§ 4.2. ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ (ТВЭЛЫ)
Концепции твэлов для высокотемпературных реакторов
Относительно конструкции самой активной зоны, формы и расположения в ней твэлов в настоящее время имеются две различные точки зрения. В реакторе «Драгон» и американских реакторах HTR используются стержневые или призматические твэлы. Такая активная зона состоит из регулярно расположенных твэлов с регулярно расположенными в них охлаждающими каналами. На рис. 4.7 показана активная зона реактора «Пич-Боттом», которая собрана из 804 цилиндрических твэлов. Эта концепция хорошо согласуется с возможностями современной реакторной техники. Вместе с тем в такой зоне из-за действия высоких температур необходимо устанавливать очень точные допуски на изготовление, чтобы избежать контакта и слипания твэлов. Кроме того, АЭС с такими реакторами должны периодически останавливаться для перегрузки или перестановки твэлов, что, очевидно, нельзя произвести очень быстро, так как перегрузочные машины — сложные устройства и не приспособлены для работы при высоких температурах. Соответствующим планированием остановок реактора и совмещением перегрузок со сроками проведения необходимого ремонта и инспектирования турбин и другого оборудования можно частично уменьшить этот недостаток. Тем не менее концепцию использования призматических твэлов связывают с меньшей готовностью АЭС именно в связи с невозможностью реализовать процесс перегрузки твэлов на работающем реакторе. Это в конце концов приводит к повышению стоимости электроэнергии. Наконец, в таких твэлах не удается снизить неравномерность выгорания топлива.
Вторая концепция, развиваемая вначале в США, затем в ФРГ и через некоторое время также в Австралии, состоит в применении шаровых твэлов, заполняющих активную зону в виде нерегулярной свободной засыпки. Реактор такого типа называется «засыпной реактор с шаровыми твэлами».
В создаваемых в ФРГ таких реакторах используются твэлы диаметром 6 см. Их количество зависит от мощности реактора и составляет многие сотни тысяч.
Рис. 4.7. Активная зона реактора «Пич-Боттом»:
1 — активная зона; 2 — выход охлаждающего газа; 3 — вход охлаждающего газа; 4 — устройство для перегрузки твэлов; 5 — бетонный корпус; 6 — направляющие трубы стержней регулирования.
Отличительная особенность такой концепции состоит в том, что засыпка твэлов допускает непрерывную перегрузку при работе реактора. Через разгрузочную трубу в коническом днище активной зоны (при большом количестве твэлов предусматривается несколько выходов) часть твэлов можно вывести из реактора и подвергнуть исследованиям на механические и ядерные свойства. Особенно важно исследовать их механическую целостность. Если хотя бы один из твэлов будет иметь дефект, то его можно вывести из работы.
Из ядерных свойств наибольший интерес представляет выгорание; по результатам измерения выгорания можно судить, оставлять ли данный твэл для последующей работы или его следует выгрузить и заменить свежим. В первом случае он поступает в подъемник и по загрузочным трубам с помощью пневматики возвращается в активную зону, при этом имеется возможность вводить твэлы в различные по радиусу и высоте области активной зоны. С помощью такого способа перегрузки твэлов можно создавать многозонные конфигурации активной зоны.
Если же твэл полностью выгорел, то его подают в сборник использованных твэлов. Свежие твэлы поступают в так называемый контур циркуляции твэлов через шлюзовую камеру. Такой контур засыпного реактора с шаровыми твэлами схематически показан на рис. 4.8.
Для того чтобы реализовать на практике рассмотренную концепцию, проведены обширные исследования по механике засыпки из шаров. Было установлено, что статистически конфигурация засыпки из шаров очень хорошо воспроизводится как в целом по объему, так и в отдельных его частях. Объем, занимаемый конечным количеством шаров в определенном сосуде, при циркуляции всегда постоянен, т. е. практически средний коэффициент заполнения объема не изменяется. Это касается также и любой локальной области активной зоны. Среднее число точек контакта твэла с соседними твэлами составляет примерно 8 (с небольшим разбросом). Флуктуаций реактивности в целом по активной зоне не наблюдается, что хорошо демонстрируется опытом эксплуатации реактора AVR и подтверждается рядом модельных исследований.
В модельных экспериментах хорошо воспроизводятся также условия «течения» шаров. Например, несущественно отличается полное время прохождения отдельным шаром всей активной зоны при загрузке его в одно и то же место на поверхности засыпки.
Рис. 4.8. Схема циркуляции твэлов в реакторе с засыпкой активной зоны шаровыми твэлами:
1 — активная зона; 2 — устройство подачи твэлов; 3 — накопитель; 4 — шаговый разделитель твэлов; 5 — промежуточные штреки; 6 — емкость для поврежденных твэлов; 7 — устройство для исследования твэлов и измерения выгорания; 8 — вычислительное устройство для управления процессом перегрузки; 9 — направляющее приспособление; 10 — подъемник твэлов; 11 — устройство для вывода твэлов из контура.
Соответственно траектории движения отдельных шаров мало отличаются от некоторой средней траектории. На рис. 4.9 показаны траектории стеклянных шаpoв, полученные на модели активной зоны. Заполнение объема сосуда специальной жидкостью с таким же коэффициентом преломления, как у стекла, позволило получить оптически гомогенную систему, моделирующую в масштабе 1 : 10 активную зону реактора THTR-300 во всех трех измерениях [13].
Рис. 4.9. Траектории твэлов, исследованные в трехмерной модели активной зоны засыпного реактора с шаровыми твэлами [14].
Из рис. 4.9 видно, что траектории шаров проходят вначале строго вертикально и только внизу искривляются в направлении оси зоны [14]. В двухзонной активной зоне траектории шаров несколько различаются соответственно для внутренней и наружной областей активной зоны, которые схематически изображены на рис. 4.10. Поверхность шаровой засыпки имеет вид ряда насыпных конусов. При большом числе этих конусов граница между центральной и периферийной областями имеет форму, близкую к окружности, диаметр которой зависит только от условий загрузки этих двух областей. На рис. 4.11 на примере реактора THTR-300 показано, какое количество твэлов (в процентах от общей загрузки) может быть размещено в центральной зоне в зависимости от ее радиуса [15].
Рис. 4.10. Двухзонная конфигурация и структура поверхности активной зоны засыпного реактора:
1 — трубы для загрузки твэлов; 2 — центральная зона; 3 — отражатель; 4 — периферийная зона.
Рис. 4.11. Зависимость доли шаровых твэлов центральной зоны β от радиуса центральной зоны rG в реакторе THTR-300 [15].
На рис. 4.12 изображены линии, характеризующие положение некоторого произвольного слоя шаров в разные моменты времени, полученные на основе модельных исследований активной зоны реактора THTR-800. Видно, что в центре реактора твэлы проходят активную зону быстрее, чем около ее границы. Движение твэлов происходит столь медленно, что можно уверенно говорить о квазистатической активной зоне. Для прохождения активной зоны реактора THTR-300 каждому отдельному шару, например, требуется в среднем около полугода, при этом скорость твэлов сильно зависит от места их расположения в зоне. Это хорошо видно из диаграммы рис. 4.13, где приведены кривые одинаковых вертикальных скоростей шаровых твэлов реактора THTR-300; скорость дана в сантиметрах в час при средней перегрузке 160 шаров в час.
Рис. 4.12. Перемещение слоя шаров при движении в активной зоне реактора THTR-300 [15].
Рис. 4.13. Кривые одинаковых вертикальных скоростей шаровых твэлов в активной зоне реактора THTR-300 [15].
Из рис. 4.13 видно, что скорость твэлов в верхней цилиндрической области активной зоны приблизительно постоянна, но вблизи места выгрузки сильно увеличивается. В районе сочленения цилиндрической стенки с коническим днищем она уменьшается. Однако во всей активной зоне нет таких областей, в которых шаровая засыпка находилась бы в состоянии покоя, т. е. застойных зон не существует [16]. Известным недостатком засыпной концепции, без сомнения, является то обстоятельство, что в реакторной технике еще нет аналога подобной системы. Поэтому вначале можно ожидать ряда трудностей (например, возможных сильных всплесков реактивности). Необходимо еще будет реализовать имеющиеся обширные исследовательские программы, направленные на решение специфических особенностей нового направления в реакторостроении. Можно предположить, что другая трудность будет связана с повышением перепада давления теплоносителя в активной зоне и большими затратами мощности на привод газодувок по сравнению с реакторами со стержневыми твэлами и регулярной решеткой. Однако этому противопоставляется хорошая турбулентность движения газового теплоносителя в засыпке шаровых твэлов, которая должна обеспечить лучшую теплопередачу при относительно меньших скоростях газового теплоносителя, чем в реакторах со стержневыми твэлами. В итоге можно ожидать, что затраты мощности на газодувки в обоих случаях, очевидно, будут почти одинаковыми.
Следует подчеркнуть, что в засыпке из шаровых твэлов в отличие от активных зон со стержневыми твэлами практически отсутствует зависимость теплопередачи к газу от выгорания твэлов. Нагрев же теплоносителя в каналах со стержневыми твэлами реактора может быть значительно больше для свежих твэлов, чем для выгоревших.
Успешная эксплуатация реактора AVR доказала, что засыпная концепция не имеет никаких достаточно серьезных дополнительных трудностей, напротив, она характеризуется только рядом положительных факторов.
Основанная на идее многочисленных небольших и мобильных твэлов засыпная активная зона позволяет соединить все преимущества гомогенного реактора с преимуществами гетерогенных систем. Каждый шаровой твэл содержит в небольшом объеме чрезвычайно малую часть общей загрузки топлива, и выгорание внутри этого твэла будет более равномерным. При многократном прохождении твэлами активной зоны (в реакторе THTR-300 каждый твэл проходит активную зону по различным траекториям не менее шести раз) периодическим контролем можно будет добиться практически одинакового выгорания всех выгружаемых твэлов. Экономия горючего достигается также тем, что не требуется избыточная загрузка зоны для создания запаса реактивности на выгорание. Это одновременно способствует повышению ядерной безопасности системы, так как в нее не вводится дополнительная реактивность.
Важным аргументом в пользу засыпного реактора представляются очень простые способы обращения с шаровыми твэлами в процессе эксплуатации. В любой момент времени при полной нагрузке можно изменить состав активной зоны. Существенное для всех высокотемпературных реакторов требование большой гибкости топливного цикла в засыпном реакторе может быть реализовано наиболее просто. Полное изменение состава активной зоны с целью перехода на другой топливный цикл можно осуществить даже без остановки реактора, а транспортировка мелких твэлов вне реактора достаточно проста.
Благодаря непрерывному перемещению засыпки твэлов достигается минимальное коррозионное воздействие на них агрессивных примесей теплоносителя. Каждый твэл находится в области наибольших температур весьма незначительное время. Эта область вследствие направленного вниз потока теплоносителя располагается в нижней центральной части активной зоны, где также наблюдается наибольшая скорость перемещения твэлов. Из рис. 4.14, где приведено распределение твэлов по температуре топлива, видно, что только 0,2% всех твэлов имеют температуру топлива более 1000° С [17]. Из-за небольших размеров твэлов и гомогенного распределения топлива температурные перепады и, следовательно, термические напряжения в твэлах незначительны. Твэлы просты по конструкции, дешевы в изготовлении, и при больших партиях отдельные дефекты твэлов не имеют большого значения.
Активная зона чрезвычайно проста. Спекание твэлов в ней невозможно, поэтому к ним не предъявляется особых требований на стабильность формы и точность изготовления.
Другое важное преимущество засыпной концепции — возможность использования твэлов такого же диаметра, начиная с первого опытного реактора и далее. Что касается работоспособности твэлов, то опыт эксплуатации реактора AVR может быть непосредственно распространен и на последующие засыпные реакторы. В реакторе AVR всесторонне изучено поведение под облучением многих тысяч шаровых твэлов.
Рис. 4.14. Доля микротвэлов в активной зоне реактора THTR-300, имеющих температуру выше То [17].
Благодаря малым размерам шаровых твэлов одновременно многие такие твэлы можно исследовать на радиационное воздействие и в других реакторах. При этом в связи с инвариантностью формы и размеров твэлов для проведения облучений можно широко использовать одни и те же устройства. Напротив, для твэлов, предназначенных для других реакторов, нельзя получить столь точные данные о поведении под облучением без ввода в эксплуатацию крупных прототипных реакторов.
