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

Поведение совокупности сборок - 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

Мы рассмотрели поведение и основные конструкционные особенности отдельного твэла и отдельной сборки. Теперь рассмотрим коллективное взаимодействие сборок, которое при работе реактора проявляется в ряде эффектов в активной зоне и зоне воспроизводства, а также в органах регулирования и защиты. Важную роль при этом играют распухание и искривление сборок. Обсуждая в § 8.4 конструкцию ТВС, мы намеренно не касались вопроса о распухании материала чехла сборки. Теперь это явление мы обсудим в более общем аспекте. В частности, оно диктует необходимость специального крепления активной зоны.

А. РАСПУХАНИЕ ЧЕХЛА

Материал чехла заметно распухает при облучении в силу того же механизма, который вызывает распухание оболочек твэлов. Может оказаться, что именно распухание чехла, а не целостность отдельных твэлов явится основным фактором, ограничивающим время жизни активной зоны.
Рисунки 8.22 и 8.23 иллюстрируют тот факт, что чехол распухает в аксиальном и радиальном направлениях [26, 27]. За эти эффекты в обоих случаях ответственны флюенс и температура. Например, уменьшение удлинения по мере удаления от центра активной зоны обусловлено падением флюенса. Пики на границах зоны воспроизводства и отражателя связаны с увеличением времени облучения (т. е. также с повышением флюенса, хотя поток нейтронов там спадает). Рисунок 8.23 свидетельствует о значительном эффекте распухания в радиальном направлении. Масштаб между вертикальными линиями выбран равным 1,3 мм из тех соображений, что такой зазор


Рис. 8.22. Удлинении стенок чехла из-за распухания в зависимости от положения сборки при се номинальном времени жизни:
а — 2 года в активной зоне; б — 5 лет в боковой зоне воспроизводства; в — 30 лет в отражателе [26]

Рис. 8. 23. Расширение чехла из-за распухания в зависимости от положения сборки при ее номинальном времени жизни:
1 — активная зона; 2 — боковая зона воспроизводства, 3 — отражатель (расстояние между вертикальными линиями 0,13 см)
между сборками был бы достаточен для работы со сборками при отсутствии распухания. Наблюдаемое расширение в реальных условиях вынуждает увеличивать начальный зазор вплоть до 7 мм. В противном случае возникает опасность заклинивания облученных сборок и нарушения работы органов регулирования, появятся проблемы в перегрузке, которая в реакторах БН и без того затруднена тем, что сборки погружены в непрозрачный натрий.

Таблица 8.2. Возможные конструкционные изменения, учитывающие распухание чехлов


Изменение

Последствия

Увеличение зазоров

Уменьшение коэффициента воспроизводства, увеличение загрузки

Снижение энерговыработки

Удорожание топливного цикла

Уменьшение температуры на выходе

Уменьшение КПД теплового преобразования

Извлечение сборок для высокотемпературного отжига

Необходимость запасных сборок

Плотное расположение сборок

Необходимость низкой температуры при перегрузке

Усовершенствование конструкционного материала

Необходимость дальнейших исследований

Дополнительные допуски на распухание приводят к возрастанию загрузки делящегося материала и уменьшению коэффициента воспроизводства. Этим объясняется большое внимание, уделяемое проблеме распухания. В табл. 8.2 перечисляются возможные мероприятия, связанные с ее решением.

Рис. 8.24. Искривление сборок при их фиксации на трех уровнях по высоте [26]:

I — сборки фиксированы, реактор работает на мощности, II — сборки не фиксированы, мощность нулевая; 1— эффект температурных напряжений; 2 — эффект распухания; 3 — совместный эффект температурных напряжений и распухания; 4 — совместный эффект тепловой ползучести и распухания

Б. ИСКРИВЛЕНИЕ СБОРОК

Кроме чистого эффекта объемного однородного распухания, имеются другие эффекты, действующие одновременно и приводящие к дополнительным силам и соответственно к деформациям стенок чехла. К таковым, в частности, относятся температурное расширение, радиационная ползучесть, механическое взаимодействие соседних сборок. Совокупность возникающих при этом сил при наличии той или иной системы фиксации активной зоны порождает коллективное искривление сборок. Предсказать точную форму искривления весьма трудно из-за большого числа действующих факторов. Для анализа этого явления были разработаны сложные программы расчета, такие как CRASIB [28], AXICRP [29], BOW-V [30]. В расчетах необходимо учитывать конкретные индивидуальные особенности каждого реактора.
На рис. 8.24 [26] показаны линии искривления, рассчитанные по программе CRASIB. Они качественно характеризуют коллективное поведение сборок при различных условиях их фиксации (на трех уровнях по высоте — в основании, в верхней части активной зоны и в верхней части сборок). Показаны следующие варианты. Учет температурного расширения (а). Учет радиационного распухания (б) (наблюдается остаточный эффект при сбросе мощности и снятии фиксации). Результирующий эффект температурного расширения и радиационного распухания (в). В этом случае возникает более сложная форма искривления, что порождает сильные напряжения изгиба в стенках чехла. Однако они частично снимаются за счет радиационной ползучести, которая дополнительно учтена в варианте (г). Большая роль радиационной ползучести в коллективном поведении сборок видна из сравнения вариантов (в) и (г) для условий сброса мощности и снятия фиксации. Эффект ползучести привел к изменению величины и направления результирующей деформации, что подтверждает сложность общей картины поведения сборок в реакторе.
Помимо проблемы предсказания долговременных эффектов искривления следует иметь в виду возможность положительного мощностного эффекта реактивности1, возникающего за счет деформации сборок. Для оценки этого нежелательного эффекта необходим подробный анализ и выявление всех причин, приводящих к искривлению сборок.

В. КРЕПЛЕНИЕ АКТИВНОЙ ЗОНЫ

Итак, была показана необходимость, во-первых, допуска на распухание в зазорах между сборками и, во-вторых, крепления, ограничивающего искривление (из-за распухания и температурного градиента). Система крепления активной зоны должна обеспечивать: предсказуемое и стабильное механическое противодействие реакции активной зоны на мощностные и радиационные условия (в стационарных и переходных режимах);
доступ к верхней части сборок для дистанционной работы перегрузочного механизма;
зазор между сборками в условиях перегрузки, с тем чтобы сила трения при перемещении сборок находилась в допустимых пределах.
Оптимальное конструкционное решение этой задачи затрудняется неопределенностями в радиационных свойствах конструкционных материалов и в оценках флюенса и температурных условий. Поэтому возможно несколько вариантов системы крепления, так или иначе решающих проблему искривления сборок. В ранних проектах принималась активная система, при которой круговой бандаж мог перемещаться для регулировки радиальных усилий по мере необходимости. Однако в разработках коммерческих БР предпочтение было отдано пассивным системам крепления. Они не требуют дополнительных гидравлических и других устройств внутри реактора. Ниже кратко рассматриваются три возможных варианта пассивной системы 125].

1 Мощностным коэффициентом реактивности называется изменение реактивности с увеличением мощности при неизменности других управляющих факторов.


Рис. 8.25. Крепление ТВС [25] (по 6 шт.):
1 — конструкция наружного чехла органа регулирования; 2 — поперечный выступ на чехле ТВС; 3 — участки торцевых зон воспроизводства; 4 — участок активной зоны; 5 —входной фильтр; 6 —прижимное устройство; 7 — отверстие
Крепление шестерок ТВС. Рисунок 8.25 [25] иллюстрирует вариант крепления ТВС шестерками вокруг сборки поглощающих элементов (органа СУЗ) в реакторе PFR. Идея состоит в следующем. Тепловыделяющие сборки снабжены поперечными выступами, расположенными на уровне нижней границы нижнего торцевого экрана. Каждая из шести сборок упирается этими выступами в наружную поверхность неподвижного чехла органа СУЗ. Нижняя часть сборки снабжена специальным устройством (по типу торсионной пружины), которое в рабочем положении создает прижимное усилие, фиксирующее каждую сборку. Таким образом, неопределенность расположения сборок распространяется не на всю активную зону, а локализуется в группе шести ТВС. Недостатки этого варианта выявляются при рассмотрении требований сейсмической стойкости.
Кроме того, происходит ухудшение характеристик воспроизводства.
Свободно стоящие сборки. На рисунке 8.26 [25] показан вариант установки ТВС, когда закреплены только их нижние хвостовики. До вывода реактора на мощность сборки расположены вертикально и отделены друг от друга дистанционирующими выступами на нескольких уровнях по высоте активной зоны.
При работе реактора сборки имеют возможность свободно изгибаться и разваливаться «веером» к периферии до упора в защитные сборки. Последние играют роль амортизатора. Этот вариант использовался в конструкциях реакторов «Расподия», «Феникс» и EBR-2 ввиду его простоты. Однако не ясно, можно ли его применить в реакторах с большой активной зоной и большим флюенсом.
Рис 8 27 Фиксация сборок для ограничения их изгиба [25] при работе реактора иа мощности (а) и при остановке (б):

Рис. 8.26 Активная зона со свободно стоящими ТВС [25] при работе реактора на мощности (б) при остановке (а):

  1. — опорная конструкция;
  2. — сборки боковой защиты, играющие роль пружины;
  3. — деформируемые поперечные выступы;

4—участок активной зоны
1 — опорная конструкция; 2 — обечайка, формирующая активную зону; 3 — поперечные выступы на чехлах ТВС (вне активной зоны ); 4 — участок активной зоны

Фиксация сборок для ограничения их изгиба. Рисунок 8.27 иллюстрирует принцип фиксации сборок, противодействующей их искривлению в условиях работы реактора. Фиксация достигается с помощью дистанционирующих выступов (платиков) на трех уровнях по высоте сборки (в местах слабого распухания): в верхней и нижней частях и над активной зоной. Это соответствует картине, изображенной на рис. 8.24. В результате температурного градиента при работе реактора сборки выгибаются на участке активной зоны к периферии. Данный вариант представляется перспективным для достижения глубоких выгораний, однако существующего опыта недостаточно для окончательных выводов. Он прорабатывался в целях решения проблемы радиационного распухания и ползучести и был принят в проектах FFTF и CRBRP.



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