, возникающие при облучении и повышении давления теплоносителя;

взаимодействие конструкционных элементов твэлов, ТВС и теплоносителя;

характеристики ударного взаимодействия;

вибрационные нагрузки;

изменение размеров и геометрии ТВС (изгиб, деформация конструкционных элементов);

изменение геометрии размещения твэлов;

прочность конструкционных элементов ТВС при осевом и поперечном сжатии;

усталостные явления в конструкционных элементах ТВС.

При нарушениях нормальной эксплуатации, включая проектные аварии:

взаимодействие между элементами ТВС и АЗ;

закупоривание ТВС;

взаимодействие материала конструкционных элементов ТВС с водой (для ВВЭР).

18. На этапе проектирования твэлов ТВС исследуются следующие характеристики процессов и явлений:

температуры плавления топлива, оболочки, дистанционирующих элементов для всех условий эксплуатации и при проектных авариях;

температуры начала физико-химического или металлургического взаимодействия между топливом и оболочкой, теплоносителем и оболочкой, топливом и теплоносителем;

совокупности величин, определяющих кризис теплоотвода (для ВВЭР);

величины давления потери устойчивости оболочки, включая потерю устойчивости вследствие ползучести;

величины напряжения коррозионного растрескивания и глубина прорастания трещины в оболочке;

величины коррозии со стороны теплоносителя, включая локальное окисление при нормальных условиях эксплуатации;

величины окисления оболочки и доли прореагировавшего циркония при проектной аварии (для ВВЭР);

величины деформации, в том числе при проектной аварии, по предельному напряженному состоянию и по длительной прочности материала оболочки;

количество и величины циклических, реверсивных и односторонних деформаций;

величины динамических нагрузок, в том числе при максимальном расчетном землетрясении.

19. Для конкретной РУ, конфигурации АЗ, типа топливной загрузки, типов твэла и ТВС устанавливаются и обосновываются указанные ниже пределы и ограничения, определяющие условия выполнения требований к твэлам и ТВС, установленных федеральными нормами и правилами в области использования атомной энергии:

глубина выгорания ТВС, твэла и таблетки (средние и максимальные значения);

максимальный флюенс быстрых нейтронов, максимальную повреждающую дозу (для БН);

линейная тепловая нагрузка на твэл (средняя, максимальная);

предельная линейная мощность твэла, допустимое значение скачка линейной нагрузки в твэле;

максимальная усредненная по сечению (среднерадиальная) энтальпия, предельная энтальпия твэла при проектных авариях;

максимальная температура топлива, оболочки твэла, температурное распределение при нормальной эксплуатации и при нарушении нормальной эксплуатации, включая проектные аварии;

предельные напряжения, тепловые и механические нагрузки элементов конструкции твэла (в том числе максимальные напряжения в оболочке твэла, его упругость и эластичность, максимальное эквивалентное напряжение в оболочке твэла, гидравлические нагрузки, усталостная прочность оболочки);

предельно допустимая неупругая деформация оболочки твэла;

предельное давление газов под оболочкой твэла;

предельные величины деформации элементов конструкции твэла и ТВС (допустимый диапазон изменения диаметра оболочки твэла, длины твэла, допустимые изменения геометрии твэла, каркаса ТВС);

максимальная глубина окисления оболочки твэла (для ВВЭР);

предельное охрупчивание оболочки твэла при проектных авариях (для ВВЭР).

20. Обосновываются также продолжительность работы ТВС на номинальном уровне мощности между перегрузками, срок службы и срок хранения ТВС от момента изготовления до установки в РУ.

21. Количественные значения устанавливаются с коэффициентами запаса, которые определяются в ходе расчета с учетом погрешности методик, программ и расчетов, экспериментальным путем с учетом технологических допусков при изготовлении твэлов и ТВС, а также на основании опыта эксплуатации РУ с рассматриваемыми или аналогичными видами ядерного топлива.

22. Технические и конструкторско-технологические решения обосновываются расчетно-аналитическими и (или) экспериментальными исследованиями и подтверждаются результатами эксплуатации на АС.

23. Расчетно-аналитические исследования, проводимые при проектировании твэла и ТВС, включают получение и обоснование данных по эксплуатационным характеристикам твэлов и ТВС и их изменению при эксплуатации в АЗ, определение ресурса работы, анализ состояния при различных аварийных ситуациях.

24. Расчеты проводятся с использованием математических моделей, разработанных на основе фундаментальных физических законов, результатов исследований процессов и явлений, протекающих в АЗ и во внутритвэльной среде, а также свойств топливных и конструкционных материалов.

25. Экспериментальные исследования проводятся с целью отработки конструкции твэлов, ТВС и их составных частей, проверки работоспособности твэлов и ТВС, обоснования показателей надежности, исследования изменения свойств материалов при облучении и изучения эксплуатационных характеристик твэлов и ТВС.

26. Экспериментальные исследования включают:

механические испытания экспериментальных и опытных образцов твэлов и ТВС на стендах, имитирующие рабочие условия эксплуатации, испытания в ампульных устройствах;

испытания экспериментальных образцов в условиях облучения, приближенных к реальным условиям эксплуатации, проводимые в экспериментальных реакторных петлях, исследовательских реакторах;

реакторные испытания экспериментальных и опытных образцов твэлов и ТВС в АЗ реакторов энергетических установок.

27. Для проведения экспериментальных исследований на этапах подготовки эскизного и технического проектов разрабатываются, изготавливаются и испытываются макеты и экспериментальные образцы твэлов, ТВС и их составных частей.

28. Программы и методики испытаний макетов и экспериментальных образцов твэлов и ТВС разрабатываются в соответствии с требованиями НТД.

29. Механические испытания и испытания в ампульных устройствах проводятся с целью экспериментального исследования механических свойств конструкционных элементов ТВС (поперечная, продольная прочность, прочность на скручивание, износ, изгибная жесткость, ударо- и вибростойкость), изменений механических свойств, геометрии и размещения решетки ТВС в условиях, имитирующих реальные условия эксплуатации, исследование поведения ТВС в условиях вибрации и при гидравлических нагрузках, износа конструкционных элементов ТВС, определение протечек через уплотнения хвостовиков и т.д.

30. Испытания образцов твэлов и ТВС в условиях облучения проводятся с целью исследования изменения свойств топлива и конструкционных элементов твэлов и ТВС под воздействием излучения, установления предельных значений деформаций при распухании и изгибе твэлов, распухании и деформации ТВС; исследования процессов отложения продуктов коррозии, релаксации поддерживающей пружины и пружин решетки ТВС (для ВВЭР).

31. Реакторные испытания экспериментальных и опытных образцов твэлов и ТВС в РУ и их исследования после испытаний проводятся с целью экспериментального подтверждения свойств конструкционных элементов ТВС и их изменений в реальных условиях эксплуатации. Испытания проводятся по программам и методикам реакторных испытаний и исследований экспериментальных и опытных образцов.

32. Программа проведения испытаний экспериментальных и опытных ТВС в АЗ действующих АС разрабатывается в соответствии с требованиями НТД и включает следующую информацию:

цель проведения испытаний, перечень работ и их описание с указанием места их проведения (блок АС, хранилище ядерного топлива и т.д.);

описание программ и методик испытаний и исследований, в том числе после извлечения ТВС из АЗ;

обоснование ядерной и радиационной безопасности при проведении испытаний, описание технических и организационных мер по обеспечению ядерной безопасности;

теплогидравлические и нейтронно-физические расчеты АЗ с испытываемыми ТВС;

критерии и контроль правильности завершения ядерно опасных работ;

описание технологии транспортно-технологических операций;

сведения о внесении изменений в проектную, конструкторскую, технологическую и эксплуатационную документацию (технологического регламента эксплуатации блока АС);

указание о назначении ответственного лица за проведение ядерно опасных работ.

33. При опытно-промышленной и промышленной эксплуатации РУ подтверждаются данные, характеризующие механические и прочностные свойства твэлов и ТВС, прогноз изменения этих свойств в условиях эксплуатации, а также данные, характеризующие скорости окисления и осаждения продуктов коррозии и т.д.

34. Рекомендуемые методы обоснования функциональных требований к ТВС при нормальной эксплуатации, при нарушениях нормальной эксплуатации АЗ и при нагрузках, возникающих вне АЗ (при изготовлении, хранении и транспортно-технологических операциях), представлены в Приложении N 2 к настоящему Положению.

35. Рекомендуемые методы обоснования функциональных требований к твэлам при нормальной эксплуатации АЗ, при нарушениях нормальной эксплуатации (авариях) и при нагрузках, возникающих вне АЗ (при изготовлении, хранении и транспортно-технологических операциях), представлены в Приложении N 3 к настоящему Положению.