Сторінка 15 з 39
В ядерних реакторах використовуються дисперсійні твели, які мають форму стрижнів. Зі зменшенням діаметра стрижневих твелів поряд з труднощами виготовлення зменшується їх жорсткість в збірці, і при проектуванні ТВС істотне значення набуває завдання кріплення і правильного розташування стрижнів відносно один одного на весь період експлуатації зі збереженням фізико-теплотехнічних вимог.
Мал. 4.18. Дистанціонуючі решітки ТВС зі стрижневими твелами:
1 - трикутний тип; 2 - ромбічний; 3 - кільцевої; 4 - петлевий; 5 - стрижні, обвиті дротом; 6 - стільниковий тип (трикутне розташування); 7 - трубчасті дистанціонуючі прокладки, з'єднані по осі; 8 - трубчасті дистанціонуючі прокладки з поперечної зв'язком; 9 - стрічкова фігурна дистанціюється решітка; 10 - шість спіральних ребер на кожному стрижні
Таблиця 4.3. Основні параметри стрижневих твелів і збірок з них
Стрижні в більшості випадків дистанціюються дротом, навитої гвинтовими ліній. Постійне перемішування теплоносія в ТВС з стрижневими твелами, частково викликане намотаною по спіралі дротом, зменшує можливість утворення місцевих перегрівів і збільшує коефіцієнт тепловіддачі. Стрижневі твели в збірці дистанціюються і іншими способами: ребристими оболонками, зірочками, решітками, кінцевими деталями.
Форми застосовуваних дистанціонуючих решіток наведені на рис. 4.18.
У табл. 4.3 представлені характеристики стрижневих дисперсійних твелів і збірок з них.
У дослідницькому реакторі ML-1 застосована тепловиділяючих збірок із стрижневих твелів, причому зовнішній ряд містить 12 твелів, а внутрішній - 6 (рис. 4.19, табл. 4.3). Для зовнішніх стрижневих твелів в якості палива використані таблетки з суміші UO2 (31%) і ВеО (69%), а для внутрішніх - таблетки двоокису урану. Оболонки для всіх твелів виготовлені з хастелоя-Х, розміром по діаметру 6,1X0,76 і довжиною 812,8 мм (активна частина 558,8 мм). У верхній частині стрижнів для теплоізоляції поміщають таблетки окису магнію, а з нижніх кінців через таблетку з окису берилію пружиною притискують паливо, яке може вільно подовжуватися при тепловому розширенні. Для зниження загального тиску і збору газоподібних осколківподілу у Твелах передбачений вільний обсяг, де знаходиться пружина. У центрі ТВС розміщується стрижень зі сплаву хейнсс-25. Всі стрижні в збірці дистанціюються між собою дротом, навитої по спіралі.
Мал. 4.19. ТВС реактора ML-1:
1 - пружинний фіксатор; 2 - шар з ВеО; 3 - кадмієвий поглинач; 4 - паливна таблетка; 5 - шар MgO; 6 - ізоляція; 7 - труба з нержавіючої сталі; 8 - внутрішнє покриття з хастелоя; 9 - центральний стрижень зі сплаву Хейнес-25; 10 - стрижень з UO2; 11 - зовнішні стрижні з UO2-ВЕО (12 шт.); 12 - оболонка з хастелоя-Х
Мал. 4.20. ТВС реактора ВВР-2:
1 - кільцеві щілини; 2 - міжтрубний простір
Мал. 4.22. ТВС реактора Indian Point: 1 - вихідний отвір; 2 - пружина; 3 - верхня перехідна деталь; 4 - напрямна каркаса ТВС; 5 дистанціюється дріт; 6 - з'єднувальний болт; 7 - вихідний отвір
Мал. 4.23. ТВС реактора ERR:
1 - верхній наконечник з нержавіючої сталі 304; 2 - пружина (для термічного розширення всієї збірки); 3 - центральний стрижень; 4 - гайка; 5 твели; 6 - верхня решітка: 7 - кільцева заглушка; 8 - виступи для закріплення затискачів; 9 - затискачі для закріплення твелів; 10 нижня опорна решітка активної зони; 11 - нижній направляючий наконечник (держатель)
Тепловиділяючих збірок ERR складається з 25 стрижневих твелів, дістанціоніруемих між собою гратами по кінцях і двома гратами по довжині твелів (рис. 4.23, табл. 4.3). Па оболонках твелів в місцях розташування решіток є буртики, які жорстко фіксують твели в поздовжньому напрямку. Конструкція ТВЗ дозволяє витягувати центральний ТВЕЛ і замінювати його борсодержащего стрижнем. Таблетки поміщені в оболонку з кільцевих зазором 0,6 мм. Кінці твелів герметизують зварюванням (без гелію). Випробувані різні способи дистанціювання стрижневих твелів із застосуванням решіток і дроту. Спочатку випробувана решітка, що складається з двох тонких металевих охоплюють дужок, припаяних до стрижня і зварених між собою точковим зварюванням. Така жорстка конструкція але дозволяла компенсувати теплове розширення твелів; крім того, вона занадто складна і дорога в пзготовлсніі. Потім було випробувано дистанціювання дротом 0 0,8 мм, навитої навколо кожного стержня. Кінці дроту приварювалися до металевої скоби, що утримує п'ять рядів труб. Від цієї конструкції також довелося відмовитися внаслідок поганого дистанціювання стрижнів і наявності напруги в дроті. В остаточному варіанті дистанціювання проводиться металевими скобами-зажимами, вигнутими в напівкруглі петлі, які охоплюють по обидва боки один ряд стрижнів, і звареними між собою точковим зварюванням в решітку (див. Рис. 4.23). Точно такі ж решітки розташовані по кінцях тепловиділяючої збірки.
На рис. 4.24 показана оригінальна конструкція відкритого (вентильованого) стрижневого твела в графітової оболонці високотемпературного реактора HTGR в Піч-Боттоми (США) (див. Табл. 4.3). ТВЕЛ діаметром 90, загальною довжиною 3660 і довжиною активної частини близько 2300 мм складається з верхньої секції відбивача, середньої секції, що містить паливо, нижньої секції відбивача, графітової втулки (труби), паливних брикетів, внутрішньої пастки для продуктів поділу і графітового стержня. Втулка, виготовлена з малопроникними графіту, містить паливо, частина нижнього відбивача і пастку. Графитовая втулка з'єднана з верхнім і нижнім відбивачами. Графітовий стрижень заповнюють кільцеподібними паливними брикетами (висота 38, 069,7 мм). Частинки (U, Th) C2 діаметром 150-400 мкм мають покриття з щільного рус товщиною 50-60 мкм. Це покриття захищає паливний матеріал від окислення в процесі виготовлення і сприяє утриманню продуктів поділу. Механічна міцність паливного брикету забезпечується графітової матрицею, яка практично не пошкоджується осколками поділу. Внутрішня пастка, розташована в нижньому відбивачі, складається з графітового циліндра з прорізами, що містить оброблений деревне вугілля у вигляді гранул.
Невелика частина гелиевого теплоносія надходить в ТВЕЛ, в верхню секцію відбивача. Газ проходить вниз навколо брикетів палива, несучи продукти ділення з простору між брикетами палива і графітової втулкою. Потім він надходить в жолобки, відформовані на зовнішній поверхні паливних брикетів. Після очищення активної зони від продуктів поділу газ йде через внутрішню пастку, де залишається велика частина продуктів поділу. З нижньої частини внутрішньої пастки газ проходить на очисну лінію, яка веде до зовнішньої пастці, де видаляються залишилися продукти поділу.
Максимальна температура палива всередині брикету дорівнює
1500 ° С, температура на поверхні твела
П00 ° С. У конструкціях ТВС для більших реакторів використані твели більшої довжини і більшого діаметру. Активні зони спроектовані в розрахунку на вигоряння 80 000-100 000 МВт-сут / т при терміні роботи твелів на повній потужності близько 6 років.
Мал. 4.24. ТВЕЛ реактора HTGR:
1 - нижній відбивач; 2 - верхній відбивач; 3 - компактне паливо; 4 - втулка; 5 - внутрішня пастка для продуктів поділу
У твелах реактора HTGR відсутні металеві оболонки і інші деталі, що істотно знижує паразитний захоплення нейтронів. В результаті цього основна кількість нейтронів використовується для перетворення паливної сировини (232 Th) в нове паливо (233У), що сприяє високому вигоряння палива.
Мал. 4.25. Перетин ТВС реактора «Драгон» (перше завантаження):
1 - порожнисті гексагональних стрижні з графіту; 2 - паливо; 3 - порожнистий графітовий стрижень
Використання гелію в якості теплоносія і застосування графіту в твелах дають можливість створювати в ядерному реакторі високі температури, так як на відміну від металів і сплавів механічні властивості графіту з підвищенням температури поліпшуються.
Тепловиділяючих збірок високотемпературного реактора «Драгон» складається з семи гексагональних вентильованих стрижневих твелів в графітових оболонках (рис. 4.25, табл. 4.3). Порожні гексагональних стсржні з дистанціюється ребрами утворюють канали для теплоносія, що мають форму трилисника. Зверху і знизу тепловиділяючої збірки знаходяться відбивачі нейтронів. З палива виготовляють втулки і насаджують їх на центральний порожнистий або суцільний графітовий стрижень, який поміщають в графітову трубу. На торцях втулок, від центру до краю, є виточки для збору газу. Графитовая труба зверху закінчується дуже вузьким каналом, через який з першого контуру входить невеличкий потічок очищеного гелію. Гелій проходить по каналу графітового стержня в пастку, де очищається від продуктів ділення.
В експериментальному газовому реакторі EBOR, що працює на уран-плутонієвому паливі, використана ТВС, що складається з 18 стрижневих твелів, дистанціюватися дротом. Все стрижневі твели розміщені в кільцевому просторі з окису берилію (рис. 4.26, табл. 4.3). Стрижневою ТВЕЛ складається з 178 спечених таблеток змішаного палива, розміщених в оболонці з хастелоя-Х.
Стрижневі дисперсійні твели знайшли широке застосування в дослідницьких і енергетичних реакторах (США). Прийнято найрізноманітніший склад композиції ядерного палива, в основному UO2 з різними матрицями в залежності від умов роботи реактора. Як матеріал оболонки використовують графіт, хастелой-Х, нержавіючу сталь, ціркалой і алюміній. Дистанціювання стрижневих твелів в збірці в основному виробляється навитої по спіралі дротом або іншими способами. Необхідно відзначити, що в США ведуться широкі дослідницькі роботи по використанню змішаного уран-плутонієвого палива в дисперсійних твелах реактора PRTR.
Мал. 4.26. ТВС реактора EBOR:
1 - паливна таблетка з UO2-ВЕО; 2 - брикети з ВеО; 3 - трубка з коітрольно-вимірювальними приладами; 4 - стрижневий ТВЕЛ; 5 - дріт для дістаіціонірованія твела; 6 - пристосування з пружиною для компенсації теплового розширення ВеО в збірці; 7 - опорна плита активної зони. Стрілками показано напрямок потоку теплоносія