§ 3.2. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКИ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ВТГР
Влияние конструкции ВТГР на физические параметры активной зоны проиллюстрируем на примере нескольких возможных вариантов ВТГР с шаровыми твэлами. За основной вариант примем реактор ΒΊΤΡ-500, активная зона которого представляет собой графитовую кладку с системой вертикальных каналов диаметром 75 мм, расположенных по треугольной сетке с шагом 95 мм. Шаровые твэлы диаметром 60 мм пропускаются через реактор снизу вверх. В этом же направлении проходит поток охлаждающего твэлы гелия [22]. Цилиндрическая активная зона с размерами dxh≈5x5 м имеет конусообразную верхнюю торцевую поверхность, по которой выгоревшие твэлы скатываются в разгрузочные устройства реактора. В реакторе достигается высокая глубина выгорания топлива, благодаря одноразовому прохождению твэлов через активную зону с охлаждением их попутным потоком гелия. Активная зона окружена боковым графитовым отражателем. Верхний торцевой отражатель при пропускании твэлов через реактор снизу вверх практически не нужен, так как в режиме установившихся перегрузок эффективная добавка к выгоревшему топливу слабо влияет на реактивность и распределение энерговыделения по высоте. Роль нижнего торцевого отражателя, состоящего главным образом из стальной опорной плиты, в данном случае — двойная. С одной стороны, в нем происходит заметное поглощение нейтронов, нежелательное с точки зрения их экономии, с другой — распределение энерговыделения с точки зрения теплосъема оказывается близким к оптимальному, поскольку в этом случае поток нейтронов на входе в активную зону меньше по сравнению с типичным для ВТГР с шаровыми твэлами случаем, когда на входе в активную зону расположен графитовый отражатель и поток тепловых нейтронов чрезмерно велик.
Регулирующие стержни с графитовым несущим штоком и с борно-графитовыми поглощающими втулками опускаются сверху в часть каналов активной зоны, освобожденных от твэлов. Стержни в количестве (40-60) шт. могут быть размещены в активной зоне равномерно по треугольной сетке с шагом ~ (600-900) мм.
Система загрузки реактора ВТГР-500 обеспечивает большую, чем в реакторах с шаровой засыпкой, определенность движения твэлов. Это позволяет легко создавать необходимые начальные и переходные от начального состояния к установившемуся режиму ансамбли из топливных и поглощающих шаров с возможностью контроля положения каждого шара в активной зоне. Конструкция допускает также регулирование скорости перемещения твэлов в различных топливных каналах.
Взаимное влияние физических, конструкционных и эксплуатационных особенностей установок можно проследить при сравнении возможных конструкций реактора ВТГР-500 с графитовой кладкой и загрузкой твэлов снизу (или сверху), а также вариантов с модульной или кольцевой активными зонами.
Вариант с нижней загрузкой твэлов обладает наилучшими возможностями для управления топливом в начальном, переходном и установившемся режимах работы реактора. Недостаток данного варианта при работе в установившемся режиме — низкая дифференциальная эффективность регуляторов в начальный момент их введения в область выгоревшего топлива. Этот эффект отсутствует в случае верхней загрузки твэлов, при этом стержни регулирования и теплоноситель также поступают в активную зону сверху. Верхний торцевой отражатель в данном случае заметно влияет на реактивность и распределение энерговыделения. Однако в варианте с верхней загрузкой усложняется конструкция трактов движения твэлов и теплоносителя, а также сужаются возможности профилирования энерговыделения и управления топливом ввиду сложности конструкции, обеспечивающей выгрузку твэлов из индивидуальных каналов, поэтому в целом более предпочтителен основной вариант реактора ВТГР-500 с нижней загрузкой твэлов.
Рассмотрим вариант ВТГР-500 с засыпкой шаровых твэлов в активную зону. В этом случае положение отдельных твэлов или поглощающих элементов недостаточно определенно. Поскольку в процессе развития ВТГР намечается создание ряда реакторов с различными мощностями, экспериментальное изучение траекторий твэлов в реакторах с шаровой засыпкой целесообразно осуществить на отдельном модуле достаточно большой мощности, например 100 МВт (тепл.). Таким образом, разумный диапазон тепловых мощностей ВТГР для энерготехнологических целей, равный ~ (500-3000) МВт (тепл.), может быть охвачен сравнительно небольшим (7—37) числом модулей одинакового геометрического размера, образующих активные зоны с межмодульным расположением регулирующих стержней [90].
Семимодульный вариант реактора ВТГР-500 тепловой мощностью 500 МВт показан на рис. 3.1. Модульность облегчает проектирование и создание реакторов подобного типа различной мощности. В отличие от наиболее распространенной однополосной зоны, в данном варианте возможно и допустимо воздействие на реактивность без ввода стержней в засыпку твэлов.
Рис. 3.1. Поперечный разрез модульного реактора (1/12 часть):
О — отверстие 0 7 см; ●— поглощающий стержень 0 7 см; □—графит; заштрихованы модули 0 185 см с засыпкой шаровых твэлов; цифрами показан средний поток тепловых нейтронов в зонах, отн. ед.
Каждый модуль имеет вытянутую цилиндрическую форму с диаметром ~2 м и высотой ~5 м, что благоприятно для снижения радиальной неравномерности скоростей твэлов.
Однополостные активные зоны с засыпкой шаровых твэлов, принятые в ряде отечественных и зарубежных проектируемых и экспериментальных ВТГР — в реакторах THTR, AVR в ФРГ [12], в проектах реакторов ВГ-400 и ВГР-50 [21] и др., имеют в некоторых случаях определенные трудности, связанные с вводом поглощающих стержней в засыпку шаровых твэлов, а также с увеличением отношения скоростей периферийных и центральных твэлов при росте диаметра активных зон. Трудности ввода стержней определяются эффектами уплотнения и перемешивания шаровой засыпки при последовательных введениях стержней, что особенно существенно при использовании принципа ОПАЗ. В ВТГР с многократным прохождением твэлов требуется введение средств контроля их целостности и определения глубины выгорания, а также создание устройств для подъема твэлов от выпускных отверстий до верхнего раздаточного устройства. Ввиду большей, чем в случае ОПАЗ, близости распределения энерговыделения по высоте к косинусоидальной форме при многократном прохождении твэлов через активную зону сложнее достичь максимальных выходных температур гелия.
Кольцевой вариант активной зоны реактора ΒΤГΡ-500 с засыпкой шаровых твэлов (рис. 3.2)—это разновидность модульного варианта, в которой реализованы те же идеи, а именно: за счет выбора числа загрузочно-разгрузочных трактов в пределах кольца получается несколько участков («модулей») активной зоны с примерно одинаковыми траекториями перемещения шаровых твэлов и ввод регуляторов осуществляется не в засыпку твэлов, а, например, в графитовые трубы, являющиеся перегородками между кольцевыми областями [90]. Ряд реакторов с различными мощностями может быть создан за счет выбора числа кольцевых зон. Поскольку условие примерной идентичности траекторий движения шаровых твэлов в отдельных «модулях» наиболее легко выполнить при постоянном радиальном размере кольцевых зон, физическое профилирование в этом реакторе осуществляется с большими ограничениями, чем в реакторах с графитовой кладкой, и требует применения специальных мер.
Рис. 3.2. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы ВТГР с кольцевыми зонами:
1— Не; 2, 4, 6— С; 3, 5 — засыпка шаровых твэлов ( Рu=0,346 г/см3 во всех зонах; Хв = 6,5% в зонах 3 и Xs=10% в зоне 5)
Одна из возможностей профилирования радиального распределения энерговыделения как в кольцевом, так и в модульном вариантах — ступенчатое профилирование, получаемое за счет различной высоты засыпки твэлов в кольцах или радиальных слоях модулей, компонуемых, например, по треугольной сетке. В модульных реакторах различной мощности траектории твэлов в каждом из модулей идентичны, тогда как в кольцевых реакторах они определены менее четко. Однако в модульных реакторах профилирование энерговыделения в плоскости поперечного сечения активной зоны дополнительно осложняется азимутальной неравномерностью потоков тепловых нейтронов.
Общий недостаток любых засыпных активных зон — сложность профилирования энерговыделения, формирования начальных загрузок и осуществления переходного периода работы от начального состояния к режиму установившихся непрерывных перегрузок.
В США и в ряде других стран принята блочная конструкция активных зон ВТГР, составляемых из гексагональных графитовых призм с системой отверстий небольшого диаметра, располагаемых в призмах по правильной треугольной сетке. Отверстия через одно заполняются стержневыми графитовыми твэлами с диспергированными в них микротвэлами или служат для пропускания гелиевого теплоносителя. Размещение топлива в данном реакторе четко определено, так же как и в основном варианте реактора ВТГР-500, рассмотренном ранее. Однако перегрузки топлива в. блочных ВТГР могут быть только полными или частичными и производятся в остановленном реакторе. Отсутствие возможности непрерывного перемещения топлива по мере его выгорания не позволяет организовать перегрузку по принципу ОПАЗ. Приблизиться к оптимальной для ВТГР форме распределения энерговыделения по высоте в данном типе реактора можно лишь за счет начального профилирования по высоте с помощью различной концентрации топлива в нескольких зонах, расположенных по высоте блочных твэлов. Подобное профилирование приводит к различной глубине выгорания топлива в микротвэлах и связано с необходимостью расширения номенклатуры используемых твэлов.
Таким образом, концепция ВТГР с графитовой кладкой и шаровыми твэлами объединяет преимущества по физике активной зоны ВТГР с гексагональными блоками и с засыпкой шаровых твэлов в полости и в то же время лишена их основных недостатков. Данный реактор с нижней загрузкой твэлов будет использован далее как пример, иллюстрирующий физические особенности ВТГР.
