2. Маслова Л.А. - выявление разгерметизаций v.6 (1)

Проблема разгерметизации твэлов
Актуальность
1. Проекты по движению к нулевому отказу показали:
– полностью исключить разгерметизации твэлов нельзя
– текущие показатели надежности топлива ВВЭР ниже целевых (средняя частота разгерметизации ~ 3⋅10–5 > 10–6)
2. Разгерметизации приводят к значительным финансовым потерям
Затраты, связанные с ростом активности теплоносителя:
– обращение с жидкими радиоактивными отходами
– повышение дозовых нагрузок на персонал
– недовыработка электроэнергии при вынужденном снижении
мощности РУ или внеплановом останове
Для смягчения последствий разгерметизации необходимо надежное и своевременное
выявление фактов разгерметизации твэлов
при КГО на работающем реакторе

Оперативное выявление разгерметизации твэлов
*J. Wright, Topfuel 2017
Зачем нужны точность и надежность
при определении момента разгерметизации?
1) Меньше шансов пропустить негерметичную ТВС в ППР
(загрузка в реактор еще на одну кампанию ⇒ длительная эксплуатация твэла после разгерметизации)
– снижаются риски образования вторичных дефектов и роста активности теплоносителя до/выше эксплуатационных пределов
2) Своевременное принятие корректирующих мер
(в том числе – для предотвращения сильной деградации состояния негерметичных твэлов)
– в некоторых энергогенерирующих компаниях разработаны особые регламенты по изменениям мощности РУ, которые вступают в действие после обнаружения факта разгерметизации топлива
– кратковременное снижение мощности как способ подавить
образование вторичных дефектов в оболочках твэлов*
3) Момент разгерметизации – это дополнительная информация для оценки произошедшего отказа
– разгерметизация во время стационарной работы РУ или в переходном режиме указывает, вообще говоря, на разные механизмы отказа

В настоящее время
традиционные методы КГО для топлива ВВЭР
не всегда позволяют своевременно выявить разгерметизацию
на работающем реакторе ВВЭР
Традиционные методы КГО:
Имеющиеся подходы к выявлению разгерметизаций
– в переходном режиме → спайк-эффект (наиболее надежный признак)
– в стационарном режиме → соотношение приведенных активностей 131I и 134I
Необходимо обновление методик КГО
– повышение надежности и информативности
– желательно без капитальных затрат

Комплексный подход к выявлению разгерметизаций
Новизна
Опыт обработки эксплуатационных данных ⇒
наилучшие результаты по надежному и своевременному выявлению разгерметизаций в течение кампании дает комбинация методов:
– применение статистических методов обработки данных
– учитываются только статистически значимые отклонения от «нормального» состояния (исключаются случайные выбросы данных)
Полная автоматизация методики позволяет применять ее on-line
Создан прототип компьютерной программы для автоматической обработки данных с использованием комплексного подхода

Выявление разгерметизации по активности Xe
Коэффициент массообмена твэла с теплоносителем для 133Xe, с–1 (обратное время выхода продуктов деления)
При малой скорости выхода ПД из негерметичного твэла активность I определяется выходом ПД
из топливных отложений
Йод может «прилипать»
под оболочкой, Xe – нет
*P.M. Kalinichev, I.A. Evdokimov et al., IAEA Tech. Meet. on Fuel Failures, 2020
Подход успешно апробирован*, в том числе, на зарубежных АЭС
Относительный рост активности
Активность ксенона - более чувствительный индикатор разгерметизации, чем активность йода

Скорость очистки теплоносителя от ксенона, с–1
«Огибающая» расчетных отношений измеренных активностей 133Xe и 135Xe
при отсутствии негерметичных твэлов
Слабая чувствительность к газопотерям
Можно не менять методику измерения активности на АЭС
Слабая чувствительность к выгоранию топлива
Есть негерметичный твэл
Критерий выявления разгерметизации твэлов ВВЭР
по активности радионуклидов Xe
Преимущества:
Если продукты деления выходят только из топливных отложений, отношение активностей
133Xe и 135Xe ОГРАНИЧЕНО
СВЕРХУ

нормированная активность ксенона
Унификация критерия выявления разгерметизации твэлов по активности радионуклидов Xe
– единый числовой критерий для всех АЭС (ВВЭР-1000/1200)
– не зависит от вариации скорости очистки теплоносителя в течение кампании
– упрощается применение на практике, меньше риски ошибок при обработке данных
Консервативная оценка сверху ⇒ унифицированный критерий
Унифицированный критерий на основе
отношения нормированных активностей радионуклидов Xe:
Скорость очистки, с–1

Компьютерная программа для выявления разгерметизаций
Схема работы
Данные по активности теплоносителя и условиям эксплуатации
1. Анализ приведенных активностей йода
Статистически значимое превышение порога
для 131I/134I и 133I/134I
Статистически значимое изменение среднего
(скачки активности 131I, 133I)

В реакторе есть негерметичный твэл
Нет достоверного превышения
порогового значения
Поиск статистически значимого превышения порогового значения
для стационарных условий работы РУ
Использование статистических методов
Принципы применения
Используется для анализа
131I/134I, 133I/134I и 133Xe/135Xe
Исключение недостоверных выводов
из-за локальных «выбросов» выше пороговых значений

131I/134I
Применение методики для анализа кампаний: пример 1
Подозрительный рост активности?
Момент разгерметизации по активности I (РД)
Анализ данных по инертным газам: преимущества
Методика по Xe повышает оперативность выявления разгерметизации твэлов

По результатам КГО была обнаружена одна негерметичная ТВС 4-го цикла
Пример 1: обобщение результатов анализа
Нет негерметичных твэлов
Есть негерметичный твэл
Анализ данных по инертным газам: преимущества

Исходя из активности радионуклидов йода, разгерметизации не было
131I/134I
Если не учитывать данные по Xe, можно полагать, что негерметичных твэлов нет: отказ от КГО в ППР?
Анализ данных по инертным газам: преимущества
Применение методики для анализа кампаний: пример 2

КГО на остановленном реакторе: 1 негерметичная ТВС 3-го цикла
Методика по Xe повышает надежность КГО во время работы РУ
Анализ данных по инертным газам: преимущества
Пример 2: продолжение

Данные по активности 131I отсутствуют (активность ниже МДА
при прямом спектрометрировании отобранных проб?)
Преимущества комплексного подхода
Применение методики для анализа кампаний: пример 3
133I/134I
131I/134I

Исходя из активности радионуклидов 131I, разгерметизации до останова не было
Преимущества комплексного подхода
Применение методики для анализа кампаний: пример 3
131I/134I
133I/134I

Применение дополнительных индикаторов состояния топлива повышает достоверность КГО
Преимущества комплексного подхода
Пример 3: продолжение
131I/134 133I/134
Активность ксенонов на этом интервале не измерялась
133I/134I

отслеживаются изменения средних характеристик процесса
(анализ доверительных интервалов
для среднего «слева» и «справа»)
Применение статистических методов
Поиск статистически значимых изменений состояния топлива в РУ
В реакторе есть негерметичный твэл
Отсутствуют признаки разгерметизации
Значимо изменилась средняя активность (скачок активности)
Идентификация момента разгерметизации:
Статистически значимое превышение порога по 131I/134I

«Скачки» активности: применение на практике
131I/134I
Приведенная активность 131I (Ки/кг)
Отношение приведенных активностей всю кампанию было меньше порога
Применение методики для анализа кампаний: пример 4

Обобщение результатов с учетом спайк-эффекта
Пример 4: продолжение
Примерно через неделю спайк-эффект подтвердил разгерметизацию
Мощность РУ
Без учета «скачка» активности ⟹ неверная идентификация момента разгерметизации (разные механизмы отказа?)
Активность 131I (Ки/кг)
Спайк-эффект по 131I

Повышенная надежность и точность выявления момента разгерметизации:
Преимущества статистических методов
Применение методики для анализа кампаний: пример 4
133I/134I
Пороговое значение
Кампания без разгерметизации твэлов
результаты автоматических измерений активности
Превышения порога не являются статистически значимыми
Исключение недостоверных выводов из-за локальных «выбросов» выше пороговых значений
Отслеживание статистически значимых изменений состояния
Идентификация всех статистически значимых превышений фонового уровня активности в переходных режимах
Статистические методы повышают достоверность выводов
о состоянии топлива (особенно важно в случае большого разброса данных)

Обработка данных в комплексной методике исключает неверную интерпретацию ступенчатых повышений активности
Это уменьшает риск ошибок при анализе активности в случае работы РУ
на разных уровнях мощности в стационарных условиях
Применение методики для анализа кампаний: пример 6
Кампания без разгерметизации твэлов
Стационарная работа РУ на разных уровнях мощности
Приведенная активность (Ки/кг) радионуклидов йода
Оптимизация методики при работе РУ на пониженной мощности

Применение методики за 2019-2022 года
52 кампании – без негерметичных твэлов
Всего проанализировано 80 кампаний
На данных проекта НУО
Отсутствие негерметичных твэлов подтверждено применением разработанной методики и данными КГО на остановленном реакторе
28 кампаний с разгерметизацией твэлов
Наличие негерметичных твэлов подтверждено применением разработанной методики и данными КГО на остановленном реакторе

Применение методики за последние 3 года
На данных проекта НУО
Время, сут
Выигрыш по времени по сравнению
с традиционными методами КГО
при выявлении разгерметизации
Методика позволяет выявлять разгерметизацию раньше (прецеденты: недели, месяцы)

Демонстрация программного средства
Видео

Полностью автоматизированный режим работы
Режимы работы программного средства
– Полностью автоматические получение и анализ данных
– Автоматическое уведомление о разгерметизации
– Интерфейс позволяет специалисту АЭС проследить последовательность получения (аргументацию) выводов о состоянии топлива
Интеграция со средствами автоматического измерения активности ⇒ получение информации в режиме реального времени

Полуавтоматический режим работы
Режимы работы программного средства
Кроме автоматического получения выводов о состоянии топлива:
– Анализ архивных данных (включая пополняемый архив по текущей кампании)
– Сравнение результатов, полученных разными методами измерений ⇒ выработка предложений по модернизации применяемых методов
–– Обучение и подготовка кадров (интерфейс демонстрирует практическое применение разных методик и критериев КГО)

Заключение
Разработана комплексная методика для оперативного выявления разгерметизации твэлов во время работы реактора
– используются новые методы дополнительно к традиционным (в том числе, анализ активности Xe) ⇒ повышается информативность
– статистические методы обработки данных позволяют исключать из рассмотрения случайные «выбросы» данных и автоматически выделять только статистически значимые отклонения активностей реперных радионуклидов от установившихся уровней
– методика обладает повышенной чувствительностью и надежностью выявления момента разгерметизации
Апробация на данных российских и зарубежных АЭС подтвердила эффективность методики: для значительного числа кампаний разгерметизация выявляется значительно раньше, чем традиционными методами

Применение автоматизированной методики позволяет снизить финансовые потери АЭС за счет:
– снижения трудоемкости и затрат на подготовку и обработку данных КГО
– уменьшения риска ошибок за счет человеческого фактора при анализе данных
– оперативного реагирования на появление негерметичных твэлов в активной зоне (активация «плана действий при разгерметизации»)
Заключение
На основе разработанной комплексной методики создан прототип программного средства для автоматизированной обработки данных
Применение программных средств