19171

Твэлы и ТВС исследовательских, транспортных и транспортабельных реакторов

Лекция

Энергетика

Лекция 6 Твэлы и ТВС исследовательских транспортных и транспортабельных реакторов По сравнению с энергетическими реакторами к твэлам исследовательских и транспортных реакторов предъявляются дополнительные требования связанные со спецификой их эксплуатации: ...

Русский

2013-07-11

1.84 MB

20 чел.

Лекция 6

Твэлы и ТВС исследовательских, транспортных и транспортабельных реакторов

По сравнению с энергетическими реакторами к твэлам исследовательских и транспортных реакторов предъявляются дополнительные требования, связанные со спецификой их эксплуатации:

  •  безопасность и надежность при минимальных массовых характеристиках реактора;
  •  локализация продуктов деления внутри топливной композиции;
  •  обеспечение теплосъема при высоких (до 2500 Вт/см2) тепловых нагрузках;
  •  отсутствие тепловых барьеров между топливной композицией и оболочкой;
  •  развитая поверхность охлаждения;
  •  обеспечение работоспособности в переходных режимах эксплуатации.

Эти требования могут быть обеспечены путем использования дисперсионных твэлов.

Твэлы на основе дисперсионного ядерного топлива

Твэлами дисперсионного типа называют такие, в сердечнике которых топливо находится в виде частиц, равномерно распределенных в непрерывной матрице из неделящегося материала. Сердечники твэлов дисперсионного типа представляют собой композиции ядерного топлива в виде делящихся материалов (233U 235U, 239Рu) или их химических соединений и матрицы из металлов, сплавов, керамики, графита и других неделящихся материалов, а также 238U, 232Th или их сплавов и соединений.

Основные требования к твэлам

  •  гарантированное отсутствие разгерметизации твэла;
  •  необходимое соотношение топлива, замедлителя, теплоносителя и конструкционных материалов;
  •  совместимость сердечника с оболочкой и оболочки с теплоносителем;
  •  развитая поверхность теплосъема;
  •  простота конструкции и технологии;
  •  равномерность распределения топлива;
  •  совместимость топлива с матрицей;
  •  надежный тепловой контакт топлива с матрицей и матрицы с оболочкой.

Основные требования к ТВС

  •  обеспечение распределения теплоносителя по активной зоне в соответствие с энерговыделением;
  •  обеспечение надежного охлаждения каждого твэла в ТВС;
  •  обеспечение свободы передвижения твэлов при изменении размеров;
  •  отсутствие механических нагрузок на твэлы со стороны ТВС;
  •  обеспечение дистанционирования твэлов.

Дисперсионный твэл сочетает в себе прочность керамического топлива с пластичностью матрицы и ее хорошими ядерно-физическими и антикоррозионными свойствами, теплопроводностью и т. д. Процессы деления, происходящие в ядерном топливе, и сопутствующие им повреждения сосредоточиваются почти полностью в топливной частице, окруженной матрицей. Однако часть матрицы, соприкасающаяся с ядерным топливом, подвержена действию осколков деления. Для предварительного анализа радиационной стойкости твэлов дисперсионного типа можно предположить, что глубина проникновения продуктов деления в материал матрицы определяется только их энергией. Толщина шарового слоя поврежденной матрицы, окружающего топливную частицу, равна длине пробега осколков деления в материале матрицы. Усредненные значения длин свободных пробегов продуктов деления (для упрощения полагают их одинаковыми для тяжелых и легких осколков деления) характеризуются значениями, приведенными в табл.1.

Таблица 1

Средний свободный пробег осколка делений в материалах

Материал

Средний свободный пробег

Линейный, мкм

Массовый, мг/см2

Уран

6,8

12,6

Диоксид урана

9,4

6,1

Цирконий

9,1

5,8

Желзо

6,7

5,2

Алюминий

13,7

3,7

Предположение об образовании вокруг топливной частицы «пояса порчи» подтверждается хорошим соответствием расчетных и экспериментальных данных; так, среднее значение толщины поврежденного слоя композиции UO2 — нержавеющая сталь (облучение при 500 °С, выгорание 30%), определенное экспериментально, составляет 5,5 мкм, значение толщины слоя, полученное расчетным путем, составляет 6,6 мкм

Материал матрицы можно рассматривать состоящим из двух частей:  неповрежденной и поврежденной (рис.1).

Рис.1 Структура дисперсионной топливной композиции

Необходимым условием сохранения первоначальных свойств матрицы является непрерывность ее неповрежденной части, т. е. расстояние между частицами d должно быть таким, чтобы отсутствовало касание или перекрывание поврежденных шаровых слоев. Это расстояние зависит от объемной доли топливной фазы Vf  и размера частиц. Для расположения топливных частиц диаметром D1 по ГЦК решетке предложена следующая зависимость, связывающая эти параметры:

.

В общем случае расстояние между топливными частицами включает два участка: поврежденный и не поврежденный:

                                                  d = d1+2.

Возможный состав дисперсионного твэла представлен на рис. 2. 

Рис.2. Возможный состав дисперсионного твэла

Пластинчатые твэлы

Варианты пластинчатых твэлов показаны на рис.3.

Их отличительными способностями является развитая поверхность теплосъема, однако механически они малоустойчивы.

Рис.3. 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.

Кольцевые твэлы

ТВС с кольцевыми твэлами показана на рис.4. Твэлы представляют собой тонкостенные трубы разного диаметра из топлива, диспергированного в матрице, заключенные в тонкостенную оболочку. В исследовательских реакторах в качестве матрицы и оболочки часто используются сплавы алюминия. Обладая всеми преимуществами пластинчатых твэлов, кольцевые твэлы более устойчивы. Сборка в ТВС предполагает большое число способов дистанционирования твэлов.

Рис.4. ТВС с кольцевыми твэлами

Стержневые твэлы

Простой способ дистанционирования особенно в тесных решетках может быть реализован путем использования твэлов, оболочка которых имеет выступы (ребра) по всей длине (рис.5). Дистанционирование осуществляется закручиванием твэла вдоль оси с определенным шагом.

Рис.5. Самодистанционирующиеся стержневые твэлы

Максимальные требования по надежности в переходных режимах предъявляются к твэлам транспортных реакторов. Для транспортных и исследовательских реакторов разработаны различные варианты крестообразных твэлов (рис.6). Такая форма позволяет увеличить поверхность теплосъема в 2 — 2,5 раза по сравнению с цилиндрическими стержневыми твэлами, что позволяет без существенного увеличения температуры повысить мощность реактора.  Твэлы позволяют повысить выгорание, поскольку распухание топливной композиции компенсируется округлением их профиля (выпрямлением вогнутых участков). Для дополнительной компенсации распухания может быть предусмотрена центральная полость. Дистанционирование может быть выполнено закручиванием твэлов или другими средствами.

Рис.6. Твэл транспортного реактора

Рис.7. ТВС транспортного реактора

Каждая топливная сборка содержит 31 топливный элемент и 6 выгорающих поглотителей, расположенных как это показано на рис.7. Поглощающие стержни представляют собой цилиндрические трубы из нержавеющей стали, заполненные композицией, содержащей смесь изотопов гадолиния. Внешний диаметр оболочки поглотителя равен 5,4 мм, толщина стенки 0,14 мм. Расстояние между противоположными гранями шестиугольной соты топливной сборки 6,8 см, расстояние между центрами двух соседних сборок 7,2 см.

Технологии диспергирования топлива с успехом могут быть использованы для твэлов энергетических реакторов. Для реактора ВВЭР–100 разработана керметная  композиция: диоксид урана (объемная доля не менее 60%) в матрице из циркониевого сплава (рис.8). Между топливной матрицей и оболочкой расположен слой чистого металла, обеспечивающий надежный термический контакт. Этот твэл позволит значительно повысить безопасность реактора за счет: снимания максимальной температуры тепловыделяющего сердечника до 600° С и, как следствие, уменьшения в 1,5-2 раза количества аккумулированной тепловой энергии в активной зоне; снижения выхода продуктов деления из сердечника, по крайней мере, на три порядка; повышения геометрической стабильности (приращение диаметра оболочки не более 1% за время эксплуатации); сохранения твэлов работоспособными даже после максимальной проектной аварии типа LOCA.

Рис.8. Керметный стержневой твэл для реактора ВВЭР–1000

Твэлы для высокотемпературных реакторов

Одним из направлений развития ядерной энергетики является повышение температуры теплоносителя. Во-первых, это приведет к увеличению КПД энергетической установки, во-вторых — появится возможность использовать реакторы для технологических процессов в металлургии, химии и т.д.

Температура теплоносителя на выходе из реактора должна иметь значения 900 — 1200 0С. При таких температурах практически единственным конструкционным материалом в активной зоне является графит. Изготовление стержневых твэлов из графита невозможно в силу его малой прочности и хрупкости. По этой причине используют твэлы в виде шаров или призм.  Вариант конструкции шарового твэла показан на рис.9.

Рис.9. 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 в графитовой матрице.


Матрица

Топливо

оврежденный слой

D1        d1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75542. Літні канікули. Знов у школу. Повторення. Простий минулий час (Past indefinite Tense) 23.77 KB
  So you hve not only to study well but lso to choose wht to do when you leve school. I hope you will choose wht to do in the future so tht you will be useful to our country nd be hppy in your life. Т: Wht things do you ssocite with the words Summer Holidys Write them on the blckbord nd in your vocbulries plese. re you gld to be t school Why Wht did you pln to do during your summer holidys Did your plns come true Where did you go Do you like to spend your holidys in town in the country 4.
75543. Літні канікули. Повторення розділових запитань (Disjunctive Questions) 22.06 KB
  Повторення розділових запитань Disjunctive Questions. Обладнання: підручник тематична картина Літні канікули граматична таблиця Disjunctive Questions 37 Reference Grmmr; українськоанглійські словники речення і розділові питання для гри Find your prtner НО1. We hve to review the grmmr the building of the disjunctive questions to use them in our speech mking it more nturl. By the end of the lesson you should be ble: to use the tgquestions in your dilogues; to use your imgintion describing pictures.
75544. Україна. Географічне положення. Загальна характеристика. Нові ЛО 24.58 KB
  Ввести нові ЛО та відпрацювати їх вживання в мові. Практикувати учнів у читанні тексту з метою отримання загального уявлення (skimming) та з метою максимально повного й точного розуміння всієї інформації, що в ньому міститься (scanning)
75545. Географічне положення та державний устрій України 24.82 KB
  Т: We re going to tlk bout the politicl structure of Ukrine nd its geogrphicl position. By the end of the lesson you should be ble: to recognize nd understnd new words nd word combintions from the topic: The politicl structure of Ukrine in the text; to listen for the min ide nd specific informtion; to tlk bout the politicl structure of Ukrine in brief. One student from the clss is selected who thinks of geogrphicl plce in Ukrine tht must be guessed by the rest of the clss. Exmple: Is it river Is it mountin Is it one of the lrgest cities...
75546. Україна. Життя молоді, План-конспект уроку з англійської мови для учнів 9-х класів 23.9 KB
  People Підтема: Україна. re ll young people like Of course not. Thts why teengers esily come under the influence of other people. Young people re crzy bout music.
75547. Культура та наука в Україні, План-конспект уроку з англійської мови для учнів 9-х класів 22.03 KB
  Обладнання: підручник текст Culture nd Science in Ukrine HO1 Who is who H02. Т: We continue our work on the topic Ukrine. We re going to tlk bout culture nd science in Ukrine. By the end of the lesson you should be ble: to prticipte in common converstionl exchnges nd tell bout this topic using tl text nd wordcombintions s pln; to operte fcts bout Ukrine in new situtions.
75548. Київ - столиця України. Повторення ЛО теми Town Features 25.32 KB
  Обладнання: підручник слайди фотографії комплект учбових картин з видами міста Києва роздавальний матеріал round Kyiv НО1 картки з коротким описанням визначних місць Києва Н02 Mtch the English words nd word combintions with their Ukrinin equivlents H03 Which sentences do not fit to the text bout Kyiv HO4. Т: The topic of our...
75549. Київ - столиця України, План-конспект уроку з англійської мови для учнів 9-х класів 24.87 KB
  Активізація лексичного матеріалу теми Town Fetures. Активізація лексичного матеріалу теми Town Fetures. Т: There re mny ncient towns in Ukrine. Wht other ncient towns do you know Is your town villge old or new re there ny interesting fcts in the history of your town villge Why re people interested in the histories of cities towns nd villges Cn you explin the choice of nmes for some cities towns or villges Is the plce for town or villge chosen by chnce or for purpose Cn you give n exmple of it 2 WhileReding ctivities.