Главная >> Лекции по ядерной физике

4.4. Параметры структуры активных зон гетерогенных ЭЯР

Принципиально топливная композиция может быть смешана с замедлителем в виде эмульсии, химического, металлургического соединения или просто тонкодисперсной смеси, образуя в герметичном сосуде критический объём, в котором происходит самоподдерживающаяся цепная реакция деления. Такой реактор, однородный по физическим свойствам во всех точках его объёма, называют гомогенным (по латыни гомогенный - однородный).

Логическим антиподом гомогенному является гетерогенный реактор, то есть такой, в активной зоне которого топливная композиция отделена от замедлителя. Побуждением к такому разделению послужило, во-первых, желание локализовать топливную композицию, снизить ту часть общего объёма активной зоны, где размещено топливо и образуются высокорадиоактивные продукты деления. Более того, важно герметично изолировать топливную композицию от замедлителя и омывающего её теплоносителя для предотвращения выноса и распространения радиоактивности из топливной композиции по всему реактору и первому контуру.

Во-вторых, как нам предстоит убедиться далее, такой реактор обладает перед гомогенным рядом преимуществ с точки зрения экономии нейтронов в нём, а значит, - и экономии ядерного топлива для получения заданной мощности реактора.

Основным конструктивным элементом гетерогенной структуры активной зоны энергетических реакторов является тепловыделяющий элемент (твэл) - объём топливной композиции определённой формы, заключенной в тонкостенную герметичную оболочку из металлического материала. Толщина оболочки твэла выбирается такой, чтобы исключить проникновение радиоактивных продуктов деления из топливной композиции внутри твэла в охлаждающий его снаружи теплоноситель, что продиктовано стремлением сделать контур циркуляции теплоносителя нерадиоактивным или, по крайней мере, слаборадиоактивным.

Твэлы энергетических реакторов могут иметь различную геометрическую форму. Наиболее распространенными в энергетических реакторах являются гладкостержневые (цилиндрические) твэлы, кольцевые, пластинчатые и крестообразные (см.рис.4.1).

Рис.4.1. Твэлы различной геометрической формы.

Форма твэлов выбирается из соображений простоты и технологичности их изготовления, стремления при заданном объёме топливной композиции получить наибольшую поверхность теплоотдачи и желания сделать твэлы теплотехнически надёжными, то есть способными сохранять свою герметич­ность и теплоотдающие свойства в течение длительного времени работы в реакторе.

Известно, например, что в процессе работы реактора в топливе его твэлов накапливаются самые разнообразные продукты деления, в том числе и газообразные, отчего топливная композиция с их накоплением постепен­но вспухает (увеличивает свой объём). Из-за этого внутри твэла возника­ет большое избыточное давление, создающее угрозу разрыва оболочки твэла. С точки зрения такой возможности цилиндрические твэлы явно уступа­ют твэлам любой другой формы: повышение давления внутри цилиндрическо­го твэла всегда и неизбежно создаёт разрывные напряжения в его оболоч­ке, а в твэлах другой формы увеличение объёма и внутреннего давления приводит к возникновению напряжений изгиба в их оболочках. Крестообраз­ные твэлы с этой точки зрения выглядят лучшими среди других типов твэ­лов. В транспортных морских реакторах именно крестообразные твэлы за­воевали право на существование, показав достаточно высокую теплотехни­ческую надежность в пятилетнем цикле эксплуатации реакторов.

Цикл использования твэлов в энергетических реакторах АЭС с учётом частичных перегрузок значительно короче; кроме того, на АЭС стоимость твэлов, входящая в конечном счёте в стоимость отпускаемой электроэнер­гии, имеет значительно большее значение, чем на атомоходах, при созда­нии которых мысли о рентабельности топливного цикла отходили на задний план; по этой причине на АЭС отдано предпочтение самым простым и дешёвым твэлам гладкостержневой формы.

Для удобства транспортировки, загрузки и выгрузки твэлов в реактор определённые (как правило, равночисленные) группы твэлов объединяют в более крупные конструктивные узлы - тепловыделяющие сборки (ТВС).

Каждая ТВС представляет собой определенное количество твэлов, ди­станционированных, то есть расположенных на равных расстояниях друг от друга, что предотвращает их взаимное касание  (грозящее их перегревом) и способствует равномерному омыванию всех твэлов теплоносителем. Пучок твэлов надежно скрепляется, образуя единый конструктивный узел с при­способлением в верхней его части (головкой ТВС), за которую удобно за­хватывать ТВС специальным захватом разгрузочно-загрузочной машины при выгрузке ТВС из активной зоны или загрузки их в неё.

ТВС энергетических реакторов могут быть кожуховыми и бескожуховыми. Кожух ТВС - это тонкостенная металлическая труба (цилиндрической, квадратной или шестигранной формы), в которой размещается и скрепляет­ся ТВС с учётом компенсации различных температурных удлинений твэлов в ТВС и самой кожуховой трубы из-за неодинаковости их нагрева в работаю­щем реакторе. Кожуховая труба имеет двойное назначение: защита поверх­ностей наружных твэлов ТВС от возможных повреждений при транспортиров­ке, загрузке и выгрузке ТВС и организация распределения расходов теплоносителя по различным ТВС в соответствии с различными тепловыми мощ­ностями ТВС (кожуховые трубы при этом играют роль стенок каналов, по которым пропускаются требуемые расходы теплоносителя, а требуемого со­отношения расходов через отдельные ТВС в согласии с их тепловыми мощ­ностями добиваются путём постановки на входе в нижней части каждой ТВС дроссельных шайб с разными диаметрами проходных отверстий по принципу: чем выше мощность ТВС, тем больший расход теплоносителя нужен для ох­лаждения этой ТВС и тем, следовательно, больше должен быть диаметр от­верстия дроссельной шайбы на входе в эту ТВС).

Активные зоны отечественных реакторов типа ВВЭР на АЭС первых двух поколений (включая ВВЭР-440) состоят из кожуховых ТВС.

Теплотехнические исследования 70-х годов показали, что поперечные перетечки теплоносителя из одной ТВС в соседние в работающем на любом уровне мощности реакторе  почти не снижают теплотехнической надежности ни ТВС, ни отдельных их твэлов. Поэтому, если снять кожуховые трубы со всех ТВС, теплотехническая надежность активной зоны практически сохра­нится на приемлемом уровне.
ТВС первых и последующих серийных активных зон реакторов ВВЭР-1000 выполнены бескожуховыми, а выбор их шестиугольной (в поперечном сече­нии) формы позволил реализовать практически беззазорный переход от одной ТВС к соседним. Активная зона ВВЭР-1000 от этого стала более одно­родной, состоящей из твэлов, образующих единую регулярную структуру в пределах всего поперечного сечения активной зоны; эта структура харак­терна тем, что расстояния между осями симметрии непосредственно соседствующих твэлов равны, и оси симметрии любых трёх соседних твэлов, будучи соединёнными в поперечном сечении,  образуют одинаковые равносто- ронние треугольники.

Вот почему такое размещение твлов называют структурой треугольной решётки, а одинаковое расстояние между осями симметрии соседних твэлов - шагом треугольной решётки (а_т) (рис.4.2).

Рис.4.2. Треугольная решётка твэлов и её основные характеристики.

Регулярным (повторяющимся) объёмным элементом структуры треуголь­ной решетки является одиночный твэл вместе с относящимся к нему объёмом замедлителя. Этот элемент имеет форму прямой шестиугольной призмы (а в поперечном сечении - форму правильного шестиугольника) и называ­ется элементарной ячейкой активной зоны (на рис.4.2 элементарные ячей­ки обведены штриховыми линиями).

Заметим, что размер "под ключ" гексагональной ячейки равен шагу треугольной решётки твэлов, и это помогает легко вычислять часто тре­бующуюся в расчётах величину площади поперечного сечения ячейки S_я:

S_я » 0.866 а_т²                                                  (4.4.1)

Такую же структуру треугольной решётки образуют и тепловыделяющие сборки в активной зоне реактора ВВЭР-440.

В практике эксплуатации реакторов АЭС беско­жуховые тепловыделяющие сборки, в отличие от кожуховых, принято назы­вать тепловыделяющими кассетами (ТВК).

Фиксация положения твэлов в ТВС (ТВК), устанавливающая структуру треугольной решётки заданного шага, выполняется с помощью разных конс­труктивных устройств, носящих общее название дистанционизаторов твэлов. Это могут быть ленточные дистанционирующие решётки, дистанционирующие трубчатые вытеснители, дистанционирующие пружины или даже дистанционирующие проволоки. Они служат для удержания твэлов на требуемом отстоянии друг от друга и предотвращения взаимных касаний твэлов и касаний пери­ферийными твэлами в ТВС стенок кожуховой трубы,  в то же время не ме­шая твэлам свободно удлиняться с повышением их температуры  или за счёт необратимых изменений длины вследствие радиационных воздействий.

Структура треугольной решётки является наиболее плотной из объём­ных структур цилиндрических твэлов, позволяющей разместить в заданном объёме наибольшее количество твэлов, а, значит, при заданном количест­ве топливной композиции в активной зоне реактора - создать наибольшую поверхность теплоотдачи от твэлов, а при заданной номинальной мощности энергетического реактора - уместить активную зону в меньших габаритах.

В реакторах типа ВВЭР-440 по принципу треугольной решётки разме­щаются не только твэлы в каждой ТВС, но и сами ТВС в активной зоне, и решётка ТВС характеризуется своим значением шага.
В реакторах РБМК-1000 структура активной зоны строится на несколь­ко иных принципах. 18 цилиндрических твэлов каждой ТВС образуют не ре­гулярную структуру постоянного шага, а равномерно размещаются на двух концентрических окружностях разного диаметра (с центром на оси симмет­рии ТВС, как показано на рис.4.3).ТВС в реакторе РБМК бескожуховые, но в ином смысле, чем в ВВЭР-1000: в РБМК роль кожухов ТВС выполняют цир­кониевые трубы технологических каналов, вставленные в вертикальные от­верстия в графитовой кладке активной зоны.

Рис.4.3. Поперечное сечение ТВС реактора РБМК-1000.

Большая высота активной зоны РБМК-1000 - 7 м - (у  ВВЭР-1000  она 3.55 м) и обусловленные этим большие величины температурных расширений твэлов вынудили конструкторов каждую ТВС делить на две тепловыделяющих кассеты, располагающихся одна над другой с 20-миллиметровым зазором и скрепленных между собой шарнирно.

Ячейки активной зоны РБМК, под которыми понимаются одиночные технологические каналы  с прилегающими к ним объёмами графитовых столбов, образуют в реакторе регулярную структуру квадратной решётки с постоян­ным для всей активной зоны и отражателя шагом А_тк= 250 мм. Это значит, что и сами ячейки в поперечном сечении имеют форму квадрата со сторо­ной 250 мм (см. рис 4.4).

Рис.4.4. Фрагмент разреза активной зоны ядерного реактора РБМК-1000.

По возможностям размещения в заданном объёме активной зоны наи­большего количества топлива (определяемого числом размещаемых в актив­ной зоне ТВС) квадратная решётка уступает треугольной, но является бо­лее подходящей для уран-графитового реактора, т.к. графит, уступая во­де по замедляющей способности (ξΣ_s), для обеспечения теплового спектра в реакторе должен использоваться в активной зоне в  большем количестве на единицу массы загружаемого топлива, чем вода.

*)   Подсчитано, например, что для получения теплового спектра ней­тронов в гомогенной уран-графитовой смеси на каждое ядро урана требуется 80 - 120 ядер углерода, тогда как в уран-водных  гомо­генных смесях для этого надо всего 12 - 15 молекул воды. Прибли­зительно такие же соотношения распространяются и на гетероген­ные критические композиции.

В реакторе РБМК-1000 стройная структура квадратной решётки ТВС в активной зоне нарушается из-за необходимости размещения органов управ­ления реактора (подвижных и неподвижных стержней-поглотителей): часть ячеек активной зоны освобождается от ТВС, а их места в пустых техноло­гических каналах замещаются органами СУЗ. Ячейки, занятые органами СУЗ, в активной зоне реактора образуют  свою квадратную решётку, повернутую относительно квадратной решётки ТВС на угол в 45^о (рис.4.4). Таким об­разом получается, что действительно повторяющимся компонентом структу­ры активной зоны РБМК является не одна ячейка, а шестнадцать их, кото­рые образуют так называемую полиячейку активной зоны.

Таблица 4.1. Некоторые характеристики гетерогенных структур реакторов типа ВВЭР и РБМК

Характеристики		Значения характеристик для реакторов
		ВВЭР-440	ВВЭР-1000	РБМК-1000
1	Тип твэлов	Цилиндрический	Цилиндрический	Цилиндрический
2	Наружный диаметр твэла, мм	9.1	9.1	13.6
3	Толщина оболочки твэла, мм	0.65	0.65	0.85
4	Материал оболочки твэлов	сплав Zr + 1% Nb	сплав Zr + 1% Nb	сплав Zr + 1% Nb
5	Топливная композиция	диоксид UO2	диоксид UO2	диоксид UO2
6	Диаметр топливной таблетки, мм	7.6	7.6	11.5
7	Обогащение топлива, %	3.3	4.4	1.8 – 2.3
8	Тип решётки твэлов в ТВС	Треугольная	Треугольная	-
9	Шаг решётки твэлов в ТВС, мм	12.2	12.75	-
10	Число твэлов в одной ТВС, шт	126	312	18
11	Тип решётки ТВС в активной зоне	Треугольная	Треугольная	Квадратная
12	Шаг решётки ТВС, мм	147	236	250
13	Тип ТВС	Кожуховая	Бескожуховая	Бескожуховая
14	Форма кожуха	Шестигранная	-	-
15	Число ТВС в активной зоне	349	163	1693

Итак, мы познакомились с основными характеристиками, определяющи­ми гетерогенную структуру активных зон тепловых реакторов отечествен­ных АЭС. Разумеется, сказанное не может претендовать на полноту описа­ния конструкции активных зон; с детальным изучением конструкции реак­торов ещё предстоит иметь дело по окончании изучения теории реакторов; сейчас же, наоборот, важно получить самые общие представления об уст­ройстве активных зон реакторов ради понимания теоретических построений, касающихся гетерогенности структур реакторов.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: