содержание   ..  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  ..

2.2.5.

Конструкции ТВС газоохлаждаемых реакторов АЭС

В высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах ВТГР активная зона или формируется из засыпки шаровых твэлов, или собирается из призматических ТВС.

Призматические ТВС конструируются в виде массивного монолитного блока из графита, в котором имеются каналы для твэлов и гелиевого теплоносителя. Разрабатывались три различные призматические ТВС. В первых разработках топливо размещалось в изолированных от теплоносителя глухих каналах, расположенных по шестиугольной схеме с осями, параллельными оси блока.


Топливные элементы находятся в промежутках между каналами теплоносителя. Тепло через графитовую матрицу передается теплоносителю. Наличие зазора между топливом, заполняющим канал, и стенкой канала приводит к повышенным температурам топлива. В связи с этим повышается температура матрицы и возникают значительные тепловые напряжения в блоке. Такой тип ТВС называется «горячим блоком» (рис. 2.34).

Блок АЭС в Форт-Сент-Врейне имеет 318 каналов, из них 210 топливные, в блоке АЭС в Фултоне число каналов сокращено до 200, топливных до 132. Шестигранные блоки имеют размер «под ключ» 360 высоту 790 мм. Диаметр канала для теплоносителя проектируется равным 15,9—21 канала для топлива 12,7—15,9 мм. Стержневые твэлы, вставляемые в канал блока свободно, не

имеют защитной оболочки, так как прямой контакт твэлов с теплоносителем отсутствует.

Сборка ТВС заключается в механическом введении твэлов в каналы блока. Устойчивость вертикальных колонн, набранных из призматических ТВС, осуществляется за счет выступов и впадин, имеющихся в горизонтальных поверхностях блока. В установке Dragon используется усовершенствованная конструкция блочной ТВС (рис. 2.35). В шестигранном блоке высотой 1000 и размером под ключ 442 мм расположены 18 каналов для твэлов. Диаметр каналов, в которых размещаются трубчатые твэлы, 60—70 мм. Твэлы разработаны в трех вариантах, характерной особенностью которых является наличие центрального канала для прохода теплоносителя. Отвод тепла осуществляется с внешней и внутренней поверхностей твэлов. Дистан-ционирование трубчатых твэлов осуществляется с помощью трех вертикальных ребер.

Топливосодержащая зона в двух вариантах имеет трубчатую форму, в третьем варианте топливо распределено в графитовой матрице в виде стержней. Рассмотренная конструкция ТВС по сравнению с первым поколением призматических ТВС имеет ряд преимуществ: температура блока близка к температуре теплоносителя; графитовый блок подвергается только механическим нагрузкам; теплопередающую функцию выполняют трубчатые твэлы. Основным недостатком сборных призматических ТВС является сложность конструкции твэлов.

Западногерманской фирмой NUKEM разработана конструкция монолитной призматической ТВС (рис. 2.36). По сечению шестигранного блока имеется 18 каналов для топливных стержней диаметром 26 мм, окруженных каналами для прохода гелия диаметром 12,2 мм. При конструировании этой ТВС использованы лучшие качества двух предшествующих конструкций.

Используемый диаметр твэлов в 4 раза превышает диаметр твэл ТВС первого поколения, что обеспечивает большую энергонапряженность. Для эффективного охлаждения твэлов толщина перемычки между топливом и охлаждающими каналами не превышает 4 мм. Матрица изготовлена из изотропного графита, и твэлы запрессовываются в соответствующие каналы (монолитная конструкция). Отсутствие зазора между твэлом и матрицей обеспечивает хорошую теплопроводность, что снижает температурные напряжения в блоке. Конструкция фирмы NUKEM считается наиболее перспективной призматической ТВС.

В реакторах ВТГР, разрабатываемых в СССР, предусматривается использование шаровых твэлов, являющихся более перспективными в настоящее время.

Шаровые твэлы состоят из содержащей топливо внутренней зоны и гра-фитовой оболочки диаметром 50—60 и толщиной около 5 мм. Конструкция или, вернее, технология изготовления шаровых твэлов для разных проектов ВТГР разнообразна. Сборные твэлы первой и второй загрузок западногерманского реактора AVR представляют собой механически обработанные полые сферы из пироуглерода диаметром 60 мм, заполненные смесью микротвэлов, графитового порошка и связующего материала. Герметизация осуществляется резьбовой графитовой пробкой (рис. 2.37).

Монолитные шаровые твэлы изготовляются прессованием, при этом обеспечивается прочная связь между сердечником твэла и безурановой оболочкой. Диаметр топливного сердечника 50 шаровой оболочки 60 мм.

 

Рис. 2.34. Призматическая ТВС ВТГР:
1 — канал для теплоносителя; 2 — канал для топлива

Рис. 2.35. Призматическая ТВС реактора DRAGON:
а — топливная сборка; б — конструкция многоэлементного твэла; в —- конструкция трубчатого твэла; г — конструкция твэла типа «полый стержень»; 1 — топливная зона;
2 — графитовая труба; 3 — внутреннее охлаждение; 4 — зазор для теплоносителя

Для многократного использования сферических твэлов предложена конструкция, где твэл имеет внешнюю оболочку толщиной 10 мм, сферическую полость и центральное ядро, фиксируемое четырьмя опорами. Полость засыпается микросферами топлива с покрытием. После просверливания отверстия топ-ливо может быть удалено из твэла и заменено новым, что способствует снижению стоимости топливного цикла реактора.

Как отмечалось выше, для высокотемпературных реакторов разработаны две основные конструкции топливных элементов: призматические и шаровые. Несмотря на явное конструкционное различие их есть общие концепции создания ТВС: сборочная и монолитная. В настоящее время трудно оценить очевидные преимущества одного вида ТВС перед другим и, по-видимому, оба направления на данном этапе создания опытно-промышленных ВТГР будут развиваться параллельно. Тем не менее необходимо отметить, что шаровые твэлы имеют отработанную технологию изготовления, но затрудняют доступ в активную зону. В то же время технология изготовления призматических ТВС недостаточно отработана, а в случае блокирования охлаждающих каналов могут возникнуть критические ситуации в активной зоне.

Рис. 2.36. Призматическая ТВС фирмы NUKEM:
1 — канал для топлива; 2 — канал для теплоносителя

Рис. 2.37. Шаровые твэлы:
а — полый твэл со сферическим сердечником; б — полый твэй с цилиндрическим сердечником; в — полый твэл со сферическим слоем топлива; г — прессованные твэлы со сплошным шаровым сердечником; д — прессованный твэл со сферическим слоем топлива; 1 — графитовая оболочка; 2 — графитовая пробка; 3 — шаровой сердечник топлива; 4 — цилиндрический сердечник топлива; 5 — заполнитель (графитовая масса); 6 — сферический слой ядерного горючего; 7 — оболочка из карбида кремния

содержание   ..  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  ..