В первых высокотемпературных реакторах, как и во многих других, предусматривались стержневые твэлы, регулярно расположенные в активной зоне. Такие твэлы были установлены в опытных реакторах «Драгон» и «Пич-Боттом». Более прогрессивным направлением явилось применение для энергетических реакторов твэлов блочного или призматического типа.
Твэлы реактора «Драгон».
В противоположность реакторам AVR и «Пич-Боттом» «Драгон» — чисто опытный реактор, не предназначенный для производства электроэнергии. Его главная задача — проведение экспериментов с топливом и твэлами реакторов HTR. В реакторе «Драгон» семь твэлов гексагонального сечения объединены в одну топливную сборку. Активная зона набрана из 37 таких сборок, которые снаружи окружены графитовыми блоками бокового отражателя.
Каждый твэл состоит из шестигранной графитовой трубы, на всех наружных поверхностях которой имеются продольные ребра для исключения контакта твэлов между собой и создания зазоров, по которым при работе реактора циркулирует охлаждающий газ. В центре шестигранной трубы находится графитовый стержень, на который нанизано 30 кольцевых втулок с топливом. Втулки изготовлены из графита, спрессованного совместно с микротвэлами и термообработанного при температуре 1800° С. Длина твэла с топливом составляет около 160 см. Эквивалентный диаметр активной зоны равен 107 см. В качестве отражателя сверху и снизу от активной части топливной сборки установлен чистый графит. Суммарная длина сборки 2,5 м.
При первой загрузке реактора «Драгон» предполагался относительно большой выход продуктов деления. Поэтому топливные втулки каждого твэла обдуваются (вентилируются) гелием, поток которого объединяется снизу твэлов и направляется в фильтр с активированным углем еще до того, как он поступит в систему газовой очистки. Расход продувочного газа на одну топливную сборку составляет 3-10-6 общей массы потока теплоносителя, или 0,03 г гелия в секунду.
В качестве топлива используется обогащенный до 93% уран. Суммарная загрузка 235U равна 14±0,7 кг. Ввиду небольших размеров активной зоны реактора она выполнена из двух зон. Торий в смеси с высокообогащенным ураном расположен в 10 топливных сборках внутренней зоны. Соотношение концентрации ядер Th и 235U в этой зоне равно (10±0,5):1.
Таблица 4.3
Характеристики покрытий микротвэлов из смеси карбидов урана и циркония для первой загрузки реактора «Драгон» [18]
Остальные 27 топливных сборок образуют так называемую запальную зону. В качестве топлива для запальной зоны первой загрузки использовался карбид урана, который был разбавлен карбидом циркония для того, чтобы снизить выгорание на единицу объема. Выбор циркония объясняется его низким сечением захвата нейтронов (если, правда, в нем малы примеси гафния) и тем, что в смеси с ураном он образует стойкие карбиды. Соотношение концентраций ядер Zr и 235U составляет (8±0,4) : 1. Оболочкой микротвэлов служило двойное покрытие с ламинарной структурой, разделенное промежуточным слоем тонкополосовой структуры толщиной около 2 мкм. В табл. 4.3 для примера приведены толщины отдельных слоев покрытий микротвэлов, а также температурный и временной режимы процесса покрытия. Во внутренней зоне использовались микротвэлы из дикарбида тория и урана. Микротвэлы имели многослойное покрытие. Между двумя слоями пироуглерода расположен слой карбида кремния.
Оба вида микротвэлов первой загрузки реактора «Драгон» были изготовлены методами порошковой металлургии. Они имели относительно большую пористость (≈30%), предназначенную для газообразных продуктов деления. В запальной зоне часть объема, занимаемая микротвэлами, составляла около 12% суммарного объема, а в центральной зоне около 24%.
Как уже упоминалось, в первой загрузке ожидался большой выход продуктов деления из топлива. Для снижения активности газового теплоносителя наряду с системой продувки твэлов при изготовлении труб применялись также специальные сорта графита, обладающие весьма малой проницаемостью (в 103 раз меньше, чем у обычных сортов графита). Проницаемость графита может быть понижена в 105 и даже в 10е раз, если после пропитки фурфурольным спиртом подвергнуть графит термообработке при 2000° С.
Успехи технологии микротвэлов позволили упростить систему газовой продувки твэлов во второй загрузке реактора «Драгон». В этой загрузке торий был распределен равномерно по всей активной зоне, причем он содержался только в центральном твэле топливной сборки. Циркуляция продувочного газа была сохранена также только в центральном твэле [19]. В запальных микротвэлах для разбавления обогащенного урана вместо циркония использовался углерод, что создавало более благоприятный баланс нейтронов. Соотношение концентраций ядер урана и углерода равно 1 : 11, причем уран использовался в виде дикарбида. В связи с высоким содержанием углерода такой топливный сердечник обозначается UC-10. Сердечник изготавливался методами порошковой металлургии и имел большую пористость. Для покрытия сердечника служили слои из PyC-SiC-PyC, частично обладающие изотропной структурой.
Микротвэлы с торием не отличались от первой загрузки. При второй загрузке было исследовано несколько новых микротвэлов. Изготовление топливных втулок также было улучшено.
Опыт эксплуатации реактора «Драгон» показал, что большая часть продуктов деления выходит наружу из микротвэлов, которые имеют механические повреждения покрытий. Для того чтобы уменьшить разрушение микротвэлов в процессе прессования топливных втулок, было предусмотрено дополнительное покрытие: частицы еще до начала прессования топливных втулок покрывались матричным графитом. Дополнительное покрытие уменьшает действие пиковых усилий в точках контакта между микротвэлами и способствует одновременному и равномерному их распределению в объеме топливной втулки.
Рис. 4.15. Твэл реактора «Пич-Боттом»:
1 — нижний отражатель; 2 — верхний отражатель; 3 — топливная втулка; 4 — графитовая гильза; 5 — внутренний адсорбер для продуктов деления.
Специфические особенности других загрузок реактора «Драгон» в литературе не освещены. Рассмотрены лишь наиболее важные результаты исследования структуры микротвэлов на этом реакторе и заимствованные из других источников. Показаны преимущества изотропных покрытий микротвэлов. Можно предположить, что в будущем для реакторов HTR будут использоваться микротвэлы только с изотропными покрытиями.
Твэлы реактора «Пич-Боттом»
Твэлы реактора «Пич-Боттом» имеют форму вытянутого цилиндра диаметром 8,8 см и длиной 3,6 м (рис. 4.15). Концевые детали твэла выполнены из графита и образуют верхний и нижний отражатели. Верхняя часть твэла выполнена так, чтобы обеспечить его азимутальное ориентирование, захват и транспортировку. В средней части твэла расположено топливо в виде ряда кольцевых топливных втулок (см. рис. 4.15). Каждая втулка высотой 3,7 см и диаметром 6,9 см. Делящийся и воспроизводящийся материал распределен равномерно в матрице из графита. Топливо для реактора «Пич-Боттом» разработано в относительно ранний период развития технологии микротвэлов, поэтому частицы имеют только однослойное покрытие. Топливо в твэле занимает по длине около 2,5 м.
Рис. 4.16. Твэл реактора «Форт-Сент-Врейн» [20]:
1 — центрирующий выступ; 2 — канал для охлаждающего газа; 3 — топливо: 4 — центральное отверстие для перегрузки.
Топливные втулки находятся в графитовой гильзе с небольшой газовой проницаемостью. Часть газового потока теплоносителя направляется сверху вниз через твэлы для отвода продуктов деления, проникающих через покрытия микротвэлов и продиффундировавших через графитовую матрицу. Большая часть продуктов деления сразу же задерживается в адсорбере, расположенном в нижней части твэла. Адсорбер состоит из гранулированного угля с серебряным покрытием. Через него в первую очередь проходят такие продукты деления, как криптон, ксенон, а также различные иодиды и бромиды, которые высаживаются во внешних ловушках.
Твэлы реактора «Форт-Сент-Врейн».
Концепция топлива реактора «Форт-Сент-Врейн» существенно изменена. Здесь отдельный твэл выполнен в виде шестигранной призмы высотой 77 см и размером под ключ 35 см. Такая призма из графита пронизана многочисленными отверстиями для размещения топлива и прохода охлаждающего газа (рис. 4.16). Центрирующие выступы призм позволяют собирать их в отдельные колонны. В центре призмы проходит вертикальное отверстие, необходимое для машинной перегрузки твэлов. Микротвэлы имеют двойное покрытие (так называемый дуплекс). Внутренний пористый буферный слой окружен твердым изотропным покрытием.
Рис. 4.17. Шаровые твэлы (см. [1, гл. 2]):
а — твэл реактора AVR (первая загрузка); б — прессованный твэл реактора THTR:
1 — резьбовая пробка; 2 — графитовая оболочка; 3 — графитовая с матрица; 4 — наружная эона без топлива; 5 — делящийся и воспроизводящий материал.
