Технологическая схема изготовления ТВС реактора
(АЭС)
Для сборки ТВС используют следующие основные элементы: твэлы; концевые,
дистанционирующие, направляющие (заставляющие поток теплоносителя
интенсивно перемешиваться) решетки; концевые детали; обжимные втулки,
крепящие твэлы к концевой решетке и фиксирующие решетки по высоте ТВС.
По данным американской фирмы «Бабкок энд Уилкокс» для компоновки одной
ТВС реактора типа ВВЭР требуется около 240 заглушек для твэлов, 20
направляющих труб для регулирующих стержней, 20 верхних и нижних втулок
и крепежных деталей, 32 детали для крепления решеток, 420 опорных
концевых деталей, 200Q таблеток с поглотителем нейтронов и около 40 000
топливных таблеток.
Дистанционирующие, направляющие решетки обычно состоят из большого числа
гофрированных элементов и штампованных полос с пазами различных видов и
размеров. При изготовлении решеток широко применяются электроискровая
резка, штамповка на листоштамповочных прессах.
Крепление решеток с обжимными втулками для гильз, в которые в дальнейшем
вставляют регулирующие стержни, и центральной трубы (для датчиков
контрольных приборов) осуществляется в кондукторе точечной сваркой. При
изготовлении решеток требуется чрезвычайно высокая точность, так как от
этого зависит качество ТВС, точность размеров которых находится в
непосредственной зависимости от точности шага решеток и
перпендикулярности деталей.
Затем осуществляется сборка каркаса ТВС, состоящего из набора обжимных
втулок, концевых, дистанционирующих и направляющих решеток и втулок для
гильз, в которые в дальнейшем помещают регулировочные стержни. Сборка
производится на сборочном столе в специальном ложементе с помощью
фиксаторов-, закрепляющих все' основные элементы каркаса. Набор обжимных
втулок и решеток размещается в ложементе (по месту), после чего
устанавливаются гильзы регулирующих стержней. Гильзы, проходящие по всей
длине каркаса, являются основными опорными элементами конструкции ТВС.
Кроме гильз основой каркаса служит центральная направляющая труба.
Гильзы протягивают через обжимные втулки и механически скрепляют с ними
для продольной фиксации. Далее устанавливают и закрепляют нижний
наконечник — хвостовик, служащий опорой ТВС при работе ее в активной
зоне реактора. Центральная опорная трубка соединяется с наконечником
механически и затем приваривается для обеспечения жесткости при
дальнейшей сборке.
Твэлы вставляются в ячейки решеток рядами. При протягивании твэлов через
решетки на них подают тонкой струей воду, играющую роль смазки. После
установки всех твэлов к верхним концам гильз приваривают головку ТВС. В
гильзы при работе реактора помещают регулирующие стержни, представляющие
собой поглощающие нейтроны трубки из карбида бора или гафния в оболочках
из нержавеющей стали. Регулирующие стержни обычно имеют такой же размер,
как и твэлы и в ТВС занимают их место. Обычно в активной зоне реактора
около 7з всех ТВС содержат регулирующие стержни, тем не менее в каждой
кассете имеются Гильзы для их установки, что обеспечивает возможность
перестановки ТВС. После установки в гильзы регулирующих стержней ТВС
подвергается промывке последовательным погружением в несколько ванн и
проверяется на «проходимость в стапель», при которой конт-ролируют
постоянство сечения ТВС по высоте и прямолинейность. Готовый ТВС вместе
со сборочным столом перемещают к прибору, контролирующему
радиоактивность, после чего устанавливают в вертикальное положение для
окончательного осмотра и контроля размеров. После перевода кассеты в
вертикальное положение снимают фиксаторы, поставленные при сборке
каркаса ТВС.
Чехловые ТВС устанавливают в чехол, размер которого контролируется.
Движущиеся датчики перемещаются по всей длине для контроля перекрутки
(винт), прогиба и напряжений в чехле. ТВС промывают в ацетоне и сушат
сжатым воздухом, после чего в пластиковой упаковке помещают в
транспортный контейнер.
Окончательная проверка ТВС на соответствие их требованиям спецификаций
производится на месте до введения в активную зону реакторов.
По мере усовершенствования конструкции шаровых твэлов технология их
изготовления претерпела некоторые изменения. Первые шаровые твэлы
реактора изготовлялись механической обработкой графитового сферического
полого корпуса, который затем заполнялся смесью топливных частиц,
графитового и связующего порошков. Загрузочное отверстие в шаре
уплотнялось графитовой пробкой с резьбой, после чего производилось
дополнительное уплотнение резьбового соединения пиролитическим
углеродом. Способ изготовления полых шаров путем обточки графитовых
заготовок относительно дорог. В настоящее время используется более
совершенный метод изготовления сферических твэлов — прессование,
наиболее перспективным считается вариант изотропного монолитного твэла,
который представляет собой сферу, состоящую из гомогенной
уран-графитовой зоны диаметром 60 мм. Объемная загрузка микротоплива в
сердечники твэла составляет 12—16 %.
Микротопливо защитной оболочкой из матричной композиции смешивают с
графитовой фракцией крупностью около 1 мм. Смесь дозируют и загружают в
разъемную пресс-форму из силиконового каучука, которая состоит из двух
цилиндров с центральной эллипсоидной полостью. Размеры полости позволяют
получить при прессовании сердечник твэла диаметром 50 мм. После
заполнения гомогенной смесью матричной композиции и микротоплива форму
помещают в стальную пресс-форму, где осуществляется двустороннее
прессование сердечника при давлении 3 МПа. Спрессованный сердечник
перегружают в другую пресс-форму большего диаметра, в которую
предварительно засыпают матрич-ну композицию в количестве, необходимом
для создания безурановой оболочки толщиной 5 мм. Затем производят
герметизацию пресс-формы и окончательное прессование шарового твэла при
давлении 300 МПа.
В процессе двухстадийной термообработки происходит коксование связующего
материала и спекание матрицы (температура 800°С, атмосфера — азот),
затем спекание и обезгаживание матрицы. Окончательную форму изделию
придают при механической обработке поверхности.
Механическая прочность шаровых твэлов характеризуется усилием, которое
требуется для разрушения элемента между двумя стальными плоскими
пластинами.
Шаровые твэлы непрерывно циркулируют в активной зоне реактора:
подсчитано, что для обеспечения безаварийной работы все4 твэлы должны
выдержать не менее 50 падений с высоты 5 м. К шаровым твэлам
предъявляются требования на аварийный износ, который не должен превышать
3—5 мг/(см2*ч).
При превышении указанного значения графитовая пыль,
переносимая гелием*, может привести к нарушению безопасности реактора. В
соответствии с этими, требованиями для шаровых твэлов обязательно
исследуется значение абразивного износа.
Описанная схема технологии изготовления шаровых твэлов для
высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов обеспечивает получение
твэлов, удовлетворяющих предъявленным требованиям.
Технологическая схема изготовления призматических ТВС для
высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов аналогична схеме
изготовления шаровых твэлов.