В активной зоне ТВС устанавливаются вплотную
одна к другой, образуя, по возможности, правильный цилиндр (рис. 2.17).
При проектировании крепления ТВС необходимо учитывать характеристики
реактивности активной зоны. Важной особенностью активной зоны реактора
на быстрых нейтронах является то, что в нормальном режиме она не
находится в состоянии с наибольшей реактивностью, причем с уменьшением
расстояния между ТВС реактивность возрастает. Поэтому регулирование
расстояния между ТВС является важной задачей конструирования. Изменение
реактивности может возникнуть из-за вибрационного колебания ТВС в потоке
теплоносителя, изгибания ТВС за счет поперечных температурных
градиентов. Амплитуда вибрационных колебаний головок ТВС допускается не
больше 0,5 мм. Температурный градиент пропорционален мощно-
сти реактора, и при проектировании целесообразно
предусмотреть крепления ТВС так, чтобы их изгиб с ростом мощности
происходил наружу и приводил к отрицательному коэффициенту реактивности.
Если конструкция крепления приводит к положительному коэффициенту, то он
должен быть мал по сравнению с доплеровским коэффициентом для
обеспечения суммарного отрицательного коэффициента реактивности по
мощности.
В большинстве проектов реакторов на быстрых нейтронах принято крепление
ТВС, позволяющее сделать мощностный коэффициент реактивности
отрицательным. Это достижимо за счет свободного расположения сборок в
реакторе — наиболее простого конструкционного решения, обеспечивающего к
тому же надежное проведение перегрузочных операций. Основными
недостатками свободного расположения сборок являются необходимость
дополни-тельного увеличения объема активной зоны, т. е. загрузки
топлива, а также возможность сближения сборок под действием внешних сил
и как следствие появления положительной реактивности.
Рис. 2.17. Компоновка активной зоны реактора
БН-600
При свободном расположении ТВС отклонение их от нормального положения
увеличивается с увеличением расстояния от активной зоны до головки
сборки. Если это отклонение становится слишком большим, то возникают
трудности захвата ТВС при перегрузке и ввода регулирующих стержней. Для
ограничения смещений, вызванных изгибом ТВС„ использует внешние
ограничительные подпорки, которые выполняют функции сжатия сборок.
Конструкции подпорок для каждого конкретного проекта различны, но обычно
представляют обечайку с закрепленными на ней секторами, конфигурация
которых повторяет наружный контур сборок, ограничивающими развал ТВС.
В английских реакторах PFR и CFDR активная зона разделяется на модули из
шести-восьми ТВС, с соответствующими регулирующим стержнем СУЗ или
опорной стойкой (рис. 2.18). В центре опорной стойки имеются пластинки,
расположенные на уровне границы между активной зоной и нижней торцевой
зоной воспроизводства. Каждая ячейка модуля имеет держатель ТВС,
установленный в ячейку напорного коллектора. В каждом держателе имеются
верхние и нижние подшипники, которые поддерживают опорные крестовины ТВС.
Опорная стойка снабжена трубой, проходя-щей до верха активной зоны,
которая обеспечивает направление для стержней СУЗ. Оси втулочных гнезд
подшипников держателя смещены относительно друг друга так, что при
установке ТВС направляющий штырь отклоняется и создает изгибающий момент
в основании сборки. Этот изгибающий момент воспринимается на уровне
нижнего торца топливного столба опорной стойки, жестко закрепленной в
опорной конструкции активной зоны.
При таком сжатии ТВС активной зоны необходимо обеспечивать зазоры между
сборками (выше уровня верхних торцов опорных стоек), а также между ТВС и
конструкциями активной зоны,
не содержащими топливо. Возможное взаимодействие
между ТВС не должно приводить к возникновению чрезмерных усилий при
перегрузке топлива. Поэтому принимается во внимание возможный изгиб ТВС,
обусловленный различными по сечению сборки радиационными распуханиями, а
также термическими эффектами. Прогиб, обусловленный радиационным
распуханием, зависит от материала чехла сборки и может быть больше по
сравнению с термическим прогибом. Поэтому неправильный выбор материала
чехло-вой трубы может позволить определить экономически выгодное
расстояние между ТВС и исключить необходимость поворачивать их.
В реакторах CRFBR АЭС Клинч-Ривер предусмотрено гидравлическое
устройство, сжимающее сборки к центру реактора при его работе и
освобождающее их при перегрузке.
Независимо от способа крепления сборок в активной зоне реактора между
ними выбирается зазор для обеспечения монтажа активной зоны и боковой
зоны воспроизводства без заметных усилий и отсутствия значительных
силовых взаимодействий ТВС при их распухании и изменении формы. Для
обеспечения контролируемого зазора между ТВС обычно на шестигранной
части головки располагаются платики толщиной, равной половине зазора.
Принципиально теплоноситель в активную зону* может подводиться как снизу
— восходящее движение теплоносителя, так и сверху — нисходящее движение.
Выбранное направление движения налагает определенные требования на
конструкцию реактора и другие элементы установки, а также на компоновку
теплообменного оборудования. Восходящее течение теплоносителя в активной
зоне по сравнению с нисходящим обладает следующими достоинствами:
направление течения совпадает с направлением естественной циркуляции;
низкое давление в газовой полости реактора.
В связи с малой упругостью паров натрия максимальное давление в
жидкометаллическом контуре определяется его гидравлическим
сопротивлением, которое, как правило, не превышает 1 МПа. Избыточное
давление в газовой полости реактора БН-350 равно 0,09 МПа пря
гидравлическом сопротивлении первого контура 0,97 МПа. Низкое давление в
газовой полости реактора значительно облегчает также обеспечение
прочности и долговечности других важных узлов реактора: вращающихся
пробок и гидрозатворов для их уплотнения, верхних перекрытий, уплотнений
органов СУЗ и др.
Проще решаются вопросы перегрузки топлива, поскольку отсутствуют жесткие
ограничение по размерам бака реактора в верхней части, что позволяет
легче разместить соответствующие механизмы и увеличить объем
теплоносителя над активной зоной для осуществления перестановок и
транспортировок ТВС, имеющих остаточные тепловыделения, под уровнем
теплоносителя.
Недостатки восходящего течения теплоносителя в активной зоне по
сравнению с нисходящим являются менее существенными и сводятся к
следующем: требуются дополнительные мероприятия, иск-лючающие всплытие
ТВС под действием гидравлических усилий.
Характерные способы крепления ТВС приведены на рис. 2.19 и 2.20. На рис.
2.19 приведен механический способ удержания ТВС реактора «Энрико Ферми»
и БР-5. Рисунок 2.20, а иллюстрирует способ, применяющийся на
большинстве реакторов (БН-350, БН-600, «Феникс», «Супер-Феникс», IOYO и
др.). Принцип гидравлического крепления сборок основан на балансе сил,
обусловленных перепадом давления на ТВС, и собственного веса сборки.
Коллектор, в который вставляется ТВС своими хвостовиками, образует зону
давления и обеспечивает гидравлический баланс ТВС активной зоны и зоны
воспроизводства.
Для гидравлического крепления также используется труба Вентури, где
низкое противодавление сопла препятствует выбросу ТВС. Кроме того,
имеются и другие способы, например в реакторе «Рапсодия» нижний конец
ТВС механически соединяют с опорной плитой активной зоны с помощью
пружинного фиксатора.
Приспособление для механического крепления сборок более надежно, но
сложно, и в условиях высокотемпературного режима работы, характерного
для реакторов на быстрых нейтронах, при большом градиенте выходной
мощности поперек активной зоны возникает проблема, связанная с тепловым
расширением деталей и их искривлением.
При гидравлическом способе крепления трудности возникают
при расчете оптимального баланса сил, направленных
вертикально вверх и вниз.
Высокая температура теплоносителя и защитного газа в верхней части
реактора ухудшает условия работы корпуса, приводных механизмов СУЗ,
вращающихся пробок, уплотнений и механизмов перегрузки топлива.
Предпочтительным является восходящее течение, оно и применяется в
реакторах.