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

36 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

85453. В.Нестайко «Космонавти з нашого будинку» 43 KB
  Мета: ознайомити учнів з особистістю В.Нестайка, викликати інтерес до його творчості; удосконалювати читацькі навички, уміння складати план і стисло переказувати прочитане. Збагачувати активний словниковий запас учнів; розвивати уміння характеризувати дійових осіб.
85454. Чарівник приходить до того, у кого добре серце 26.5 KB
  Мета: удосконалювати навички свідомого і швидкого читання; вчити визначати головну думку казки; збагачувати словниковий запас новими словами; розвивати зв’язне мовлення учнів вміння характеризувати героїв вміння аналізувати; виховувати доброту чуйність любов до братів наших менших.
85455. З історії міста Києва Н. Забіла. Старовинне місто 55 KB
  Розширити уявлення про історичне минуле. Вчити працювати з художньо-пізнавальним текстом (структурувати текст, визначати події, основні назви), ставити запитання до тексту. Розвивати мовлення, уміння переказувати; зіставляти відоме і невідоме; розвивати допитливість.
85456. «З любов’ю до рідної землі». Підсумок теми. М. Познанська «Спасибі людям, що зростили ліс» 58.5 KB
  Вчити правильно і виразно читати вірші, доводити свої міркування; розвивати в учнів допитливість, інтерес до навколишнього світу, виховувати любов до природи. Картки, комп’ютер, магнітофон, наочність, портрет...
85457. Леся Українка «Біда навчить» 167 KB
  Серед лиха співати пісні Без надії таки сподіватись Буду жити Геть думи сумні Як це пов’язано з нашою казкою яку ми розпочали вивчати Горобчику також довелось посумувати перш ніж він став мудрим. Пригадайте нашого горобчика перегляд фрагменту мультфільму Некмітливий горобець.
85458. ВИДИ КАЗОК. СКЛАДАННЯ КАЗОК ЗА ОПОРНОЮ СХЕМОЮ 39.5 KB
  Оголошення теми уроку. Добрий день. Сьогодні у нас цікава і незвичайна тема уроку. Ми будемо грати у казку, ознайомимося з видами казок і створимо свою власну казку за опорною схемою. Розповідь вчителя з елементами бесіди (презентація проекту).
85459. «Путешествие в Книгоград» (экскурсия в библиотеку) 55 KB
  Умными словами недаром сказано: Всем лучшим книге мы обязаны Книги читают стар и млад Книжке хорошей каждый рад. Книги читаю значит мыслю Мыслю значит живу а не кисну. Что же в них хранили Книги В Египте написанные на папирусе в Междуречье выцарапанные на глиняных табличках в Индии составленные...
85460. Чарівна осінь 64 KB
  Мета: Удосконалювати навички виразного читання збагачувати лексичний запас учнів; учити порівнювати художні твори; формувати естетичні смаки; розвивати уяву спостережливість; виховувати бережливе ставлення до природи. Мотивація навчальної діяльності: а Виразне читання вірша вчителем...
85461. М.Коцюбинський. Харитя 52 KB
  Мета. Удосконалювати навички виразного читання; розвивати вміння орієнтуватися у структурі оповідання, придумувати заголовки, розвивати навички елементарного аналізу художнього твору, давати характеристику дійовим особам твору, збагачувати словниковий запас, розвивати мовлення...