ID: 19124

Название работы: Требования к твэлам и ТВС. Классификация твэлов

Категория: Лекция

Предметная область: Энергетика

Описание: ЛЕКЦИЯ 4 Требования к твэлам и ТВС. Классификация твэлов Главной составляющей частью активной зоны любого гетерогенного реактора являются твэлы выделяющие энергию в виде тепла отводимую теплоносителем. Геометрические размеры и форма твэлов могут быть самыми разн

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-07-11

Размер файла: 2.22 MB

Работу скачали: 60 чел.

ЛЕКЦИЯ 4

Требования к твэлам и ТВС. Классификация твэлов

Главной составляющей частью активной зоны любого гетерогенного реактора являются твэлы, выделяющие энергию в виде тепла, отводимую теплоносителем. Геометрические размеры и форма твэлов могут быть самыми разнообразными и определяются физическими, техническими характеристиками ядерного реактора и его назначением. В общем случае твэл состоит из топливного сердечника, оболочки, концевых деталей (рис.4.1).

Рис.4.1. Составные части типового твэла

Твэл может содержать устройства для фиксации сердечника, фильтры, поглотители, свободный объем для компенсации внутреннего давления и т.д. Сердечник изготовлен из делящихся материалов,  материалы воспроизводства, и может содержать инертные материалы и поглотители нейтронов. Оболочка и концевые детали предназначены для герметизации сердечника, локализации продуктов деления, для обеспечения прочности и стабильности размеров. Концевые элементы служат так же для фиксации твэлов в ТВС.

С учетом сложных и тяжелых условий работы твэлов ядерных реакторов требования к ним, в принципе, довольно простые, представляются трудновыполнимыми.

Требования к твэлам вытекают из самого назначения твэла и заключаются в обеспечении следующих условий:

•  определенное пространственное распределение делящегося материала в объеме реактора в строгом сочетании с другими компонентами активной зоны (замедлителем, теплоносителем, органами регулирования, выгорающими поглотителями нейтронов, органами контроля, конструкционными материалами, материалами воспроизводства);
  •  отсутствие контакта делящегося материала с теплоносителем и предотвращение выхода радиоактивных продуктов деления в контур теплоносителя;
  •  надежный отвод тепла, выделяющегося в ядерном топливе;
  •  нормальная работа твэла в течение всей кампании реактора;
  •  минимальный паразитный захват нейтронов;
  •  возможность переработки отработавших твэлов и регенерации ядерного топлива и технологических отходов при изготовлении твэлов.

Выполнение этих требований обеспечивается рациональной конструкцией твэла и  тепловыделяющей сборки, правильным выбором материалов твэла, совершенством технологии изготовления и осуществлением оптимальных режимов работы твэла.

В практике реакторостроения используется большое разнообразие твэлов. Их можно классифицировать по следующим признакам: по назначению реактора, в котором работают твэлы; по виду и состоянию ядерного топлива в твэле и по его назначению; по форме и конструкции твэла.  

Особой группой являются твэлы с датчиками информации, так называемые измерительные твэлы, совмещающие функции собственно тепловыделяющего элемента и измерительного инструмента.

По назначению реактора можно выделить четыре группы твэлов:

•  твэлы энергетических реакторов, причем эту группу можно разделить на две подгруппы, имеющие некоторые существенные отличия: твэлы на тепловых нейтронах и на быстрых нейтронах;
  •  твэлы исследовательских реакторов - группа имеет наибольшее количество разновидностей по различным параметрам и характеристикам;
  •  твэлы реакторов с прямым преобразованием энергии в электрическую;
  •  твэлы реакторов-конверторов, предназначенных для получения делящихся материалов для военных целей.

В соответствии с назначением делящегося материала твэлы можно разделить на группы:

•  твэлы, содержащие делящий материал, обеспечивающий поддержание цепной реакции деления в активной зоне реактора;
  •  твэлы, содержащие делящийся материал, не способный обеспечить цепную реакцию деления вследствие малого сечения деления у него и предназначенный для воспроизводства ядерного топлива за счет поглощения нейтронов и трансформации в другой материал с большим сечением деления (например превращение 238U в 239Рu);
  •  твэлы двух целевого назначения, содержащие как делящийся материал для обеспечения цепной реакции деления в активной зоне реактора, так и материал для воспроизводства ядерного топлива;
  •  твэлы, содержащие топливо и выгорающие поглотители.

По виду делящегося материала твэлы можно разделить на следующие группы:

•  твэлы, содержащие металлическое ядерное топливо (в виде однородных металлов или сплавов);
  •  твэлы с ядерным топливом в виде неметаллических соединений делящихся материалов;
  •  твэлы дисперсионного типа, в которых топливная фаза в виде частиц размещена в непрерывной матрице из неделящегося материала.

По конструкции и форме твэлы достаточно разнообразны. В практике использования и в патентной литературе известны следующие формы твэлов:

•  стержневые твэлы различного диаметра, как с гладкой поверхностью, так и с оребрением различного типа;
  •  кольцевые твэлы с различным соотношением толщины кольца и диаметра;
  •  пластинчатые твэлы как с одинаковой толщиной, так и с переменной. Пластины могут быть прямыми и изогнутыми. Разновидностью пластинчатых твэлов, занимающей промежуточное положение между пластиной и стержнем, являются ленточные твэлы;
  •  шаровые твэлы, как правило, дисперсионного типа, часто с использованием графита в качестве матричного и конструкционного материала.
  •  твэлы сложной формы - в виде блоков с продольной перфорацией для протекания теплоносителя, стержней с поперечным сечением в виде звезды или креста и т.п.

Наиболее распространенными в энергетических реакторах являются цилиндрические твэлы стержневого типа (рис.4.2). Отношение длины твэла к диаметру изменяется в пределах 200 — 500.

Рис.4.2.  Твэл стержневого (контейнерного) типа:  

1 — заглушка; 2 — топливная таблетка; 3 — оболочка; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник

Стержневые твэлы с ребрами на оболочке (рис.4.3) обладают свойством самодистанционирования. Такие твэлы могут использоваться в транспортных реакторах и реакторах на быстрых нейтронах с плотной упаковкой. Дистанционирование осуществляется закруткой твэла вдоль оси с необходимым шагом.

Рис.4.3. Стержневые твэлы с оребрением на оболочке

Кольцевые твэлы с двухсторонним охлаждением отличаются более развитой поверхностью теплосъема (Рис.4.4).

Рис.4.4. Кольцевой твэл

Пластинчатые твэлы используются в исследовательских реакторах с высокими тепловыми потоками (рис.4.5). Их отличительными способностями является развитая поверхность теплосъема, однако механически они малоустойчивы.

Рис.4.5. Варианты ТВС с пластинчатыми твэлами

Для удержания пластинчатых твэлов в точном пространственном положении относительно друг друга применяют различные дистанционирующие устройства в виде опорных боковых и кольцевых пластин.

Шаровые твэлы (рис.4.6) используются в высокотемпературных реакторах.

Рис.4.6. Вариант конструкции шарового твэла

Твэл представляет собой шар с оболочкой из графита диаметром 60 мм. Внутри оболочки находятся микротвэлы, содержащие топливо. Для предотвращения разрушения микротвэлов и выхода продуктов деления топливо окружено многослойным покрытием из графита, пирографита и карбида кремния. Микротвэлы диспергированы в графитовой матрице.

Рис.4.7. Твэл призматического типа: 1 — канал для теплоносителя; 2 — канал для выгорающего поглотителя; 3 — топливный канал; 4 — топливный слой; 5 — канал теплоносителя; 6 — стержень с выгорающим поглотителем; 7 — поток гелия; 8 — графитовая пробка; 9 — отверстие под захват; 10 — штифт; 11 — гнездо для штифта

Призматические твэлы используются в высокотемпературных реакторах. Твэл представляет собой графитовую призму с цилиндрическими отверстиями, в которых размещены топливо и поглощающие материалы (рис.4.7). Ряд отверстий служит каналами для теплоносителя.

Крестообразные твэлы (рис.4.8) и твэлы  сложного профиля виде многолучевых звезд, стержней и т.д. используются в исследовательских и транспортных реакторах.

Рис.4.8. Твэл крестообразной формы

По конструкции и характеру контакта между сердечником твэла и его оболочкой (что существенным образом влияет на тепловое состояние ядерного топлива) твэлы можно классифицировать следующим образом:

•  твэлы, в которых сердечник не имеет механической или диффузионной связи с оболочкой. Примером такого твэла являются твэлы с сердечником в виде таблеток из диоксида урана, используемые в большинстве энергетических реакторов. Зазор между таблеткой и оболочкой заполняется, как правило, гелием. В процессе работы твэла в зазор выходит значительное количество газообразных продуктов деления, что изменяет и теплопроводность зазора и, следовательно, температурный уровень твэла и уровень напряжений в оболочке твэла вследствие изменения давления в зазоре. Подобные твэлы называют иногда твэлами контейнерного типа;
  •  твэлы, у которых в процессе изготовления осуществляется диффузионная приварка сердечника к оболочке или непосредственно, или с помощью подслоя какого-либо металла, повышающего прочность и пластичность сцепления. Примером могут служить твэлы дисперсионного типа, полученные посредством прокатки или прессовки. Подобные твэлы используются в реакторах с высокими тепловыми нагрузками, когда для обеспечения приемлемого температурного уровня твэла необходимо уменьшить тепловое сопротивление контакта;
  •  твэлы, у которых плотный контакт между сердечником и оболочкой осуществляется механическим способом за счет некоторой деформации и сердечника и оболочки. При этом возможно предварительное искусственное повышение шероховатости сердечника для обеспечения плотного контакта, использования каких-либо прослоек;
  •  твэлы, у которых хороший тепловой контакт между сердечником и оболочкой обеспечивается слоем жидкого металла между ними, или слоем металла или сплава, пластичных при высокой температуре.

В ядерных реакторах для обеспечения необходимых условий охлаждения активной зоны, а также для обеспечения комплектования активной зоны и осуществления загрузки и перегрузки активной зоны твэлы, как правило, используются в составе тепловыделяющих сборок. Основные требования к ТВС учитывают требования,  предъявляемые к твэлу,  и создают предпосылки для их выполнения. Одновременно и требования к ТВС налагают определенный отпечаток на требования к конструкции твэла, при этом непременным условием является возможность использования совокупности твэлов в составе ТВС.

Основные требования к ТВС заключаются в следующем:

•  обеспечение установленного физическим расчетом реактора необходимого соотношения в единице объема активной зоны количества делящегося материала, замедлителя, теплоносителя, конструкционных материалов и других компонентов активной зоны;
  •  обеспечение распределения расхода теплоносителя по активной зоне в соответствии с энерговыделением в различных ее частях;
  •  обеспечение достаточного охлаждения каждого твэла в ТВС;
  •  обеспечение свободы передвижения твэлов при их тепловом расширении;
  •  отсутствие механических воздействий на твэлы со стороны кожуха и крепежных деталей ТВС;
  •  предотвращение соприкосновения тепловыделяющих поверхностей соседних твэлов.

Наибольшее распространение для ядерной энергетики получили твэлы стержневого типа.

Дистанционирование твэлов в ТВС

Для обеспечения надежного охлаждения твэлы отделены друг от друга дистанционирующими элементами. Способы дистанционирования зависят от типа твэла, и расстояния между ними (относительного шага решетки). При малых значениях шага решетки дистанционирование осуществляется проволоками, навитыми на твэл или ребрами на оболочке, при больших — дистанционирующими решетками.

Основные способы дистанционирования твэлов энергетических реакторов  ТВС показаны на рис. 4.9, 4.10.

Рис.4.9. Способы дистанционирования твэлов в ТВС энергетических реакторов:

I — проволока; II — лента; III — ребро по оболочке; IY — ребро по ребру; Y, YI — решетки

Рис.4.10. Способы дистанционирования твэлов в ТВС