Для атомных станций теплоснабжения (ACT) можно использовать любые из
эксплуатируемых в настоящее время ядерных реакторов. Но большинство из
них, если будут использоваться только для целей теплоснабжения, являются
в настоящее время
нерентабельными. Наиболее удобными для теплофикации
оказываются водо-водяные реакторы под давлением, которые обладают
преимуществом саморегулирования, обусловленным естественной циркуляцией
теплоносителя, что значительно упрощает вспомогательные системы первого
контура, облегчает обслуживание, а также управлением реактором.
Активная зона шведско-финского проекта реактора Secure охлаждается
некипящей водой под давлением, которая при расходе 1900 кг/с
подогревается от 90 °С на входе в зону (Рвх = = 0,838 МПа) до 115°С на
выходе (Рвых = 0,706 МПа). Первый контур состоит из трех циркуляционных
петель, две из которых работают в условиях нормальной эксплуатации, а
одна (контур естественной циркуляции, соединяющий активную зону с
бассейном холодной борированной воды) образуется автоматически при любых
аварийных ситуациях.
Квадратная ТВС состоит из 60 твэлов. Циркониевые оболочки твэлов
диаметром 12,35X0,8 мм наполняются таблетками из двуокиси урана 010,44
мм. Все твэлы одной сборки имеют одинаковое обогащение. Восемь твэлов из
шестидесяти содержат в каждой второй таблетке толщиной 6 мм 5 % Cd2О3, с
помощью которой компенсируется выгорание твэлов. При выборе шага решетки
учитывалось, что отношение объемов замедлителя и топлива с точки зрения
теплогидравлических, физических и конструкционных характеристик активной
зоны должно быть оптимальным. Расчетное отношение объема замедлителя и
топлива 1,6 было получено при шаге 15 мм (с учетом объема воды в
центральном канале и во всех зазорах внутри и снаружи канала).
Центральная часть ТВС, ограниченная квадратной циркониевой оболочкой,
используется для остановки реактора путем введения поглотителей
нейтронов.
Использование ТВС в собственных кожухах обеспечивает более высокие
массовые скорости теплоносителя в горячем канале, чем их среднее
значение при использовании различных дросселирующих устройств на входе.
При использовании сборок без кожухов необходимо было бы увеличение
давления в активной зоне для обеспечения тех же массовых скоростей
теплоносителя в горячем канале во избежание значительного роста
паросодержания на выходе из канала.
Чтобы улучшить распределение энерговыделения по оси, т. е. уменьшить
коэффициент неравномерности, концы твэлов на десятой части общей длины
оставляют без выгорающего поглотителя. Предполагается, что таким образом
можно будет предотвратить увеличение максимальных значений коэффициентов
неравномерности энерговыделения в течение кампании реактора.
Активная зона французского реактора Thermos собирается из 96 ТВС, каждая
из которых состоит из 9 вэлов пластинчатого типа. Расход теплоносителя
обеспечивается насосами, а после их включения — естественной циркуляцией
теплоносителя, которая возникает в аварийных ситуациях. Технология
изготовления пла-
стинчатых твэлов хорошо отработана во Франции для
реакторов малой и средней мощности. Пластинчатый тип конструкции твэлов
имеет определенные преимущества по сравнению с более распространенными
типом твэлов цилиндрической формы. Плоские твэлы позволяют осуществлять
жесткий контроль качества топлива и распределения его по пластине в
процессе изготовления и имеют хорошие механические характеристики. В
квадратных ТВС пластинчатые твэлы соединены между собой сварными
планками. Между сборками перемещаются по циркониевым направляющим
крестообразные циркулирующие стержни, содержащие гафний. Целостность ТВС
должна сохраняться при различных условиях, и на разных этапах охлаждения
реактора после его остановки один регулирующий механизм соединен с
несколькими крестообразными стержнями, каждый из которых может
приводиться в действие отдельно.
В нашей стране проводятся работы по созданию ACT с реактором
водо-водяного типа с естественной циркуляцией теплоносителя в первом
контуре. ТВС для реактора ACT содержит пучок твэлов диаметром 13,6 мм,
заключенный в шестигранный чехол толщиной 1,5 мм из сплава циркония с
ниобием, и верхний и нижний стальные концевики. Пучок прикреплен к
нижнему концевику через опорную стальную решетку. Дистанционирование
элементов по вертикали осуществляется шестью промежуточными
дистанцио-нирующими решетками, равномерно расположенными по длине и
закрепленными на центральной трубе пучка, и верхней концевой решеткой.
Твэл выполнен из трубки размером 13,6X0,9 мм из циркониевого сплава (с 1
% ниобия) и заполнен таблетками из спеченной двуокиси урана.
Для управления мощностью реактора в каждой ТВС (за исключением
центральной) располагается регулятор. Он состоит из 18 подвижных
поглощающих стержней, объединенных общей траверсой. Стержни размещаются
в направляющих циркониевых трубках размером 18X1 мм, дистанционируемых в
пучке вместе с твэлами. Стержень поглотителя представляет собой трубку
размером 12,5X1,2 мм из нержавеющей стали, начиненную блочками из
карбида бора.
Для частичной компенсации запаса реактивности на выгорание и для
профилирования распределения энерговыделения по высоте активной зоны в
ТВС устанавливаются вместо шести тепловыделяющих поглощающие элементы.
Они представляют собой трубку размером 13,6X0,9 мм из циркониевого
сплава, заполненную выгорающим поглотителем — естественным бором (или
иным веществом) в алюминиевой матрице.
Для контроля за нейтронно-физическими и теплогидравлическими параметрами
активной зоны предусмотрены специальные измерительные зонды. Для этого в
ТВС вместо одного из твэлов устанавливается направляющая циркониевая
трубка размером 13,6Х Х0,9 мм, служащая для размещения зонда диаметром
8—9 мм, содержащего термопреобразователи и датчики нейтронного потока.
Подвижные поглощающие стержни из трех ТВС
объединяются и образуют рабочий орган системы управления и защиты
реактора. Эта система выполняет роль аварийной защиты, компенсирует
избыточную реактивность, необходимую для получения кампании топлива,
изменяет реактивность в процессе регулирования мощности реактора.