ГЛАВА 4
ТЕПЛОГИДРАВЛИКА АКТИВНЫХ ЗОН ГАЗООХЛАЖДАЕМЫХ РЕАКТОРОВ
§ 4.1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИ ВЫБОРЕ КОНСТРУКЦИИ ТВЭЛОВ
Термодинамические показатели ЭУ в значительной степени зависят от конструкции активной зоны реактора. Определяющая роль при этом принадлежит конструктивному исполнению тепловыделяющих сборок (ТВС), твэлов и физико-механическим свойствам материалов, применяемых в условиях высоких температур и нейтронных потоков.
При разработке конструкции активной зоны важное значение имеют также вопросы технологии изготовления твэлов, особенно при их массовом производстве. Реализация в реакторных условиях достаточно высоких температур теплоносителя определяется, с одной стороны, факторами материаловедческого характера (взаимодействие конструкционных и делящихся материалов между собой, конструкционных материалов с теплоносителем, диффузией продуктов радиоактивного распада и т. д.), с другой'— теплофизическими особенностями газового теплоносителя.
Для газоохлаждаемых реакторов характерны сравнительно невысокие коэффициенты теплоотдачи, которые обусловлены в основном низкими значениями коэффициентов теплопроводности газов. Это ограничивает возможности в достижении температур теплоносителя, близких к максимально допустимым температурам твэлов, в связи с чем при проектировании реактора особое внимание уделяется интенсификации теплообмена, которая в реакторной технике достигается: соответствующим выбором формы твэлов и конструкции ТВС, применением турбулизаторов потока теплоносителя в виде дистанционаторов, оребрения оболочек твэлов, искусственной микрошероховатости, наносимой на полную поверхность твэла или его часть.
При выборе формы твэлов стремятся иметь максимально развитую поверхность в единице объема.
Стремление к достижению высокой энергонапряженности активной зоны с обеспечением термопрочностных характеристик приводит к необходимости миниатюризации твэлов, при этом повышение энергонапряженности активной зоны позволяет сократить размеры реактора в целом и тем самым облегчить изготовление корпуса, особенно для агрегатов большой единичной тепловой мощности. Однако решение указанных вопросов сопряжено с увеличением затрат мощности на прокачку теплоносителя, которые для газовых теплоносителей, обладающих низкой плотностью и относительно малой теплоемкостью, являются достаточно важным лимитирующим фактором, определяющим термодинамические показатели ЭУ; причем выбор формы твэлов, их геометрических параметров, типа интенсификаторов, обеспечивающих определенные тепловые и гидравлические характеристики, связан с затратами мощности на прокачку теплоносителя (см. гл. 2). Кроме затрат мощности на прокачку теплоносителя термодинамические характеристики газоохлаждаемого реактора ограничены такими параметрами реактора, как предельно допустимая температура оболочки твэла, температура топливного сердечника, а также допустимыми перепадами температуры в твэле и других элементах конструкции активной зоны. Причем последние совместно с предельно допустимым перепадом давления теплоносителя на активной зоне должны обеспечивать надлежащую прочность конструкции активной зоны реактора.
История разработки газоохлаждаемых реакторов богата примерами использования твэлов различных конфигураций и форм, а также типов интенсификаторов теплообмена, при этом в реакторах первого поколения (магноксовые реакторы на тепловых нейтронах с углекислым газом давлением до 2 МПа и температурой на выходе 450—500°C)] и усовершенствованных реакторах второго поколения (типа AGR) наибольшее внимание уделялось интенсификации теплообмена с помощью наружного оребрения твэлов (полигональное, винтовое, шевронное оребрение) [95, 96].
Твэлы, применяемые в современных высокотемпературных гелиевых реакторах, имеют более простую геометрическую форму, что связано со спецификой технологии изготовления их из графита. Наибольшее распространение получили четыре типа твэлов: призматические, кольцевые, пучки стержней и шаровые. На рис. 4.1 представлены различные варианты призматических твэлов, в которых топливо либо диспергировано непосредственно в графитовом замедлителе (рис. 4.1, а), либо в виде цилиндрических стержней размещается в блоке замедлителя (рис. 4.1,б) или в каналах для прохода теплоносителя (рис. 4.1,д, е). Возможна также кольцевая конструкция твэла (рис. 4.1,г). Призматические твэлы применяются в активной зоне реактора «Форт-Сент-Врейн» [76, 97] и предусмотрены в проекте бельгийского газоохлаждаемого реактора [99]. Для высокотемпературных реакторов, проектируемых в Великобритании, охлаждаемых СО2 или гелием, характерно применение кольцевых твэлов или стержневых сборок, состоящих из 19 и 36 графитовых стержней [99].
Рис. 4.1. Призматические твэлы ВТГР:
а — блочный; б — блочный стержневой; в — телескопический; г — кольцевой; д — полый стержневой; е — трехстержневой; 1 — теплоноситель; 2 — топливо; 3 — замедлитель; 4— оболочка
Типичные примеры реакторов с шаровой засыпкой активных зон —реакторы AVR и THTR (76, 97). Наряду с вариантом активной зоны засыпного типа определенный интерес может представить активная зона с шаровыми твэлами канального типа, фрагмент которой представлен на рис. 5.3. В такой активной зоне можно достичь лучшего выравнивания температур теплоносителя на выходе с помощью применения физического и гидравлического профилирования по сравнению с активной зоной засыпного типа [22]. В активных зонах канального типа варьированием отношения диаметра канала к диаметру шара можно существенно изменять пористость в диапазоне 0,33—0,67, в то время как в активных зонах реакторов типа AVR она составляет 0,39—0,45. Следует заметить, что для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов типично применение графита в качестве замедлителя и оболочки твэлов.
В газоохлаждаемых реакторах на быстрых нейтронах в основном применяются стержневые твэлы в металлической оболочке (рис. 4.2), которые в виде пучков размещены в шестигранных кассетах [100, 101]. Этот тип твэла характерен и для реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. Для сокращения времени удвоения топлива в реакторах на быстрых нейтронах стремятся к максимально возможному увеличению энергонапряженности активной зоны. Вместе с тем, для экономичной выработки электроэнергии в установках с реакторами на быстрых нейтронах термодинамические характеристики теплоносителя на выходе из активной зоны должны быть достаточно высоки. В связи с этим особую важность приобретает интенсификация теплообмена в активной зоне.
Увеличение теплосъема может быть достигнуто двояким путем: уменьшением шага установки стержней в пучке или применением оболочек твэлов с интенсификаторами теплообмена. В качестве последнего средства в реакторах на быстрых нейтронах наиболее эффективна искусственная микрошероховатость [102], наносимая в самой напряженной части твэла, как правило, на 2/3 длины от выходного торца активной зоны.
Возможности повышения теплосъема и в том, и в другом случае ограничиваются видом топлива, материалом оболочки и допустимыми затратами мощности на прокачку теплоносителя. При применении в активной зоне окисного топлива технически возможно достичь энергонапряженности 500—550 кВт/л на твэлах с гладкой оболочкой, выполненной из жаростойкой хромоникелевой стали типа нимоник. Потенциальные возможности карбидного и нитридного топлива в силу существенно более высокой теплопроводности позволяют увеличить энергонапряженность активной зоны до 700—800 кВт/л, но возникают ограничения по допустимой температуре оболочки твэла. Поэтому в этом случае обеспечение теплосъема с активной зоны при достаточно высокой температуре на выходе из реактора может быть осуществлено путем использования оболочек с искусственной микрошероховатостью.
Рис. 4.2. Кассета БГР со стержневыми твэлами (поперечное сечение)
Рис. 4.3. Кассета БГР с шаровыми твэлами:
а — продольно-радиальное течение; б — продольно-осевое течение
В перспективных разработках газоохлаждаемых реакторов на быстрых нейтронах [103] предусматривается применение твэлов шарового типа (подобного микротвэлу ВТГР) с размещением в кожухах-стаканах и организацией продольно-осевого или продольно-радиального охлаждения (рис. 4.3). Для активных зон БГР типична существенная миниатюризация твэлов, которая обусловлена высокими тепловыми нагрузками.
