19129

Компоновка и геометрические характеристики ТВС

Лекция

Энергетика

ЛЕКЦИЯ 9 Компоновка и геометрические характеристики ТВС Для удобства перегрузок топлива транспортировки и организации охлаждения твэлы объединяются в ТВС. Основные требования к ТВС заключаются в следующем: обеспечение установленного физическим расчетом ре

Русский

2013-07-11

608 KB

38 чел.

ЛЕКЦИЯ 9

Компоновка и  геометрические характеристики ТВС

Для удобства перегрузок топлива, транспортировки и организации охлаждения твэлы объединяются в 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.

Основные способы дистанционирования твэлов энергетических реакторов  ТВС показаны на рис. 9.1.

Рис.9.1. Способы дистанционирования твэлов в ТВС энергетических реакторов:

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

Создание высоконапряженных активных зон возможно при наиболее компактном расположении твэлов. Этому отвечает гексагональная компоновка ТВС. Полное число твэлов в ТВС (nт), установленных в nр  рядов равно:

                                                 .                                                   (9.1)

Возможное число твэлов в ТВС представлено в табл. 8.1.

Таблица 9.1

Число твэлов в ТВС

Число рядов

Количество твэлов в ТВС

Примечания

3

37

ТВС зоны воспроизводства БН-600

4

61

БОР-60

5

91

6

127

ТВС активной зоны БН-600, ВВЭР-440

7

167

8

217

9

271

10

331

ТВС ВВЭР-1000

Следует отметить, что формула (9.1) дает число ячеек в ТВС, в которые могут быть установлены твэлы. В реальных ТВС число твэлов может быть меньше количества ячеек, поскольку в некоторых типах ТВС размещаются регулирующие стержни, датчики энерговыделения и т.д.

Расстояние твэлов в ТВС определяется относительным шагом решетки, который  равен отношению расстояния между твэлами (а) к диаметру твэла (D): l=a/D.

Конфигурация элементарной ячейки показана на рис.9.2.

Рис.9.2. Конфигурация элементарной ячейки

В ТВС реактора БН-600 расстояние между центрами твэлов равно 7,9 мм при диаметре твэла 6,9 мм (l=1,14), для ТВС ВВЭР-1000 соответствующие значения равны 12,75 мм и 9,1 мм (l=1,4).

Важной характеристикой является пористость активной зоны, т.е. отношение объема активной зоны к объему твэлов (топлива). Из геометрии элементарной ячейки (рис.9.2) следует, что пористость активной зоны равна:

                                                                 .                                                      (9.2)

Вычисления дает значения пористости 0,46 для реактора ВВЭР-1000 и 0,7 — для реактора БН-600.

Рассмотрим методику предварительного выбора геометрических размеров твэла. Мощность реактора можно определить как произведение средней линейной нагрузки твэла (ql) на их общую длину:

                                                   ,                                                    (9.3)

где Lаз — длина активной части твэла (активной зоны); N и K — число твэлов в ТВС и число ТВС в активной зоне. Как правило, конструктору твэлов известна мощность реактора, относительный шаг решетки и размеры активной зоны. Из (8.3) можно оценить число твэлов в ТВС при заданной тепловой нагрузке, либо линейную тепловую нагрузку, используя соотношение (9.1) для подбора числа твэлов в ТВС.

Объем топлива в активной зоне равен:

                                                  ,                                 (9.4)

где RT — радиус топливного сердечника; Т — пористость по топливу; qv — среднее объемное тепловыделение в топливе.

С учетом представленных выше соотношений, радиус топливного сердечника может быть вычислен по одному из следующих способов:

                                                 .                                                 (9.5)

Рис. 9.3. Зависимость максимального диаметра сердечника от объемной тепловой нагрузки:

Сплошная линия — плавление центра сердечника из диоксида урана; штрихпунктирная — температура в центре сердечника из нитрида урана ограничена началом интенсивного распухания (1400 0С)

Диаметр сердечника ограничен допустимыми температурами центра. В качестве последних обычно выбирают температуру плавления (для диоксида урана) или температуру начала интенсивного распухания (для карбидов и нитридов урана).

Температура в центре в первом приближении равна:

                                                              ,                                                (9.6)

где Тпов— температура поверхности сердечника; Т — теплопроводность топлива.

Зависимость максимального диаметра сердечника от объемной тепловой нагрузки показана на рис. 9.3. Тепловая нагрузка может быть представлена как мощность, снимаемая с единицы массы топлива. Зависимость диаметра твэла от массового энерговыделения, приводящего к плавлению сердечника показана на рис.9.4.

Рис.9.4. Зависимость допустимой энергонапряженности топлива и относительной стоимости изготовления твэлов от диаметра топливного сердечника для реактора тапа ВВЭР

Из представленных данных следует, что для увеличения энергонапряженности зоны необходимо снижать диаметр твэла. С другой стороны, для сохранения общей загрузки топлива твэлов малого диаметра потребуется больше, чем твэлов большого диаметра, что увеличивает производственные затраты. Стоимость загрузки активной зоны связана с диаметром твэла соотношением:

Изменение относительной стоимости загрузки с диаметром твэла показано на рис.9.4.

Одним из факторов, определяющих выбор толщины оболочки твэла, является величина термических напряжений. Для цилиндра внешним радиусом R1, внутренним R2 с перепадом температур Т термические напряжения в окружном направлении на внешней поверхности равны:

                               ,                                           (9.7)

где Е — модуль Юнга; — коэффициент термического расширения; — коэффициент Пуассона; =R1/R2.

Перепад температур при линейной тепловой нагрузке ql  или при нагрузке на единицу площади qs равен:

                                          ,                                                  (9.8)

где о — коэффициент теплопроводности оболочки.

Для тонкостенной трубы при толщине (о) много меньше радиуса, что в большинстве случаев выполняется для оболочек твэла, максимальные термические напряжения равны:

                                               .                                                               (9.9)

Расчет термических напряжений в оболочках  из разных материалов для удельного теплосъем 230 Вт/см2 показан на рис.9.5.

Рис.9.5. Термические напряжения в оболочках из различных материалов

Из последнего рисунка следует, что проблема ограничения термических напряжений особенно остро стоит для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах из нержавеющей стали. Критерием для выбора толщины стенки оболочки является ограничение напряжений пределом упругости. На рис.9.6 представлена зависимость допустимой тепловой нагрузки топлива в зависимости от диаметра сердечника. Пунктирные линии показывают тепловые нагрузки, при  которых термические напряжения в оболочках из нержавеющей стали указанной толщины превышают предел упругости.

Рис.9.6. Допустимая тепловая нагрузка топлива в зависимости от геометрических размеров топлива и оболочки: сплошные линии — нагрузка, приводящая к плавлению сердечника; пунктирные линии — тепловые нагрузки, при  которых термические напряжения в оболочках из нержавеющей стали, указанной толщины, превышают предел упругости.

Приведенные расчеты ограничивают значения толщины оболочки сверху. Минимальные значения толщины оболочки твэла реактора на быстрых нейтронах связаны с длительной прочностью при нагружении внутренним давлением ГПД.

Выбор толщины оболочек в реакторах с водой под давлением или в газовых реакторах со стержневыми твэлами связан с анализом потери устойчивости под внешним давлением.

Наружное давление, действующее на оболочку, (разница внешнего и внутреннего давления) не должны превышать значения: Р = 0,3Ркр. Критическое напряжение для идеально цилиндрической оболочки равно:

.

Для оболочек с исходной (технологической) овальностью значения критических давлений меньше. Влияние отклонения формы на потерю устойчивости и уточнение выбора толщины оболочки будут рассмотрены позже.

Исходя из приведенных рассуждений, оптимальный диаметр твэла для реакторов типа ВВЭР лежит в пределах 9 — 10 мм при толщине оболочки 0,7 — 0,8 мм. Для реакторов на быстрых нейтронах диаметр твэла равен 6 — 7 мм, а максимальная толщина оболочки 0,5 мм.

Следует отметить, что приведенные значения являются оценочными, и будут в дальнейшем уточняться исходя из анализа напряженно-деформированного состояния твэла.  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75765. Индивидуальный и социальный риск 15.64 KB
  Индивидуальный и социальный риск Наиболее распространенной оценкой опасности является риск. Риск частота реализации опасностей. Риск расценивается или как опасное условие при котором выполняется деятельность или же как действие совершаемое в условиях неопределенности. Различают индивидуальный и социальный риск.
75766. Основные задачи БЖД 12.77 KB
  Основные задачи БЖД Безопасность жизнедеятельности представляет собой область научных знаний охватывающих теорию и практику защиты человека от опасных и вредных факторов во всех сферах человеческой деятельности сохранение безопасности и здоровья в среде обитания. Эта дисциплина решает следующие основные задачи: идентификация распознавание и количественная оценка негативных воздействий среды обитания; защита от опасностей или предупреждение воздействия тех или иных негативных факторов на человека; ликвидация отрицательных последствий...
75767. Опасность – центральное понятие БЖД 14.38 KB
  Опасность центральное понятие БЖД Опасность центральное понятие в науке БЖД под которым подразумеваются любые явления процессы объекты свойства предметов способные в определенных условиях причинить ущерб здоровью и жизни человека. Опасность хранят все системы имеющие энергию химически или биологически активные компоненты а так же свойства несоответствующие условиям жизнедеятельности человека. Потенциальный означает опасность возможная скрытая отложенная на потом. Признаками определяющими опасность являются: ...
75768. Номенклатура опасностей. Идентификация опасностей 16.99 KB
  Номенклатура опасностей. Идентификация опасностей. В процессе идентификации выявляются номенклатура опасностей. Главное в идентификации заключается в установлении возможных причин проявления опасностей.
75769. ДИАГНОСТИКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ МЛАДШИМИ ШКОЛЬНИКАМИ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ «ЧЕЛОВЕК-ОБЩЕСТВО» 179 KB
  Система диагностики результатов освоения младшими школьниками образовательной области Окружающий мир. Оценивание как основой метод диагностики результатов освоения содержательных линий. Оценивание метапредметных результатов освоения содержательных линий образования.
75770. Методы теории вероятностей в анализе безопасности и надежности летательных аппаратов 1.04 MB
  Теория вероятностей возникла в середине 17 в. То, что случайные явления представляют собой не исключение, а правило в реальном мире, было замечено еще в древности. Об этом словами Лукреция Кара прекрасно говорит Альфред Реньи.
75771. НОРМАТИВНО-ПРАВОВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ АВТОРСКОГО ПРАВА НА ИНТЕРНЕТ-САЙТ 198 KB
  Цели и задачи работы. Целью данной работы является формирование целостного представления о сети Интернет как о явлении, имеющем правовое значение, выявление основополагающих моментов в регулировании ее деятельности. Достижение этой цели зависит от решения следующих задач...