19170

Твэлы и ТВС энергетических реакторов

Лекция

Энергетика

Лекция 5 Твэлы и ТВС энергетических реакторов В нашей стране разработаны и успешно эксплуатируются три типа энергетических реакторов: канальный водографитовый реактор РБМК1000 РБМК1500; корпусной реактор с водой под давлением ВВЭР1000 ВВЭР440; реактор н

Русский

2013-07-11

348 KB

170 чел.

Лекция 5

Твэлы и ТВС энергетических реакторов

В нашей стране разработаны и успешно эксплуатируются три типа энергетических реакторов:

  •  канальный водографитовый реактор РБМК–1000 (РБМК–1500);
  •  корпусной реактор с водой под давлением ВВЭР–1000 (ВВЭР–440);
  •  реактор на быстрых нейтронах БН–600.

В других странах разработаны и эксплуатируются следующие типы энергетических реакторов:

  •  корпусной реактор с водой под давлением PWR;
  •  корпусной реактор с кипящей водой BWR;
  •  канальный тяжеловодный реактор CANDU;
  •  газо-графитовый корпусной реактор AGR.

Количество твэлов, загружаемых в активную зону реактора достигает 50 000 штук. Для удобства монтажа, перегрузки, транспортировки и организации охлаждения твэлы всех энергетических реакторов объединены в тепловыделяющие сборки — ТВС. Для надежного охлаждения твэлы в ТВС отделены друг от друга дистанционирующими элементами.

Твэл и ТВС реакторов РБМК–1000 и РБМК–1500

В активной зоне реакторов РБМК–1000 и РБМК–1500 с шагом квадратной решетки 250 мм расположены 1693 и 1661 технологических канала. В несущей трубе каждого канала располагаются ТВС. К канальной трубе Ф 80x4 мм из сплава Zr + 2,5 % Nb в ре-кристаллизованном состоянии диффузионной сваркой с двух сторон крепятся наконечники из стали ОХ18Н10Т, позволяющие плотно подключить каждый канал к коллектору теплоносителя.

Такая конструкция канала позволяет с помощью перегрузочной машины легко осуществлять загрузку и перегрузку ТВС, в том числе на работающем реакторе. В канал реактора РБМК-1000 загружается кассета, состоящая из двух отдельных ТВС, расположенных одна над другой, связанных в единое целое полым несущим стержнем из сплава Zr + 2,5 % Nb (ф 15x1,25 мм). В полости несущего стержня в отдельной трубчатой оболочке из циркониевого сплава располагаются датчики контроля энерговыделения, либо дополнительные поглотители нейтронов, служащие для выравнивания энерговыделения в активной зоне реактора.

Рис.1. ТВС реактора РБМК–1000

Каждая верхняя и нижняя ТВС (рис.1) образованы параллельным пучком стержневых твэлов из 18 штук, расположенных концентрическим окружностям с фиксированным по радиусу шагом, что создает устойчивый теплосъем в течение всего срока службы твэлов. Фиксация твэлов обеспечивается каркасом, образованным несущим центральным стержнем и десятью дистанционирующими решетками,  равномерно расположенными по высоте каждой ТВС. Дистанционирующие решетки собираются из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках и скрепленных снаружи ободом. В каждой ячейке имеются внутренние выступы длиной 0,1 — 0,2 мм: по четыре в ячейках наружного и по пять в ячейках внутреннего ряда твэлов, прочно, с натягом фиксирующие пропущенные сквозь ячейки твэлы. Это предупреждает радиальные перемещения твэлов в ячейках, которые могут быть возбуждены вибрацией конструкции под действием турбулентного потока теплоносителя. Таким путем исключается возникновение фреттинг-коррозии в местах касания оболочек твэлов с металлом ячеек. Решетки выполнены из нержавеющей аустенитной стали (ведутся работы по замене материала циркониевым сплавом). Дистанционирующие решетки имеют свободу перемещения вместе с пучком твэлов несущего стержня, однако поворот решетки относительно оси стержня исключен.

Твэлы  одним  концом  кольцевыми  замками,   обжимаемыми в вырезы фигурных наконечников, крепятся к несущей решетке. Другие концы твэлов остаются свободными. Несущая решетка  (концевая) жестко крепится к осевой половине несущего стержня.

Общий вид твэла представлен на рис.2. Общая длина твэла составляет 3644мм, длина топливного сердечника — 3430 мм.

Материал оболочки и концевых деталей твэлов является сплав Zr+1%Nb в рекристаллизованном состоянии.  Диаметр оболочек 13,6 мм, толщина стенки 0,9мм. Топливом являются таблетки из спеченной двуокиси урана с высотой близкой к их диаметру, имеющие лунки на торцах.

 Средняя масса топливного столба составляет 3590 г при минимальной плотности 10,4 г/см3.

Разброс диаметрального зазора таблетка — оболочка составляет 0,18-0,36мм.
В оболочке топливные таблетки сжаты витой пружиной, расположенной
в газосборнике, снижающем давление газообразных продуктов делении.  Отношение свободного объема под оболочкой к общему объему при средних геометрических параметрах составляет 0,09.

Рис.2. Твэл реактора РБМК: 1 — заглушка, 2 — топливная таблетка, 3 — оболочка, 4 — пружина, 5 — втулка, 6 — наконечник

Твэл и ТВС реактора ВВЭР–1000

В корпус реактора ВВЭР–1000 загружается 151 тепловыделяющая сборка. ТВС реактора ВВЭР–1000 (рис.3) имеет шестигранную форму и состоит из пучка твэлов, расположенных в гексагональной решетке с шагом 12, 75 мм. Число твэлов в ТВС — 317 штук. Размер ТВС «под ключ» составляет 234 мм.

Рис.3. ТВС реактора ВВЭР–1000

В последнее время для повышения жесткости разработаны ТВС, по углам которых наварены уголки из сплава циркония (рис.4).

Дистанционирование твэлов осуществляется сотовыми решетками (рис.5), расположенными через 250 мм. Крепление решеток осуществляется на центральной каркасной трубе диаметром 11,2 мм. Головка и хвостовик кассеты скреплены между собой 12 кластерными трубами, которые проходят через всю ТВС и служат для размещения органов регулирования и защиты. Твэлы закреплены в нижней несущей решетке.

Рис.4. Альтернативная конструкция ТВС реактора ВВЭР–1000

Рис.5. Дистанционирующая решетка ТВС ректора ВВЭР–1000

 

На рис.6 показан вариант конструкции твэла ВВЭР–1000.  

Рис.6. Вариант конструкции твэла ВВЭР–1000: 1 — наконечник, 2 — пружина, 3 — таблетка, 4 — оболочка, 5 — втулка, 6 — заглушка.

Длина твэла составляет 3840 мм. Материалом оболочки и концевых деталей служит сплав 110 (635). Наружный диаметр оболочки равен 9,1 мм, минимальная толщина стенки — 0,7 мм. Топливный сердечник набран из таблеток диоксида урана плотностью 10,4 — 10,6 г/см3. Средняя масса топливного столба равна 1565 г. Разброс диаметрального зазора топливо — оболочка составляет 0,19 — 0,32 мм. Начальная среда внутри твэла — гелий под давлением 2 — 2,5 МПа. Доля свободного объема под оболочкой — 0,16.

Твэл и ТВС реактора БН–600

Типичная ТВС энергетического реактора на быстрых нейтронах, охлаждаемого натрием, имеет шестигранную форму и состоит из пучка твэлов, помещенного в чехловую трубу (рис.7). К верхней части шестигранного чехла приваривается головка, форма которой обеспечивает возможность захвата ТВС при перегрузках свежего и отработавшего топлива, транспортировке его в бассейн выдержки и на радиохимические заводы. Головка имеет отверстия для выхода теплоносителя из ТВС. К нижней части шестигранной чех-ловой трубы приваривается хвостовик, с помощью которого ТВС устанавливается в напорном коллекторе. Теплоноситель поступает в ТВС через отверстия, имеющиеся на боковой поверхности хвостовика. Нижняя часть хвостовика заглушена. В результате исключается возможность всплытия ТВС под напором теплоносителя.

Чехловая труба шестигранного профиля имеет размер «под ключ» 96 мм и толщину стенки 2 мм. В ТВС размещается 127 твэлов диаметром 6,9 мм, длиной около 2400 мм. На наружной поверхности оболочки с шагом 100 мм навита дистанционирующая проволока круглого сечения диаметром 1,05 мм для центральных твэлов и эллиптического 0,6х1,3 мм — для пристеночных твэлов. Центральную часть твэла (порядка 1000 мм) занимают обогащенные таблетки активной зоны. Сверху и снизу расположены зоны воспроизводства длиной около 400 мм, содержащие таблетки из обедненного урана. Крепление твэлов в ТВС осуществляется в нижней части к специальной опорной решетке. Таблетки активной зоны имеют центральное отверстие площадью 8 — 10 % от площади поперечного сечения. Сборочный диаметральный зазор определяется допусками на изготовление труб и таблеток и равен примерно 0,1 — 0,4 мм. В качестве конструкционного материала используется нержавеющая сталь.

Рис. 7. Твэл и ТВС активной зоны БН–600:

1–оболочка;  2,3–таблетки зоны воспроизводства и АЗ; 4–проволока; 5–головка ТВС; 6–твэлы;

7–хостовик

Конструктивное решение ТВС зоны воспроизводства в основном повторяет ТВС активной зоны. ТВС имеет шестигранный профиль с размером «под ключ» 96 мм и толщиной стенки 2 мм (рис.8). Полная длина ТВС равна примерно 3500 мм.

В боковой зоне воспроизводства энерговыделение много меньше по сравнению с активной зоной. Это позволило сократить в пучке количество твэлов, увеличив их диаметр. Оказалось возможным сформировать пучок из 37 твэлов диаметром 14 мм каждый. Разработаны и реализованы две системы дистанционирования твэлов в пучке. В первом варианте конструкции твэлов была использована оболочка, выполненная с тремя спиральными ребрами на наружной поверхности высотой около 0,6 мм. Шаг спирали ребер составлял 800 мм. Однако ребра, выполненные вместе с оболочкой являются концентраторами напряжений и значительно усложняют технологию производства ТВС.

Во – втором варианте дистанционирование осуществляется проволокой овальной проволокой толщиной 0,6 мм, навитой на поверхности оболочки с шагом 100 мм.

Тепловыделяющий элемент зоны воспроизводств имеет диаметр 14,1 мм. Толщина стенки оболочки — 0,45 мм.  В нижней части  оболочки находится стакан, служащий опорой для таблеток. Он фиксируется на оболочке точечной сваркой. Столб топливных таблеток из обедненного урана диаметром 13,15 мм поджимается к опорному стакану фиксирующим пружинным устройством в виде разрезной втулки. Твэл заполняется гелием с избыточным давлением 0,1 МПа.

Рис. 8. Твэл и ТВС активной зоны БН–600:

1–оболочка;  2–проволока; 3–топливные таблетки; 4–хвостовик; 5–твэлы;

6–верхний захват

ТВС реактора PWR

PWR (Pressure Water Reactor) — самый распространенный тип реакторов за рубежом, разработан фирмой Вестингауз.     Активная зона, имеющая высоту 3,605 м и эквивалентный диаметр, набирается из 193 ТВС.

ТВС (рис.9) в плане имеет квадратное сечение со стороной 230 мм и имеет 17х17 ячеек. Ее высота 4,905 м. Твэлы расположены в квадратной решетке с шагом 14,3 мм. Всего в кассете размещено 236 твэлов. Остальные ячейки в решетке заняты 20 трубками для ввода в зону стержней регулирования. Цилиндрические твэлы имеют внешний диаметр 10,75 мм. Оболочка твэла толщиной 0,72 мм выполнена из циркониевого сплава циркалой-4. В качестве топлива используются таблетки двуокиси урана внешним диаметром 9,1 мм. Для выравнивания энерговыделения активная зона разбита на четыре подзоны с разным обогащением топлива: первая подзона (от центра)  имеет обогащение обогащение 2,18% (49 кассет); вторая — 2,38% (48 кассет); третья — 2,53 % (48 кассет); четвертая — 3,19 % (48 кассет). Обогащение топлива, догружаемого в реактор, 3%. Общая масса кассеты 830 кг.

При эксплуатации реактора на номинальной мощности средняя плотность теплового потока в зоне составляет 57,1 Вт/см2, линейная мощность твэла 194,2 Вт/см, средняя энергонапряженность в активной зоне 87 МВт/м3, энергонапряженность топлива 34 МВт/т.

Рис. 9. Топливная сборка PWR с пучком регулирующих стержней: 1 — нижний концевик; 2 — дистанционирующая решетка; 3 — регулирующий стержень;

4 — верхний концевик; 5 — пучок регулирующих стержней; 6— прижимная пружина; 7 — твэл; 8 — направляющая труба регулирующего стержня; 9 — интенсификатор теплообмена

ТВС реактора BWR

Реактор с кипящей водой — BWR (Boiling Water Reactor) организован по одноконтурной схеме. Вследствие условий теплообмена удельные тепловые потоки и энергонапряженность активной зоны BWR должны быть значительно ниже, чем в ВВЭР (не более 50—60 МВт/м3).

ТВС квадратного сечения состоит из чехла, верхней и нижней опорных плит и верхней перегрузочной скобы. В квадратной решетке (8х8) расположено 64 твэла. Твэлы фиксируются в верхней и нижней опорной плите и дистанционируются с помощью промежуточных дистанционирующих решеток из циркалоя-4. На нижней упорной плите имеется конус, который служит опорой ТВС в реакторе.

Восемь твэлов используются как анкерные стержни между верхней и нижней упорными плитами. Нижние концы этих твэлов ввинчены в нижнюю упорную плиту, а верхние — проходят через верхнюю; на их концах навинчены гайки. Остальные стержни находятся между верхней и нижней упорными плитами, причем верхняя и нижняя концевые заглушки каждого твэла свободно вставлены в соответствующие отверстия в верхней и нижней упорных плитах. На каждую верхнюю концевую заглушку навита пружина, которая отжимает твэл от верхней упорной плиты, фиксируя его в нижнем положении.

В качестве топлива используется двуокись урана. Оболочка выполнена из сплава циркалой-2. Отличительная особенность твэлов — больший диаметр (до 15 мм) и соответственно большая толщина оболочки (до 0,9 мм). Увеличение диаметра твэла связано с более низкой теплонапряженностью активной зоны и, конечно, выгодно по технологическим соображениям.

Рис. 10. ТВС реактора BWR

1 — пружина; 2 — газосборник;

3 — дистанционирующая решетка; 4 — топливные таблетки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70879. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖИДКОСТИ И ГАЗЕ. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРІ ЖИДКОСТИ И ГАЗА 1.24 MB
  В теории аэродинамики различают 3 основных принципа полета ЛА: аэростатический принцип который основывается на законе Архимеда: на тело погруженное в жидкость газ действует выталкивающая сила направленная вверх и равная весу вытесненного им объема жидкости газа рис.
70881. Регулирование профессиональной деятельности архитектора в России 39 KB
  В соответствии с Федеральным законом «Об архитектурной деятельности в Российской Федерации» под архитектурной деятельностью понимается профессиональная деятельность граждан (архитекторов), имеющая целью создание архитектурного проекта и включающая в себя...
70883. Анализ финансовой отчетности 705.5 KB
  Бухгалтерская отчетность представляет собой единую систему данных об имущественном и финансовом состоянии организации и о результатах ее хозяйственной деятельности и формируется на основе данных бухгалтерского учета по установленным формам.
70884. Психологические проблемы взаимодействия преподавателя и студента в классе; демократия и дисциплина 114.5 KB
  Студенты будут изучать то что они хотят знать и будут иметь трудности в усвоении материала который им не интересен. Студенты учатся все время то они изучает шаг степа в новом танце то иерархию в вузе то стратегию футбола и другие более или менее сложные вещи.
70885. Нетрадиционные методы преподавания общественных дисциплин 105.5 KB
  Нетрадиционные методы преподавания общественных дисциплин Использование опросов общественного мнения для повышения интереса студентов к обучению Приглашение общественно-политических деятелей на занятия. Это предполагает элементарную подготовленность студентов в вопросах методики социологических опросов.