ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.02.2021
Просмотров: 315
Скачиваний: 2
ТВС энергетических реакторов могут быть кожуховыми и бескожуховыми. Кожух ТВС - это тонкостенная металлическая труба (цилиндрической, квадратной или шестигранной формы), в которой размещается и скрепляется ТВС с учётом компенсации различных температурных удлинений твэлов в ТВС и самой кожуховой трубы из-за неодинаковости их нагрева в работающем реакторе. Кожуховая труба имеет двойное назначение: защита поверхностей наружных твэлов ТВС от возможных повреждений при транспортировке, загрузке и выгрузке ТВС и организация распределения расходов теплоносителя по различным ТВС в соответствии с различными тепловыми мощностями ТВС (кожуховые трубы при этом играют роль стенок каналов, по которым пропускаются требуемые расходы теплоносителя, а требуемого соотношения расходов через отдельные ТВС в согласии с их тепловыми мощностями добиваются путём постановки на входе в нижней части каждой ТВС дроссельных шайб с разными диаметрами проходных отверстий по принципу: чем выше мощность ТВС, тем больший расход теплоносителя нужен для охлаждения этой ТВС и тем, следовательно, больше должен быть диаметр отверстия дроссельной шайбы на входе в эту ТВС).
Активные зоны отечественных реакторов типа ВВЭР на АЭС первых двух поколений (включая ВВЭР-440) состоят из кожуховых ТВС.
Теплотехнические исследования 70-х годов показали, что поперечные перетечки теплоносителя из одной ТВС в соседние в работающем на любом уровне мощности реакторе почти не снижают теплотехнической надежности ни ТВС, ни отдельных их твэлов. Поэтому, если снять кожуховые трубы со всех ТВС, теплотехническая надежность активной зоны практически сохранится на приемлемом уровне.
ТВС первых и последующих серийных активных зон реакторов ВВЭР-1000 выполнены бескожуховыми, а выбор их шестиугольной (в поперечном сечении) формы позволил реализовать практически беззазорный переход от одной ТВС к соседним. Активная зона ВВЭР-1000 от этого стала более однородной, состоящей из твэлов, образующих единую регулярную структуру в пределах всего поперечного сечения активной зоны; эта структура характерна тем, что расстояния между осями симметрии непосредственно соседствующих твэлов равны, и оси симметрии любых трёх соседних твэлов, будучи соединёнными в поперечном сечении, образуют одинаковые равносто- ронние треугольники.
Вот почему такое размещение твлов называют структурой треугольной решётки, а одинаковое расстояние между осями симметрии соседних твэлов - шагом треугольной решётки (ат) (рис.4.2).
Рис.4.2. Треугольная решётка твэлов и её основные характеристики.
Регулярным (повторяющимся) объёмным элементом структуры треугольной решетки является одиночный твэл вместе с относящимся к нему объёмом замедлителя. Этот элемент имеет форму прямой шестиугольной призмы (а в поперечном сечении - форму правильного шестиугольника) и называется элементарной ячейкой активной зоны (на рис.4.2 элементарные ячейки обведены штриховыми линиями).
Заметим, что размер "под ключ" гексагональной ячейки равен шагу треугольной решётки твэлов, и это помогает легко вычислять часто требующуюся в расчётах величину площади поперечного сечения ячейки Sя:
Sя 0.866 ат2 (4.4.1)
Такую же структуру треугольной решётки образуют и тепловыделяющие сборки в активной зоне реактора ВВЭР-440.
В практике эксплуатации реакторов АЭС бескожуховые тепловыделяющие сборки, в отличие от кожуховых, принято называть тепловыделяющими кассетами (ТВК).
Фиксация положения твэлов в ТВС (ТВК), устанавливающая структуру треугольной решётки заданного шага, выполняется с помощью разных конструктивных устройств, носящих общее название дистанционизаторов твэлов. Это могут быть ленточные дистанционирующие решётки, дистанционирующие трубчатые вытеснители, дистанционирующие пружины или даже дистанционирующие проволоки. Они служат для удержания твэлов на требуемом отстоянии друг от друга и предотвращения взаимных касаний твэлов и касаний периферийными твэлами в ТВС стенок кожуховой трубы, в то же время не мешая твэлам свободно удлиняться с повышением их температуры или за счёт необратимых изменений длины вследствие радиационных воздействий.
Структура треугольной решётки является наиболее плотной из объёмных структур цилиндрических твэлов, позволяющей разместить в заданном объёме наибольшее количество твэлов, а, значит, при заданном количестве топливной композиции в активной зоне реактора - создать наибольшую поверхность теплоотдачи от твэлов, а при заданной номинальной мощности энергетического реактора - уместить активную зону в меньших габаритах.
В реакторах типа ВВЭР-440 по принципу треугольной решётки размещаются не только твэлы в каждой ТВС, но и сами ТВС в активной зоне, и решётка ТВС характеризуется своим значением шага.
В реакторах РБМК-1000 структура активной зоны строится на несколько иных принципах. 18 цилиндрических твэлов каждой ТВС образуют не регулярную структуру постоянного шага, а равномерно размещаются на двух концентрических окружностях разного диаметра (с центром на оси симметрии ТВС, как показано на рис.4.3).ТВС в реакторе РБМК бескожуховые, но в ином смысле, чем в ВВЭР-1000: в РБМК роль кожухов ТВС выполняют циркониевые трубы технологических каналов, вставленные в вертикальные отверстия в графитовой кладке активной зоны.
Рис.4.3. Поперечное сечение ТВС реактора РБМК-1000.
Большая высота активной зоны РБМК-1000 - 7 м - (у ВВЭР-1000 она 3.55 м) и обусловленные этим большие величины температурных расширений твэлов вынудили конструкторов каждую ТВС делить на две тепловыделяющих кассеты, располагающихся одна над другой с 20-миллиметровым зазором и скрепленных между собой шарнирно.
Ячейки активной зоны РБМК, под которыми понимаются одиночные технологические каналы с прилегающими к ним объёмами графитовых столбов, образуют в реакторе регулярную структуру квадратной решётки с постоянным для всей активной зоны и отражателя шагом Атк= 250 мм. Это значит, что и сами ячейки в поперечном сечении имеют форму квадрата со стороной 250 мм (см. рис 4.4).
Рис.4.4. Фрагмент разреза активной зоны ядерного реактора РБМК-1000.
По возможностям размещения в заданном объёме активной зоны наибольшего количества топлива (определяемого числом размещаемых в активной зоне ТВС) квадратная решётка уступает треугольной, но является более подходящей для уран-графитового реактора, т.к. графит, уступая воде по замедляющей способности (s), для обеспечения теплового спектра в реакторе должен использоваться в активной зоне в большем количестве на единицу массы загружаемого топлива, чем вода.
*) Подсчитано, например, что для получения теплового спектра нейтронов в гомогенной уран-графитовой смеси на каждое ядро урана требуется 80 - 120 ядер углерода, тогда как в уран-водных гомогенных смесях для этого надо всего 12 - 15 молекул воды. Приблизительно такие же соотношения распространяются и на гетерогенные критические композиции.
В реакторе РБМК-1000 стройная структура квадратной решётки ТВС в активной зоне нарушается из-за необходимости размещения органов управления реактора (подвижных и неподвижных стержней-поглотителей): часть ячеек активной зоны освобождается от ТВС, а их места в пустых технологических каналах замещаются органами СУЗ. Ячейки, занятые органами СУЗ, в активной зоне реактора образуют свою квадратную решётку, повернутую относительно квадратной решётки ТВС на угол в 45о (рис.4.4). Таким образом получается, что действительно повторяющимся компонентом структуры активной зоны РБМК является не одна ячейка, а шестнадцать их, которые образуют так называемую полиячейку активной зоны (поперечное сечение полиячейки РБМК показано на рис.4.5).
Рис.4.5. Сечение полиячейки активной зоны реактора РБМК-1000.
Таблица 4.1. Некоторые характеристики гетерогенных структур реакторов типа ВВЭР и РБМК.
|
Характеристики |
Значения характеристик для реакторов |
||
ВВЭР-440 |
ВВЭР-1000 |
РБМК-1000 |
|
2 Наружный диаметр твэла, мм
4 Материал оболочки твэлов 5 Топливная композиция 6 Диаметр топливной таблетки, мм 7 Обогащение топлива, % 8 Тип решётки твэлов в ТВС 9 Шаг решётки твэлов в ТВС, мм 10. Число твэлов в одной ТВС, шт. |
Цилиндрический 9.1 0.65 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 7.6 3.3 Треугольная 12.2 126 |
Цилиндрический 9.1 0.65 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 7.6 4.4 Треугольная 12.75 312 |
Цилиндрический 13.6 0.85 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 11.5 1.8 – 2.3 - - 18 |
|
Треугольная 147 Кожуховая Щестигранная 349 |
Треугольная 236 Бескожуховая - 163 |
Квадратная 250 Бескожуховая - 1693 |
Итак, мы познакомились с основными характеристиками, определяющими гетерогенную структуру активных зон тепловых реакторов отечественных АЭС. Разумеется, сказанное не может претендовать на полноту описания конструкции активных зон; с детальным изучением конструкции реакторов ещё предстоит иметь дело по окончании изучения теории реакторов; сейчас же, наоборот, важно получить самые общие представления об устройстве активных зон реакторов ради понимания теоретических построений, касающихся гетерогенности структур реакторов.
4.4. Параметры структуры гетерогенных ЭЯР .