Skip to main content
Вся фізика

Параметри структури активних зон гетерогенних ЕЯР

Лекції з ядерної фізики

Принципово паливну композицію можна змішати зі сповільнювачем у вигляді емульсії, хімічної чи металургійної сполуки або просто тонкодисперсної суміші, утворюючи в герметичній посудині критичний об'єм, у якому відбувається ланцюгова реакція поділу, що сама себе підтримує. Такий реактор, однорідний за фізичними властивостями в усіх точках його об'єму, називають гомогенним (латиною гомогенний - однорідний).

Логічним антиподом гомогенного є гетерогенний реактор, тобто такий, в активній зоні якого паливна композиція відокремлена від сповільнювача. Спонукою до такого розділення послужило, по-перше, бажання локалізувати паливну композицію, зменшити ту частину загального об'єму активної зони, де розміщено паливо й утворюються високорадіоактивні продукти поділу. Більше того, важливо герметично ізолювати паливну композицію від сповільнювача й теплоносія, що її омиває, щоб запобігти виносу й поширенню радіоактивності з паливної композиції по всьому реактору та першому контуру.

По-друге, як нам належить пересвідчитися далі, такий реактор має перед гомогенним низку переваг з погляду економії нейтронів у ньому, а отже, - й економії ядерного палива для одержання заданої потужності реактора.

Основним конструктивним елементом гетерогенної структури активної зони енергетичних реакторів є тепловиділювальний елемент (твел) - об'єм паливної композиції певної форми, укладений у тонкостінну герметичну оболонку з металевого матеріалу. Товщину оболонки твела добирають такою, щоб виключити проникнення радіоактивних продуктів поділу з паливної композиції всередині твела в теплоносій, що охолоджує його ззовні, а це продиктовано прагненням зробити контур циркуляції теплоносія нерадіоактивним або принаймні слабкорадіоактивним. Твели енергетичних реакторів можуть мати різну геометричну форму. Найпоширенішими в енергетичних реакторах є гладкостержневі (циліндричні) твели, кільцеві, пластинчасті та хрестоподібні (див.рис.4.1). Рис.4.1. Твели різної геометричної форми. Форму твелів добирають з міркувань простоти й технологічності їх виготовлення, прагнення за заданого об'єму паливної композиції отримати найбільшу поверхню тепловіддачі та бажання зробити твели теплотехнічно надійними, тобто здатними зберігати свою герметичність і тепловіддавальні властивості впродовж тривалого часу роботи в реакторі.

Відомо, наприклад, що в процесі роботи реактора в паливі його твелів накопичуються найрізноманітніші продукти поділу, зокрема й газоподібні, через що паливна композиція з їх накопиченням поступово розпухає (збільшує свій об'єм). Через це всередині твела виникає великий надлишковий тиск, що створює загрозу розриву оболонки твела. З погляду такої можливості циліндричні твели явно поступаються твелам будь-якої іншої форми: підвищення тиску всередині циліндричного твела завжди й неминуче створює розривні напруження в його оболонці, а в твелах іншої форми збільшення об'єму й внутрішнього тиску призводить до виникнення напружень згину в їхніх оболонках. Хрестоподібні твели з цього погляду виглядають найкращими серед інших типів твелів. У транспортних морських реакторах саме хрестоподібні твели здобули право на існування, показавши досить високу теплотехнічну надійність у п'ятирічному циклі експлуатації реакторів.

Цикл використання твелів в енергетичних реакторах АЕС з урахуванням часткових перевантажень значно коротший; крім того, на АЕС вартість твелів, що зрештою входить у вартість електроенергії, яку відпускають, має значно більше значення, ніж на атомоходах, під час створення яких думки про рентабельність паливного циклу відходили на задній план; з цієї причини на АЕС віддано перевагу найпростішим і найдешевшим твелам гладкостержневої форми.

Для зручності транспортування, завантаження й вивантаження твелів у реактор певні (як правило, однакової кількості) групи твелів об'єднують у більші конструктивні вузли - тепловиділювальні збірки (ТВЗ).

Кожна ТВЗ становить собою певну кількість твелів, дистанціонованих, тобто розташованих на рівних відстанях один від одного, що запобігає їхньому взаємному дотику  (який загрожує їм перегрівом) і сприяє рівномірному омиванню всіх твелів теплоносієм. Пучок твелів надійно скріплюють, утворюючи єдиний конструктивний вузол із пристосуванням у його верхній частині (головкою ТВЗ), за яке зручно захоплювати ТВЗ спеціальним захопленням розвантажувально-завантажувальної машини під час вивантаження ТВЗ з активної зони або завантаження їх у неї.

ТВЗ енергетичних реакторів можуть бути кожуховими й безкожуховими. Кожух ТВЗ - це тонкостінна металева труба (циліндричної, квадратної або шестигранної форми), в якій розміщується і скріплюється ТВЗ з урахуванням компенсації різних температурних видовжень твелів у ТВЗ і самої кожухової труби через неоднаковість їхнього нагрівання в реакторі, що працює. Кожухова труба має подвійне призначення: захист поверхонь зовнішніх твелів ТВЗ від можливих пошкоджень під час транспортування, завантаження й вивантаження ТВЗ та організація розподілу витрат теплоносія по різних ТВЗ відповідно до різних теплових потужностей ТВЗ (кожухові труби при цьому відіграють роль стінок каналів, якими пропускають потрібні витрати теплоносія, а потрібного співвідношення витрат через окремі ТВЗ відповідно до їхніх теплових потужностей досягають шляхом постановки на вході в нижній частині кожної ТВЗ дросельних шайб з різними діаметрами прохідних отворів за принципом: чим вища потужність ТВЗ, тим більша витрата теплоносія потрібна для охолодження цієї ТВЗ і тим, отже, більшим має бути діаметр отвору дросельної шайби на вході в цю ТВЗ).

Активні зони вітчизняних реакторів типу ВВЕР на АЕС перших двох поколінь (зокрема ВВЕР-440) складаються з кожухових ТВЗ.

Теплотехнічні дослідження 70-х років показали, що поперечні перетікання теплоносія з однієї ТВЗ у сусідні в реакторі, що працює на будь-якому рівні потужності,  майже не знижують теплотехнічної надійності ні ТВЗ, ні окремих їхніх твелів. Тому, якщо зняти кожухові труби з усіх ТВЗ, теплотехнічна надійність активної зони практично збережеться на прийнятному рівні.
ТВЗ перших і наступних серійних активних зон реакторів ВВЕР-1000 виконано безкожуховими, а вибір їхньої шестикутної (в поперечному перерізі) форми дав змогу реалізувати практично беззазорний перехід від однієї ТВЗ до сусідніх. Активна зона ВВЕР-1000 від цього стала однорідніша, така, що складається з твелів, які утворюють єдину регулярну структуру в межах усього поперечного перерізу активної зони; ця структура характерна тим, що відстані між осями симетрії твелів, які безпосередньо сусідять, рівні, і осі симетрії будь-яких трьох сусідніх твелів, якщо їх з'єднати в поперечному перерізі,  утворюють однакові рівносторонні трикутники.

Ось чому таке розміщення твелів називають структурою трикутної ґратки, а однакову відстань між осями симетрії сусідніх твелів - кроком трикутної ґратки (aт) (рис.4.2).
Зображення
Рис.4.2. Трикутна ґратка твелів і її основні характеристики. Регулярним (повторюваним) об'ємним елементом структури трикутної ґратки є одиничний твел разом з об'ємом сповільнювача, що належить до нього. Цей елемент має форму прямої шестикутної призми (а в поперечному перерізі - форму правильного шестикутника) і називається елементарною коміркою активної зони (на рис.4.2 елементарні комірки обведено штриховими лініями).

Зауважмо, що розмір "під ключ" гексагональної комірки дорівнює кроку трикутної ґратки твелів, і це допомагає легко обчислювати величину, яку часто потребують у розрахунках, площу поперечного перерізу комірки Sя:

Sя » 0.866 aт2                                                  (4.4.1)

Таку саму структуру трикутної ґратки утворюють і тепловиділювальні збірки в активній зоні реактора ВВЕР-440.

У практиці експлуатації реакторів АЕС безкожухові тепловиділювальні збірки, на відміну від кожухових, прийнято називати тепловиділювальними касетами (ТВК).

Фіксацію положення твелів у ТВЗ (ТВК), яка встановлює структуру трикутної ґратки заданого кроку, виконують за допомогою різних конструктивних пристроїв, що мають спільну назву дистанціонізаторів твелів. Це можуть бути стрічкові дистанціювальні ґратки, дистанціювальні трубчасті витіснювачі, дистанціювальні пружини або навіть дистанціювальні дротини. Вони правлять за засіб утримання твелів на потрібній відстані один від одного та запобігання взаємним дотикам твелів і дотикам периферійними твелами в ТВЗ стінок кожухової труби,  водночас не заважаючи твелам вільно видовжуватися зі зростанням їхньої температури  або через незворотні зміни довжини внаслідок радіаційних впливів.

Структура трикутної ґратки є найщільнішою з об'ємних структур циліндричних твелів, що дає змогу розмістити в заданому об'ємі найбільшу кількість твелів, а, отже, за заданої кількості паливної композиції в активній зоні реактора - створити найбільшу поверхню тепловіддачі від твелів, а за заданої номінальної потужності енергетичного реактора - вмістити активну зону в менших габаритах.

У реакторах типу ВВЕР-440 за принципом трикутної ґратки розміщуються не тільки твели в кожній ТВЗ, а й самі ТВЗ в активній зоні, і ґратка ТВЗ характеризується своїм значенням кроку.
У реакторах РБМК-1000 структуру активної зони побудовано на дещо інших принципах. 18 циліндричних твелів кожної ТВЗ утворюють не регулярну структуру сталого кроку, а рівномірно розміщуються на двох концентричних колах різного діаметра (з центром на осі симетрії ТВЗ, як показано на рис.4.3).ТВЗ у реакторі РБМК безкожухові, але в іншому розумінні, ніж у ВВЕР-1000: в РБМК роль кожухів ТВЗ виконують цирконієві труби технологічних каналів, вставлені у вертикальні отвори в графітовій кладці активної зони.
Зображення
Велика висота активної зони РБМК-1000 - 7 м - (у  ВВЕР-1000  вона 3.55 м) і зумовлені цим великі величини температурних розширень твелів змусили конструкторів кожну ТВЗ ділити на дві тепловиділювальні касети, що розташовані одна над одною з 20-міліметровим зазором і скріплені між собою шарнірно.

Комірки активної зони РБМК, під якими розуміють одиничні технологічні канали  з прилеглими до них об'ємами графітових стовпів, утворюють у реакторі регулярну структуру квадратної ґратки зі сталим для всієї активної зони й відбивача кроком Aтк= 250 мм. Це означає, що й самі комірки в поперечному перерізі мають форму квадрата зі стороною 250 мм (див. рис 4.4).
Рис.4.3. Поперечний переріз ТВЗ реактора РБМК-1000.
Зображення
Рис.4.4. Фрагмент розрізу активної зони ядерного реактора РБМК-1000.
За можливостями розміщення в заданому об'ємі активної зони найбільшої кількості палива (що визначається кількістю ТВЗ, які розміщують в активній зоні) квадратна ґратка поступається трикутній, але є більш придатною для уран-графітового реактора, бо графіт, поступаючись воді за сповільнювальною здатністю (ξΣs), для забезпечення теплового спектра в реакторі має використовуватися в активній зоні в  більшій кількості на одиницю маси палива, що завантажується, ніж вода.

*)   Підраховано, наприклад, що для отримання теплового спектра нейтронів у гомогенній уран-графітовій суміші на кожне ядро урану потрібно 80 - 120 ядер вуглецю, тоді як в уран-водних  гомогенних сумішах для цього треба всього 12 - 15 молекул води. Приблизно такі самі співвідношення поширюються й на гетерогенні критичні композиції.

У реакторі РБМК-1000 струнка структура квадратної ґратки ТВЗ в активній зоні порушується через необхідність розміщення органів керування реактора (рухомих і нерухомих стрижнів-поглиначів): частина комірок активної зони звільняється від ТВЗ, а їхні місця в порожніх технологічних каналах заступають органи СУЗ. Комірки, зайняті органами СУЗ, в активній зоні реактора утворюють  свою квадратну ґратку, повернуту відносно квадратної ґратки ТВЗ на кут 45° (рис.4.4). Таким чином виходить, що справді повторюваним компонентом структури активної зони РБМК є не одна комірка, а шістнадцять їх, які утворюють так звану поліклітинку активної зони.

Таблиця 4.1. Деякі характеристики гетерогенних структур реакторів типу ВВЕР і РБМК

Характеристики Значення характеристик для реакторів
ВВЕР-440 ВВЕР-1000 РБМК-1000
1 Тип твелів Циліндричний Циліндричний Циліндричний
2 Зовнішній діаметр твела, мм 9.1 9.1 13.6
3 Товщина оболонки твела, мм 0.65 0.65 0.85
4 Матеріал оболонки твелів сплав Zr + 1% Nb сплав Zr + 1% Nb сплав Zr + 1% Nb
5 Паливна композиція діоксид UO2 діоксид UO2 діоксид UO2
6 Діаметр паливної таблетки, мм 7.6 7.6 11.5
7
Збагачення палива, % 3.3 4.4 1.8 – 2.3
8 Тип ґратки твелів у ТВЗ Трикутна Трикутна -
9 Крок ґратки твелів у ТВЗ, мм 12.2 12.75 -
10 Кількість твелів в одній ТВЗ, шт 126 312 18
11 Тип ґратки ТВЗ в активній зоні Трикутна Трикутна Квадратна
12 Крок ґратки ТВЗ, мм 147 236 250
13 Тип ТВЗ Кожухова Безкожухова Безкожухова
14 Форма кожуха Шестигранна - -
15 Кількість ТВЗ в активній зоні 349 163 1693
Отже, ми ознайомилися з основними характеристиками, що визначають гетерогенну структуру активних зон теплових реакторів вітчизняних АЕС. Звісно, сказане не може претендувати на повноту опису конструкції активних зон; з докладним вивченням конструкції реакторів ще належить мати справу після закінчення вивчення теорії реакторів; зараз же, навпаки, важливо отримати найзагальніші уявлення про будову активних зон реакторів заради розуміння теоретичних побудов, що стосуються гетерогенності структур реакторів.