ГЛАВА 5
ЗАГРУЗКА ТВЭЛОВ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА
Для манипуляции с твэлами в активной зоне и вне ее предназначена загрузочная машина. На реакторах со стержневыми твэлами такая машина находится над реактором и представляет собой сложное устройство, которое работает при высоких температурах и управляется дистанционно.
Для примера рассмотрим загрузочную машину реактора «Пич-Боттом». Она состоит из нескольких отдельных устройств: транспортера твэлов, загрузочной машины, упаковочной машины, а также различных вспомогательных приспособлений и контролирующих систем. Транспортное устройство может извлечь твэл из активной зоны через один из двух разгрузочных шлюзов. Верхний конец твэла выполнен таким образом, чтобы он мог захватываться специальным захватом. Загрузочная машина извлекает твэлы из зоны наверх. Выгоревшие твэлы помещаются в контейнер, который затем заваривается.
Транспортное устройство может эксплуатироваться до температур не выше 230° С и при работе реактора должно быть удалено из его корпуса. Поэтому загрузка и выгрузка твэлов могут производиться только при остановке реактора и не могут осуществляться на ходу. Это относится также и к реактору «Форт-Сент-Врейн» мощностью 330 МВт(эл).
В реакторе с засыпной активной зоной перегрузку шаровых твэлов можно производить непрерывно при работе реактора на полной мощности. Все перегрузочное устройство расположено вне активной зоны, в основном вне бетонного корпуса.
Перегрузочное устройство на реакторе с засыпной активной зоной выполняет следующие операции:
выгрузку твэлов из активной зоны;
сортировку твэлов;
исследование механической прочности твэлов и их отбраковку;
контроль выгорания;
разделение шаров на твэлы, шары с бором, графитовые шары и т. д.;
загрузку активной зоны твэлами;
удаление выгоревших твэлов;
добавку новых твэлов в контур циркуляции топлива.
Таким образом, перегрузочное устройство является весьма сложной установкой с многочисленными функциями (рис. 5. 1). Транспортировка шаровых твэлов осуществляется при движении вниз под действием силы тяжести и при движении вверх — пневматически с помощью гелия, применяемого в первом контуре.
Помещение, откуда ведется догрузка твэлов, может быть выполнено без особых требований по безопасности. Отсюда твэлы через наружный и буферный штреки поступают к шлюзовой системе, которая обеспечивает разделение гелиевой среды реактора от наружной атмосферы.
По следующему буферному штреку в загрузочном помещении твэлы поступают к установке для измерения выгорания. Наконец, с помощью подъемного устройства твэлы поступают через загрузочные трубы в активную зону. На входе в зону находится пневматический тормоз, обеспечивающий с помощью противотока гелия как можно более мягкое падение шаров на поверхность засыпки.
Через разгрузочную трубу твэлы покидают активную зону и поступают в большую колонну. На ее конце расположен сепаратор для поштучного выведения твэлов. После соединенного с сепаратором отделителя дефектные твэлы поступают в установку для измерения выгорания. Здесь происходит разделение твэлов: одни используются для дожигания в активной зоне, другие через выходной шлюз направляются в сборник выгоревших твэлов. Управление перегрузочным устройством осуществляется с помощью управляющей машины.
Рис. 5.1. Схема перегрузочного устройства реактора THTR-300 [1]:
1 — питатель; 2 — наружный штрек; 3, 5 — буферные штреки; 4 — входной шлюз; 6 — дозировочное устройство; 7 — установка для измерений выгорания и анализа состава твэлов; 8 — газодувка газового подъемника; 9 — направляющий трубопровод для твэлов; 10 — пневматический тормоз; 11 — трубопровод возврата газа; 12 — сепараторный отделитель дефектных твэлов; 13 — сборник дефектных твэлов; 14 — выходной шлюз со штреком; 15 — накопитель и концевое устройство; 16 — сборник выгоревших твэлов.
Кроме упомянутых основных узлов перегрузочное устройство имеет целый ряд дополнительных систем: cчетные барабаны, направляющие устройства, дозаторы, сборники, уплотнительные узлы, вспомогательную арматуру и т. д.
Отдельные важнейшие узлы рассмотрены ниже несколько подробнее. Подъем твэлов происходит по 15 трубам. Три трубы присоединены к корпусу реактора в центре и 12 в районе бокового отражателя. Таким образом формируется двухзонная активная зона.
Сепарация твэлов осуществляется на конце разгрузочной трубы с помощью медленно вращающегося диска с отверстием, пропускающим только один твэл. Твэлы отбраковываются в отделителе дефектных твэлов, принцип работы которого очень простой и заключается в том, что твэл должен скатиться вниз по двум направляющим. Твэл диаметром, меньшим ширины между направляющими желоба, проваливается, а остальные достигают его конца. Желоба ведут к шнеку, вращающемуся совместно с разделительным диском. Поворотные лопатки шнека служат для того, чтобы твэлы все время занимали новые положения по отношению к желобам. Для такого сложного перегрузочного устройства важно обеспечить его надежность. Это достигается резервированием наиболее ответственных систем, в том числе отделителя дефектных твэлов [1].
Большой интерес представляет установка для измерения выгорания. Для этого могут быть использованы различные принципы. Например, в реакторе AVR измерение выгорания проводится путем облучения каждого твэла в потоке тепловых нейтронов. Определяется ослабление интенсивности потока нейтронов, вызванное их поглощением в делящемся веществе, что и характеризует степень выгорания [2].
Другой метод измерения выгорания — γ-спектроскопия твэлов. В этом случае измеряют интенсивность излучения долгоживущих продуктов деления и определяют количество выгоревшего урана. Обычно измеряют интенсивность излучения 137Cs при энергии 662 кэВ [3]. С помощью полупроводникового детектора можно получить достаточное разрешение (1 кэВ и меньше). Такая методика требует относительно больших затрат времени для производства измерений. Поэтому при этом способе измерений достаточно большое количество твэлов находится вне реактора: в промежуточном питателе между активной зоной и установкой для измерения выгорания.
Имеется другой способ измерения выгорания — спектроскопия вторичных (дочерних) короткоживущих продуктов деления твэлов при определенных условиях облучения [4]. Интенсивность такого γ-излучения пропорциональна потоку нейтронов, времени облучения и загрузке делящихся материалов. Используемые для подобных измерений продукты деления должны быть короткоживущими, чтобы их радиоактивность успела снизиться при измерении выгорания. Время активации, а также продолжительность измерения должны быть очень небольшими и составлять менее 1 с.
Твэлы, в особенности шаровые, удобно транспортировать пневмопочтой.
Для описанного метода измерения выгорания наибольшее значение имеют затраты на повторное облучение, один из способов которого заключается в повторном пропускании твэлов через активную зону в специальном канале, другой — в использовании нейтронного генератора.
Специфика проблемы измерения выгорания шаровых твэлов в мощном засыпном реакторе состоит в большой частоте смены твэлов и, следовательно, в малом времени для проведения замеров. В реакторе THTR-300 за час перегружаются 500 твэлов, т. е. время измерения выгорания одного твэла составляет около 7 с. Применяемый на реакторе AVR способ измерения выгорания в нескольких параллельных каналах для засыпного реактора не подходит. Для реактора THTR-300 Рауш с сотр. разработал новый способ измерения выгорания твэлов [5]. В качестве измерительного устройства предлагается использовать критическую сборку или реактор мощностью до 100 Вт. Если в такой реактор вводится реактивность р*, то плотность потока нейтронов во времени t изменяется следующим образом [6]:
(5.1)
где Ф — плотность потока нейтронов после введения образца; Ф0 — плотность потока нейтронов до введения образца; β — доля запаздывающих нейтронов; lv — среднее время жизни запаздывающих нейтронов; lр — среднее время жизни мгновенных нейтронов.
* Под реактивностью р понимается отклонение эффективного коэффициента размножения нейтронов Кэф от значения Кэф = 1,т. е.
На рис. 5. 2 схематически показано изменение плотности потока нейтронов при введении в реактор образца, учитывающее влияние обоих членов уравнения (5. 1). При постоянной времени около 10-2 с показание прибора пропорционально измеряемому вкладу реактивности.
Рис. 5.2. Схематическое изменение во времени плотности потока нейтронов при увеличении реактивности реактора [5].
Одновременно смещается нулевая точка с гораздо большей (на один или несколько порядков) постоянной времени, которая обратно пропорциональна р. Измерение этого смещения, т. е. установившегося периода реактора, требует значительного времени, поэтому такой способ неприемлем для решения поставленной задачи. В качестве измеряемой величины можно принять мгновенное изменение мощности. Например, в известном осциллятор- ном методе осуществляются периодические колебания образца около критического состояния реактора и при этом измеряется передаточная функция. Однако такой метод также непригоден в связи с большими затратами времени на измерения.
Принцип измерения выгорания шаровых твэлов засыпного реактора основан на однократном прохождении каждого твэла с постоянной скоростью через измерительный реактор. На рис. 5. 3 приведены типичные функции влияния образцов. При прохождении поглотителя влияние на мощность и поток нейтронов реактора отрицательно и тем больше, чем выше плотность потока нейтронов в измерительном канале. Для такого рассеивающего образца, как графит, изменение потока нейтронов в реакторе имеет два максимума вблизи отражателя, где образец графита существенно снижает утечку нейтронов через измерительный канал. В центре же хорошо замедляющей системы влияние графитового образца очень незначительно.
Рис. 5.3. Типичное изменение плотности потока нейтронов при введении в активную зону разных образцов [5].
Рис. 5.4. Разрез реактора ADIBKA-1 для измерения выгораний твэлов [7]:
1 — твердая радиационная защита; 2 — водяная защита; 3 — свинцовая защита; 4 — измерительный канал для шаровых твэлов; 5 — активная зона; 6 — графитовый отражатель.
Если же в измерительный реактор внести образец из делящегося вещества, то это приведет к повышению плотности потока нейтронов, который будет иметь максимум в месте наибольшей плотности потока нейтронов измерительного канала. В этом случае полуширина функции влияния из-за дополнительно образующихся нейтронов больше, чем при введении поглотителя. Это очень важно для анализа измеряемого сигнала [5].
На рис. 5.4 показан разрез реактора ADIBKA-1, предназначенного для измерения выгорания твэлов описанным методом. Измеренные на этом реакторе сигналы от твэлов реактора, а также борных и графитовых элементов изображены на рис. 5. 5. Время задержки исследуемого образца в активной зоне измерительного реактора составляет около 0,2 с. Анализ измеряемых сигналов осуществляется ЭВМ, управляющей также всеми операциями перегрузочного устройства1.
Рис. 5.5. Результаты измерений на реакторе ADIBKA-1 [6] (I — ток ионизационной камеры): а — поглощающий шар; б — графитовый шар; в — твэл AVR.
Точность измерений на таком реакторе весьма высокая, несмотря на малое время измерений. Для твэлов с содержанием тяжелого металла около 10 г погрешность измерений составляет несколько миллиграмм в пересчете на 235U. Описанный способ измерений очень прост, и твэлы сами могут проходить через измерительный реактор под действием силы тяжести.
По результатам этих измерений выгорания, например в реакторе THTR-300, может быть принято одно Из следующих решений: 1) остается твэл в контуре циркуляции топлива или выводится из него; 2) в первом из этих случаев решается, в какую из двух зон активной зоны следует направить твэл.
1 В феврале 1974 г. в Уинфрите (Англия) состоялся физический пуск реактора, созданного для измерения выгорания твэлов реактора THTR-300. Проводится калибровка реактора, в ходе которой будут уточнены его функциональные характеристики. — Прим. ред.
Измерения выгорания позволяют определить, в какой из трех областей выгорания находится рассматриваемый твэл, что используется для принятия соответствующего решения.
Последующие реакторы с засыпной активной зоной будут обладать более совершенными измерительными устройствами. Они могут служить для анализа и последующего отбора твэлов с разрушенным покрытием и повышенным выходом продуктов деления. Уже небольшая часть таких поврежденных твэлов может существенно повысить активность первого контура. Поэтому очень важно их найти и удалить. Методика идентификации дефектных твэлов находится в настоящее время в стадии разработки. Проблемой здесь является достижение высокой точности.
Существенная особенность засыпной активной зоны — ее статистический характер. Как только твэл попадает через загрузочную трубу в активную зону, он теряет свою индивидуальность и исчезает в массе шаровой засыпки. Поэтому нельзя точно определить, в какой точке поверхности засыпки начнется путь твэла через активную зону, и нельзя точно знать, подходит ли данный твэл к разгрузочной трубе или находится в каком-то слое активной зоны.
Измеряя выгорание, нельзя как бы пронумеровать твэлы, но этого в общем и не требуется, поскольку достаточно статистических показателей о конкретных свойствах твэлов. Поэтому при определении выгорания в отдельных конкретных случаях допустимы относительно большие неточности. Такие измерения соответствуют статистическому характеру засыпной активной зоны с шаровыми твэлами и могут быть осуществлены относительно просто.
С помощью измерительного реактора можно, например, контролировать баланс и поток делящихся материалов. Требования по точности в этом случае относятся не к отдельному твэлу, а к потоку делящегося вещества в целом, т. е. к поведению топлива в течение длительного периода, например года [7]. Требования к точности измерения количества делящегося материала в отдельном твэле также существенно ниже требований к точности измерения общей загрузки топлива.
Измерения характеристик отдельных твэлов всегда сложнее, когда их приходится рассматривать как индивидуальные экземпляры, а не в качестве представителей большой совокупности твэлов. Это относится, в частности, к определению поврежденных твэлов с разрушенным покрытием. Здесь можно использовать то обстоятельство, что практически все дефектные твэлы обладают повышенной активностью и поэтому легко могут быть отбракованы.
Подобный подход можно распространить и на измерение выгорания. Для подтверждения гарантированных заводом-изготовителем свойств твэлов необходимо достичь максимально допустимого выгорания с наибольшей точностью. Это требование — решающее условие точности при проведении измерений выгорания твэлов.