содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

 АЭС. Конструкция ТВС реакторов, охлаждаемых жидким металлом

ТВС активной зоны и зоны воспроизводства (АЭС)

 Как правило, ТВС активной зоны и зоны воспроизводства по внешней конструкции и геометрическим параметрам аналогичны. Недостатком такого решения является большое количество экранных ТВС и ограничение свободы в выборе диаметра твэлов боковой зоны воспроизводства. Тем не менее одинаковые размеры и конфигурация ТВС активной зоны и экрана позоляют собирать их в непрерывной решетке, изменять как угодно форму активной зоны, расширять или уменьшать ее в случае необходимости. Система перегрузки и транспортировки
топлива также получается универсальной, более простой и дешевой.

ТВС реакторов на быстрых нейтронах имеют головку для перегрузки ТВС, кожух с закрепленным внутри него пучком твэлов или пучком элементов зоны воспроизводства, хвостовик для установки ТВС активной зоны.

Головка ТВС имеет различные конструкционные решения (рис. 2.13) для разных проектов быстрых реакторов. Но везде она предназначена для извлечения или постановки сборки в процессе замены топлива и выхода теплоносителя из ТВС. В реакторах на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем все операции по замене отработанного тойлива осуществляют с помощью дистанционного управления под слоем натрия. Поэтому захватное устройство перегрузочной машины должно точно наводиться на головку и достаточно надежно сцепляться с держателем на ТВС.

Форма ТВС может быть различной, обеспечивающей равномерное размещение твэлов с необходимым шагом внутри чехла и

плотную упаковку ТВС в зоне реактора. В основном используются шестигранные сборки с расположением твэлов по треугольной решетке. Шестигранная форма ТВС является оптимальной для рационального использования объема активной зоны. При компоновке твэлов в шестигранные чехлы объемные доли конструкционного материала и теплоносителя (в зазорах между ТВС) минимальны.

Размер ТВС выбирается относительно произвольно с учетом ряда противоречивых факторов (табл. 2.2). С увеличением числа твэлов в сборке сокращаются простои АЭС во время перегрузки зоны. Однако с ростом числа твэлов усложняется система креплен ния их в ТВС, а выход из строя отдельной сборки, связанной с блокировкой потока теплоносителя, по-видимому, будет иметь * более серьезные последствия в ТВС, имеющих большое число твэлов. Реактивность, вносимая ТВС в зону при ее постановке, не должна быть слишком большой для безопасности реактора в случае, если сборка упадет по какой-либо причине в активную зону реактора, близкого к критическому состоянию. Целесообразно уменьшать неравномерность тепловыделения по сечению ТВС, так как она приводит к падению среднего выгорания топлива и среднего подогрева натрия по ТВС. Количество твэлов в ТВС колеблется от 91 диаметром 6,3 мм в реакторе IOYO до 271 диаметром 8,65 мм в реакторе «Супер-Феникс». Толщина стенки кожуха сборки рассчитывается на перепад давления теплоносителя между входом и выходом активной зоны. Конструирование высоконапряженных активных зон реакторов на быстрых нейтронах предполагает компактное размещение твэлов. Это возможно при гексагональной

компоновке твэлов, принятых в большинстве отечественных и зарубежных реакторов. Необходимо также выдержать равные расстояния между твэлами, что достаточно трудно, но важно для создания равномерного расхода теплоносителя вдоль твэлов и тем самым обеспечения равномерного отвода тепла.

Рис. 2.13. Твэл (а) и ТВС (б) реактора «Супер-Феникс»

Таблица 2.2 Характеристики ТВС быстрых реакторов

На первых этапах проектирования и исследования реакторов на быстрых нейтронах для дистанционирования твэлов применяли специальные тонкие опорные трубки, которые вводили между твэлами. В настоящее время в реакторах на быстрых нейтронах для дистанционирования используются решетки, такие же как и в ВВЭР, проволочные спиральные сетки с определенным шагом и ребристые оболочки.

При выборе способа дистанционирования необходимо учитывать радиальные и осевое расширение твэлов в пределах ТВС, распределение и перемешивание теплоносителя, образование локальных горячих пятен, а также технологию и стоимость изготовления.

В качестве дистанционирующей решетки применяется сварная сотовая конструкция. Каждый твэл обычно касается в решетке выступов, выпрессованных в стенки ячеек. Сама решетка фиксируется в ТВС на решеточной стойке или нескольких стойках, расположенных в углах ТВС. При конструкции пучка твэлов для ТВС выбирается зазор между твэлами и ячейкой решетки, рассчитываются силы, обусловленные взаимодействием решетки и твэлов, а также определяется оптимальное расстояние между решетками.

Для обеспечения динамической стабильности твэлов и зазора для прохода теплоносителя желательно иметь нулевые зазоры

между твэлами и посадочными выступами решетки. Но радиальное распухание твэлов обычно больше, чем расширения ячеек решетки. Поэтому при нулевом зазоре могут возникнуть чрезмерные усилия взаимодействия между твэлами и посадочными выступами, которые могут привести к радиальным деформациям и возникновению больших осевых нагрузок, действующих на решетку при термическом удлинении твэлов. Исходя из этих соображений предусматривают зазор между твэлом и посадочными выступами. Поскольку размер зазоров может колебаться в определенных пределах, обусловленных допусками на изготовление, в некоторых ячейках могут появиться усилия взаимодействия. Кроме того, кривизна твэлов и их термический изгиб обусловливают возникновение контактных усилий между твэлами и решеткой, которые вызовут осевые нагрузки, действующие на решетку в процессе удлинения твэлов. Зазоры и ширина решетки рассчитываются и экспериментально проверяются для обеспечения необходимой прочности решеток в условиях действия наведенных усилий.

Увеличение расстояния между дистанционирующими решетками экономически выгодно из-за уменьшения стоимости и снижения перепада давления теплоносителя по кассете. В то же время решетки должны располагаться достаточно близко друг от друга, чтобы обеспечить равномерное проходное сечение для прохода теплоносителя и предотвратить вибрацию твэлов, которая может привести к истиранию оболочек. Исследования показали, что по длине активной зоны критическим параметром является термический изгиб, а по длине нижней торцевой зоны воспроизводства и свободного газового пространства существенную роль играет только вибрация, и расстояние между решетками можно увеличить.

Применение дистанционирующих решеток снимает проблему, связанную с необходимостью установления зазоров между твэлами в начальный период кампании, которую решают с помощью пружинного эффекта в каждой ячейке решетки.

Недостатками применения решеток являются большие затраты на ее изготовление, большие потери давления теплоносителя (если сравнить с другими способами дистанционирования) и необходимость крепления самой решетки.

В большинстве отечественных и зарубежных реакторов на быстрых нейтронах все стержневые твэлы в пучке активной зоны отделяются друг от друга с помощью дистанционирующей проволочной обмотки, а твэлы, расположенные по периметру пучка, дистан-ционируются лентой толщиной несколько меньше диаметра проволоки с целью выравнивания расхода натрия по сечению ТВС. Проволока или лента обматывается вокруг каждого твэла по спирали с большим шагом (рис. 2.14). Контакт между проволочной обмоткой и твэлом можно аппроксимировать конфигурацией перекрещивающихся цилиндров, т. е. контакт происходит в локализованных участках.

Преимуществом проволочных навивок является простота их изготовления и небольшие гидравлические сопротивления, а недо-статком — невозможность избежать деформаций, например в результате распухания оболочек твэлов, что приводит к уменьшению проходного сечения между твэлами, изменению расхода теплоносителя. При намотке проволоки, если увеличить расчетную силу натяжения, твэлы могут искривиться, а так как обычно закрепляются только нижний и верхний концы проволоки, то при разрыве проволоки дистанционирование нарушается.

Рис. 2.14. Конструкция ТВС и твэл активной зоны реактора БН-600:
1 — спиральное уплотнение хвостовика; 2 — радиальные отверстия входа теплоносителя;
3 — узел крепления твэлов; 4 — пучок твэлов; 5 — отверстия выхода теплоносителя; 6 — головка ТВС; 7 — твэл; 8 — дистанционирующая проволока твэла

При выборе толщины оболочки твэла необходимо учитывать также глубину разрушения оболочки проволочной обмоткой в процессе вибрации. Трудности изготовления удовлетворительных по качеству ребристых тонкостенных оболочек малого диаметра ограничивают использование этого типа дистанционирования для твэлов активной зоны.

При конструировании пучка твэлов зон воспроизводства возникают аналогичные проблемы, однако условия работы твэлов в них менее напряженны. А так как диаметр тэлов боковой зоны воспроизводства в 1,5—2 раза больше твэлов активной зоны, то возможно применение ребристых оболочек твэлов. Топливо торцевых зон воспроизводства размещается либо в одной цилиндрической оболочке с обогащенным топливом активной зоны, либо в отдельных трубках большого диаметра, закрепленных в одной ТВС с пучком твэлов активной зоны (рис. 2.15). Размещение топлива в трубках разного диаметра уменьшает гидравлические потери в
- ТВС, но усложняет конструкцию ТВС и вносит дополнительный конструкционный материал^ замедляющий и поглощающий нейтроны. В настоящее время топливо торцевых зон воспроизводства в основном размещается в одной оболочке с топливом активной зоны. При применении любого дистанционирования твэлов проходные сечения элементарных ячеек в центре ТВС и на периферии отлича-ются, что приводит к недогреву натрия в зазоре между периферийными твэлами и боковой поверхностью кассеты. Для выравнивания расхода натрия по сечению в зазоре между периферийными твэлами пучка и чехлом ТВС устанавливаются вытеснители (рис. 2.16). Габариты и количество вытеснителей зависит от конкретной конструкции ТВС. При применении дистанционирующих решеток вытеснители могут служить стойками для них.

ТВС в нижней части заканчиваются хвостовиком, с помощью которого ТВС устанавливается вертикально в активной зоне и обеспечивается необходимым расходом теплоносителя. Конструкция хвостовика зависит от способов крепления ТВС в активной зоне и регулирования расхода теплоносителя по кассете.

Рис. 2.15. ТВС активной зоны реактора БН-350

Рис. 2.16. Схема дистанционирования твэлов и установки вытеснителей в ТВС:
1 — твэл; 2 — дистанционирующая проволока; 3 — дистанционирующая лента; 4 — проволочный вытеснитель; 5 — чехол ТВС

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..