Конструкции тепловыделяющих элементов

Конструкции тепловыделяющих элементов

 

ТВЭЛ и ТВС ядерного реактора - одни из наиболее ответственных его узлов. Они находятся в зоне максимальных температур и облучения и работают в наиболее тяжелых условиях. В то же время выход из строя (разгерметизация ТВЭЛ) приводит к опасным последствиям - выходу радиоактивных продуктов деления в контур теплоносителя. Поэтому одна из основных задач при конструировании ядерного реактора - создание надежных ТВЭЛ.

Конструкция и материалы ТВЭЛ и ТВС должны обеспечивать их надёжную работу при высоких плотностях энерговыделения и при больших глубинах выгорания. ТВЭЛ также выполняют функции барьеров безопасности, предотвращающих выход высокоактивных продуктов деления в теплоноситель.

При выборе конструкции ТВЭЛ и его размеров необходимо учитывать следующие соображения:

1) чем больше отношение поверхности к объёму, тем меньше напряжённость единицы поверхности ТВЭЛ;

2) с возрастанием отношения поверхности к объёму ТВЭЛ уменьшаются размеры активной зоны, но одновременно возрастает доля конструкционных материалов, снижаются прочностные и вибрационные характеристики ТВЭЛ;

3) поперечные размеры ТВЭЛ должны уменьшаться с увеличением температуры теплоносителя и тепловых потоков, а также с уменьшением теплопроводности топлива;

4) конструкция и размеры ТВЭЛ существенно влияют на параметры размножающей среды и загрузку топлива в реактор.

В зависимости от геометрической формы различают ТВЭЛы: блочковые, стержневые, кольцевые, трубчатые, пластинчатые, ленточные, шаровые, призматические. Чаще всего применяются ТВЭЛ ы стержневой и трубчатой формы (реже пластинчатые) в оболочках из сплавов на основе алюминия, железа, циркония, а высокотемпературные ТВЭЛы - в керамической оболочке.

Обычно ТВЭЛ состоит из топливного сердечника, оболочки, отделяющей сердечник от теплоносителя и замедлителя, и концевых деталей, герметизирующих полость сердечника. Внутри оболочки предусматривают свободные объёмы для компенсации разности термических расширений сердечника и оболочки и для сбора газообразных продуктов деления. Для металлического урана этот зазор необходим ещё для компенсации увеличения объёма при работе. Обычно зазор не превышает (0,05-0,2) мм. Для улучшения теплопередачи зазор заполняют газами или жидкими металлами. Кроме радиального зазора, необходимо предусмотреть газовые полости, в которых накапливаются газообразные продукты деления (в основном, атомы ксенона и криптона). Эти полости могут быть выполнены в виде осевого зазора, расположенного на конце ТВЭЛ (за пределами активной зоны), или в виде отверстия по центру сердечника, распределенного по длине, либо в форме углублений на стыках таблеток, из которых состоит сердечник.

 

Топливные кассеты и сборки

 

Кассета - это строго определенное количество ТВЭЛ, конструктивно объединенных между собой, с обеспечением условий эффективного тепловыделения и теплоотдачи, а так же оперативной замены, предусмотренной правилами эксплуатации.

Кассета состоит из следующих частей:

1) рабочая часть - ТВЭЛ, свободноразмещенные в узлах дистанцирующих решеток;

2) несущий каркас - состоит из продольных труб (или одной трубы) с поперечными дистанцирующими решетками. Размеры и конструкция каркаса определяется расчетной долей конструкционного материала в активной зоне реактора;

3) концевые детали - головка и хвостовик, служащие для захвата при перегрузке и крепления в активной зоне;

4) тонкостенный чехол служит для направления движения теплоносителя и позволяет регулировать его расход по кассетам, если это требуется.

Если кассета размещена в отдельном канале, то чехол не требуется, и она представляет собой тепловыделяющую сборку (ТВС).

Несущий каркас ТВС может быть выполнен в виде центральной несущей трубы с закрепленными на ней дистанцирующими решетками. В трубе при этом могут размещаться датчики СУЗ, либо дросселирующие вставки, регулирующие расход теплоносителя в межтвэльном пространстве.

 

2. Предварительный расчет

 

Схема расчета реактора на тепловых нейтронах начинается с предварительной оценки размеров активной зоны, которые обеспечили бы нужный теплосъем при заданной мощности аппарата.

Перед расчетом реактора необходимо выбрать шаг решетки, конструкцию, размеры и материалы тепловыделяющих элементов, их число в канале или кассете.

В гетерогенных реакторах максимально допустимая тепловая нагрузка q_max на поверхности тепловыделяющих элементов является важным параметром, который определяет размеры активной зоны при заданном шаге решетки.

Для предварительных расчетов можно вместо величины q_max использовать обобщенные данные для средней удельной энергетической нагрузки.

Исходя из требуемой мощности реактора, размеры активной зоны можно оценить следующим образом:

 

 (1.1)

 (1.2)

 (1.3)

 

где V_акт.з., D_акт.з., H_акт.з. - объем, диаметр, высота активной зоны;

m - отношение высоты к диаметру;

N - заданная мощность реактора, кВт;

h - коэффициент, учитывающий увеличение объема реактора вследствие размещения регулирующих стержней.

Коэффициент отличается от единицы, если регулирующие стержни занимают отдельные ячейки реактора (h = 1,1-1,3).

Максимальная удельная объемная нагрузка активной зоны:

 

 (1.4)

 

где K_V - объемный коэффициент неравномерности тепловыделения (обычно для теплового реактора с однородной активной зоной K_v = 2ч3).

Максимально допустимая тепловая нагрузка:

 

, Гкал/м²×ч; (1.5)

 

где  - периметр тепловыделяющей поверхности одного ТВЭла, см;

n - число ТВЭлов в кассете;

S_яч - площадь сечения ячейки, см².

Необходимая для отвода тепла скорость определяется в максимально напряженно тепловыделяющем элементе из уравнения баланса тепла:

 

; (1.6)

 

где K_z - осевой коэффициент неравномерности (K_z = 1,2 - 1,5);

S - площадь сечения прохода теплоносителя, приходящаяся на один элемент, см²;

g - удельный вес теплоносителя при рабочих параметрах, г/см³;

Di - разность теплосодержания теплоносителя на выходе, ккал/кг.

Если теплоемкость C_p [ккал/кг×град] не зависит от температуры, то:

. (1.7)

 

В противном случае величину теплосодержания как функцию параметров теплоносителя следует определять по специальным таблицам или графикам.

Величины, необходимые для проведения предварительного расчета представлены в таблице 1.1.:

 

Таблица 1.1 - Заданные величины

Величина	Значение
Заданная тепловая мощность, кВт	3·104
Количество ТВЭЛ в ТВС	317
Шаг расположения ТВЭЛ, см	2
Удельный вес теплоносителя, г/см3	0,67
Температура теплоносителя на входе, °С	310
Температура теплоносителя на выходе, °С	320
Отношения высоты активной зоны к диаметру	1,13
Удельная теплоемкость теплоносителя, ккал/кг·К°	1,453
Высота активной зоны, см	200
Размер ТВС под ключ, см	35,6

 

Конструкция ячейки представлена в приложении 1.

Исходя из того, что в нашем случае известны высота активной зоны и отношение высоты к диаметру, можно оценить диаметр следующим образом:

 

 

В свою очередь с помощью диаметра можно оценить объем активной зоны. Выразив из формулы (1.2) искомое значения, получим:

 

 

Зная объем активной зоны и тепловую мощность, можно оценить среднюю удельную объемную нагрузку топлива:

 

 

Максимальная удельная объемная нагрузка активной зоны:

 

 

где K_V - объемный коэффициент неравномерности тепловыделения (обычно для теплового реактора с однородной активной зоной K_V = 2 ч 3).

В случае шестигранной ячейки с заданным размером  площадь ячейки равна:

 

 

Подставив найденные и известные значения в формулу 1.5, получим:

Площадь прохода теплоносителя в ячейки определяется по следующей форуме:

 

 

Тогда площадь, приходящаяся на один элемент:

 

 

Разность теплосодержания теплоносителя на выходе находится по формуле 1.7:

 

 

Необходимая для отвода тепла скорость определяется в максимально напряженно тепловыделяющем элементе из уравнения баланса тепла:

Таким образом, получившаяся скорость прокачки теплоносителя удовлетворяет установленным требованиям (n < 10 м/с - для жидких металлов).

 

3. Физический расчет реактора

 

Расчет ядерных концентраций

 

Вычисление ядерных концентраций производят для каждого элемента активной зоны и отражателя. Ядерная концентрация находится по формуле

 

 

где g - весовая концентрация элемента,

a - атомный вес элемента.

Если в качестве топлива используют уран, обогащенный до величины  (%) изотопом , то

 

,

 

где  - концентрация ядер урана.

В нашем случае топливом является смесь двуокиси урана-235 (UO₂) и двуокиси тория-232 (ThO₂), c массовой долей урана 4%. Поскольку топливо состоит из разных веществ (ThO₂ и UO₂), а содержание оксида тория значительно больше, чем оксида урана, концентрация топлива будет определяться только оксидом тория. Ядреная концентрация топлива рассчитывается следующим образом:

 

 

Расчет отдельных элементов, входящих в топливо осуществляется следующим образом:

 

,

,

 

 

Состав оболочки ТВЭЛ следующий: цирконий (0,99); ниобий (0,01). Расчет для концентраций каждого элемента осуществляется следующим образом:

 

;

 

Теплоносителем в реакторе является вода. Расчет концентраций для воды и для её элементов производится следующим образом:

 

 

3.2 Расчет площадей и долей материала в ячейке

 

Радиус топливной таблетки составляет:

Площадь ячейки составляет:

Площадь сечения прохода теплоносителя на 1 элемент:

Площадь топливной таблетки определяется по формуле:

 

 

Определим доли материалов:

. Доля замедлителя и теплоносителя:

 

.

 

. Доля топлива:  

 

 

. Доля конструкционных материалов:

 

 

Конструкции тепловыделяющих элементов

 

ТВЭЛ и ТВС ядерного реактора - одни из наиболее ответственных его узлов. Они находятся в зоне максимальных температур и облучения и работают в наиболее тяжелых условиях. В то же время выход из строя (разгерметизация ТВЭЛ) приводит к опасным последствиям - выходу радиоактивных продуктов деления в контур теплоносителя. Поэтому одна из основных задач при конструировании ядерного реактора - создание надежных ТВЭЛ.

Конструкция и материалы ТВЭЛ и ТВС должны обеспечивать их надёжную работу при высоких плотностях энерговыделения и при больших глубинах выгорания. ТВЭЛ также выполняют функции барьеров безопасности, предотвращающих выход высокоактивных продуктов деления в теплоноситель.

При выборе конструкции ТВЭЛ и его размеров необходимо учитывать следующие соображения:

1) чем больше отношение поверхности к объёму, тем меньше напряжённость единицы поверхности ТВЭЛ;

2) с возрастанием отношения поверхности к объёму ТВЭЛ уменьшаются размеры активной зоны, но одновременно возрастает доля конструкционных материалов, снижаются прочностные и вибрационные характеристики ТВЭЛ;

3) поперечные размеры ТВЭЛ должны уменьшаться с увеличением температуры теплоносителя и тепловых потоков, а также с уменьшением теплопроводности топлива;

4) конструкция и размеры ТВЭЛ существенно влияют на параметры размножающей среды и загрузку топлива в реактор.

В зависимости от геометрической формы различают ТВЭЛы: блочковые, стержневые, кольцевые, трубчатые, пластинчатые, ленточные, шаровые, призматические. Чаще всего применяются ТВЭЛ ы стержневой и трубчатой формы (реже пластинчатые) в оболочках из сплавов на основе алюминия, железа, циркония, а высокотемпературные ТВЭЛы - в керамической оболочке.

Обычно ТВЭЛ состоит из топливного сердечника, оболочки, отделяющей сердечник от теплоносителя и замедлителя, и концевых деталей, герметизирующих полость сердечника. Внутри оболочки предусматривают свободные объёмы для компенсации разности термических расширений сердечника и оболочки и для сбора газообразных продуктов деления. Для металлического урана этот зазор необходим ещё для компенсации увеличения объёма при работе. Обычно зазор не превышает (0,05-0,2) мм. Для улучшения теплопередачи зазор заполняют газами или жидкими металлами. Кроме радиального зазора, необходимо предусмотреть газовые полости, в которых накапливаются газообразные продукты деления (в основном, атомы ксенона и криптона). Эти полости могут быть выполнены в виде осевого зазора, расположенного на конце ТВЭЛ (за пределами активной зоны), или в виде отверстия по центру сердечника, распределенного по длине, либо в форме углублений на стыках таблеток, из которых состоит сердечник.