Стартовая >> Архив >> Генерация >> Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

Перестройка топлива - Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

Оглавление
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах
Воспроизводство и роль быстрых реакторов-размножителей
Физические принципы воспроизводства
Роль воспроизводства в оценках энергетических ресурсов
Программы исследования быстрых реакторов
Принципы конструирования
Механическая конструкция и система теплопередачи
Выбор материалов и параметров активной зоны
Экономический анализ
Обращение с топливом
Выгорание топлива
Уравнения выгорания
Время удвоения
Численные результаты анализа топливного цикла реактора с жидкометаллическим теплоносителем
Конструкции твэла и сборки
Перестройка топлива
Выделение газа из топлива и длина газовой полости
Критерий повреждаемости и анализ прочности твэла
Конструкция тепловыделяющей сборки
Другие сборки
Поведение совокупности сборок
Факторы перегрева
Материалы активной зоны
Топливо на основе урана
Топливо, содержащее торий
Общее сравнение топлива
Оболочка и чехол
Материалы оболочки
Теплоноситель
Совместимость с оболочкой
Сравнение различных теплоносителей
Органы управления
Основное оборудование теплоотводящих контуров реакторов
Регулирование параметров технологической схемы АЭС
Основное оборудование натриевых контуров
Натриевые насосы
Парогенераторы
Нейтронная защита
Защита оборудования теплоотводящих контуров в реакторе петлевого типа
Система транспортировки тепловыделяющих сборок
Измерительные системы
Контроль герметичности оболочек твэлов, течей
Вспомогательные системы
Общие вопросы безопасности реакторов БН
Многоступенчатая защита как концепция безопасности
Развитие методов исследования аварийных режимов
Оценка риска и методы исследования аварийных режимов
Контролируемые переходные процессы
ффективность системы аварийной защиты АЭС
Некоторые параметры, характеризующие состояние реактора в аварийных режимах
Вопросы надежности
Надежность системы аварийного расхолаживания реактора
Распространение локальных повреждений твэлов
Переходные процессы в объеме активной зоны
Другие аварийные режимы
Неконтролируемые аварийные режимы
Уравнения сохранения
Аварийные режимы с повышением мощности реактора
Разрушение твэлов
Прочие факторы
Аварийный режим с ухудшением условий теплоотвода
Неконтролируемый аварийный режим, связанный с прекращением циркуляции теплоносителя
Нарушение герметичности трубопроводов
Переходная стадия
Переходная стадия - расчет
Разрушение активной зоны
Защитная оболочка
Процесс расширения топлива
Взаимодействие расплавленного топлива с теплоносителем
Взрыв паров
Деформация элементов конструкции реактора
Охлаждение реактора после аварии
Аварийная разгерметизация бака реактора
Натриевые пожары
Конструкции защитных оболочек и локализующих систем
Конструкция быстрых реакторов с газовым охлаждением
Системы реактора
Конструкция активной зоны
Конструкция твэла
Безопасность газоохлаждаемых быстрых реакторов
Контролируемые аварии
Неконтролируемые аварии
Защитное окружение быстрых реакторов с газовым охлаждением
Сравнение гомогенного и гетерогенного проектных вариантов быстрого реактора CRBRP
Ядерная энергетика и быстрые реакторы

Структура топлива сильно влияет на поведение твэла в процессе облучения и при высоких температурах. Как все керамические и металлические материалы, оксидное топливо имеет зернистое строение. Зерно представляет собой единичный кристаллик, внутри которого все атомы расположены в соответствии с кристаллической решеткой. Последняя характеризуется ячейкой, специфической для разных типов решетки.
В процессе изготовления топлива образуются зерна беспорядочной формы, но с общими граничными поверхностями. Для краткости говорят о границе зерен, имея в виду переходную зону между соседними кристалликами. На искривленных границах зерен положение атомов оказывается более устойчивым на выпуклой поверхности. Поэтому интенсивные тепловые колебаний при высоких температурах приводят к перемещению атомов от зерна с вогнутой граничной поверхностью к соседнему зерну с соответствующей выпуклой поверхностью. Рисунок 8.4 иллюстрирует тот факт, что выпуклая фигура более характерна для зерен малых размеров, и именно поэтому такие зерна имеют тенденцию расти [15]. Иначе говоря, имеет место процесс роста зерен. Следует ожидать, что из-за повышенного теплового движения атомов в реакторном топливе в условиях высокой температуры процесс роста зерен будет особенно интенсивным.

Рис. 8.4. Укрупнение зерен из-за перемещения атомов в сторону выпуклой поверхности              (показано стрелками)
Действительно, сразу после пуска реактора и выхода на полную мощность, т. е. после установления рабочих температурных распределений в топливе, начинаются существенные изменения его структуры. Выше определенной температурной границы (так называемой равноосной температуры) начинается весьма быстрый рост зерен, приводящий к тому, что их размеры становятся во много раз больше по сравнению с первоначальными. Излучение не оказывает влияния на этот эффект. Именно высокая температура приводит к образованию крупных зерен. Их называют равноосными зернами.
Разрез твэла со смешанным оксидным топливом
Рис. 8 .5. Разрез твэла со смешанным оксидным топливом при энерговыработке 27 МВт-сут/кг [6]

1- центральная полость твэла, 2 — область столбчатых зерен, 3- область равноосных зерен, 4— первичная микроструктура топлива; 5 — оболочка твэла

Сопутствующим процессом при высокой температуре (особенно в центральной части твэла) является объединение и миграция пор1. Их перемещение направлено против температурного градиента (т. е. в сторону более высокой температуры). В конечном счете поры стягиваются в центре топливной таблетки, ее периферийная часть становится более плотной. Возникают очень длинные зерна, называемые столбчатыми, которые располагаются подобно спицам в колесе. В то же время в центральной части может образоваться большая цилиндрическая полость. Основная часть описанного сложного процесса общей перестройки топлива происходит в течение первых часов работы реактора на полной мощности.

1 Поры представляют собой малые пустоты в материале. Технология изготовления топлива предусматривает его пористость для компенсации радиационного распухания и теплового расширения в аномальных температурных условиях. Пористость характеризуется отношением объема пустот к объему топлива.

На рис. 8.5 показан разрез таблетки смешанного оксидного топлива, проработавшего с линейной тепловой нагрузкой 56 кВт/м до энерговыработки около 27 МВт-сут/кг [6]. Четко видна центральная полость, очень длинные зерна, которые можно отнести к столбчатому типу, и крупные зерна равноосной области. Микроструктура топлива на более холодной периферийной части твэла не отличается от первоначальной. Топливо в таком состоянии называют неперестроенным.


Рис 8.6. Разрезы твэла реактора EBR 2 со смешанным оксидным топливом на разной
высоте (данные HEDL, 1979)
Черные длинные следы, простирающиеся в топливе от центральной части вплоть до оболочки, являются трещинами, которые, вероятно, возникли во время охлаждения после остановки реактора. Скорее всего их не существует в течение основного времени облучения топлива. Однако мелкие трещины в области неперестроенного и равноосного топлива образуются в процессе облучения под действием возникающих в топливе напряжений.
Другая примечательная особенность рисунка — отсутствие зазора между оболочкой и топливом в облученном твэле. Зазор исчез из-за распухания и растрескивания топлива уже в начальный период облучения.
Как было показано, перестройка топлива зависит от температуры и ее градиента. Это должно появиться в наблюдениях микроструктуры вдоль твэла БН, поскольку температурное распределение меняется с высотой. Рисунок 8.6 подтверждает этот вывод. На нем приведены разрезы твэла реактора EBR-2 с энерговыработкой до 50 МВт-сут/кг при линейной тепловой нагрузке около 36 кВт/м. Хотя высота активной зоны EBR-2 всего 34,3 см, изменение температуры с высотой оказалось достаточным, чтобы возникли существенные различия в локальной микроструктуре топлива на различных участках твэла. Далее, при изложении вопросов безопасности мы увидим, что эти различия играют важную роль в ответной реакции твэла на напряженные тепловые условия.
От микроструктуры топлива зависит также распространение газообразных продуктов деления. Из-за миграции пор в области столбчатых зерен в топливе образуются каналы вентиляции, через которые газ поступает в центральную полость Поэтому важно уметь предсказывать, где происходит перестройка топлива и как разграничиваются области с различной микроструктурой. Это можно сделать путем оценки температурных границ, разделяющих топливо, во-первых, в неперестроенном и равноосном состояниях и, во-вторых, в равноосном и столбчатом состояниях. Приближенные формулы для температур перехода состояния равноосных зерен в состояние столбчатых зерен Тстолб даются в [7]:
где t — время, ч; Т — абсолютная температура, К.

На рис. 8.7 видно, что величина Тстолб падает со временем облучения, тогда как радиус области столбчатых зерен является возрастающей функцией, в которой температура в центре твэла Т0 служит параметром [7]. Расчетные кривые построены для трех значений Т0. Величина Тстолб превышает Травноос на 58 К при 1 ч облучения и на 78 К при времени облучения 10 000 ч, как следует из приведенных выше формул. В [8] предлагаются более простые формулы для расчета температур перестройки смешанного оксидного топлива, которые в отличие от формул из [7] не зависят от времени облучения,
где χ — линейная тепловая нагрузка, кВт/м:

Рис. 8. 7. Зависимость границы (сплошная линия) и температуры (штриховая) области столбчатых зерен в оксидном топливе от времени облучения [7]

Обоснованность столь простых формул связана с тем фактом, что зазор между топливным сердечником и оболочкой закрывается на раннем этапе облучения, вследствие чего температурный градиент сильно уменьшается, а с ним уменьшается и миграция пор.



 
« Расчетная обеспеченность работы гидроэлектростанции   Режим системы охлаждения генераторов на теплофикационных энергоблоках 250 МВт »
электрические сети