В современных ВТГР применяют активные зоны двух конструкций: в одной из них используются стационарные единичные или объединенные в блоки твэлы, а в другой — перемещающиеся по всему объему активной зоны твэлы при сопутствующем движении теплоносителя.
Второй вариант с применением шаровых твэлов характеризуется относительно простой транспортировкой твэлов, а также возможностью создания как гетерогенных (канальных), так и гомогенных (засыпных) активных зон.
Тип твэла принципиально влияет на конструкцию активной зоны и всего реактора в целом. При использовании шаровых твэлов существенно упрощается конструкция активной зоны, которая для гомогенного варианта представляет собой емкость, заполненную твэлами, с размещенными в ней пилонами из графита (или без пилонов) с отверстиями под стержни СУЗ. Отражатель выполняется из графита, а замедлитель — графит находится непосредственно в твэлах. Наибольшее применение конструкция активной зоны с засыпкой шаровых твэлов получила в ФРГ (AVR, THTR, PR-500 и т. п).
Конструкция активной зоны усложняется при использовании стержневых или блочных твэлов. Это вызвано прежде всего организацией перегрузки зоны (твэлы находятся в реакторе в течение всей кампании до остановки его на перегрузку).
Первые экспериментальные реакторы «Драгон» и «Пич-Боттом» имели стержневые твэлы. В настоящее время разработаны различные типы твэлов для стационарной зоны (см. рис. 4.1): трубчатый блочный элемент (Великобритания), интегральный шестигранный блок (США), монолитный шестигранный блок (ФРГ) [120].
В трубчатом твэле топливо запрессовано в полые цилиндры, которые поставлены друг на друга в направлении продольной оси твэла. Этот полый цилиндрический стержень изнутри и снаружи окружен графитовой оболочкой в виде труб, охлаждаемых с обеих сторон. Совокупность таких трубчатых твэлов образует блок твэлов, причем трубы с помощью ребер соединены с конструкционным графитом. Как следствие технологии изготовления между цилиндрами с запрессованным топливом и окружающими их трубами-оболочками неизбежно остается зазор, ширина которого меняется в процессе работы реактора из-за неодинаковой усадки материалов, поэтому в таких твэлах условия теплопередачи зависят от глубины выгорания топлива.
В ФРГ разработан твэл такой же геометрии, но с прямым охлаждением, т. е. у него топливная зона спрессована с трубой- оболочкой. Тем самым передача тепла от топлива к теплоносителю существенно улучшается.
В интегральном блоке частицы с покрытием вместе с матрицей формуются в виде коротких цилиндров, которые вставляют в ~200 отверстий, сделанных под твэлы в графитовом блоке (размер под ключ 36 см, высота 80 см). В этом графитовом блоке имеется еще 100 отверстий для теплоносителя. Определенные блоки имеют еще по три дополнительных отверстия для ввода поглощающих стержней.
Параметры твэлов наиболее характерных ВТГР различного целевого назначения приведены в табл. 5.1.
Использование ВТГР как источника тепла и электроэнергии требует достижения температуры гелия на выходе из реактора на уровне 1000° С. Как видно из табл. 5.1, такому условию лучше удовлетворяют варианты с шаровыми твэлами, чем с блочными и, в частности, при использовании цикла ОПАЗ. Цикл ОПАЗ предполагает более свободную зависимость между температурой топлива и объемными энерговыделениями, вследствие чего появляется возможность полнее использовать технические особенности высокотемпературного реактора как в отношении достижения максимального выгорания, так и в отношении получения высокой температуры гелия на выходе из реактора.
Таблица 5.1
Параметры наиболее характерных ВТГР [121]
Основное преимущество шаровых твэлов заключается в более высокой суммарной теплопроводности, обусловленной отсутствием зазора между топливом и графитом оболочки (в случае использования монолитного блока это преимущество остается в силе и для блочных твэлов). Следует отметить также более высокое значение коэффициента теплопередачи для шаровой засыпки по сравнению с блочными элементами (см. гл. 4).
Из-за сложной геометрии блочных твэлов в них возникают более высокие термические напряжения по сравнению с шаровым твэлом. Это вызвано влиянием температурных факторов, а так же изменением объема под воздействием излучений. Чтобы уменьшить эти напряжения, при изготовлении блочных твэлов необходимо выдерживать весьма малые допуски как внешних размеров, так и размеров отверстий. Если для уменьшения напряжений, которые могут возникнуть за счет различных объемных деформаций, необходимо оставлять зазор между топливом и графитом, то по условиям теплообмена зазор должен быть по возможности наименьшим, в связи с чем требуется высокая точность сверления отверстий. Кроме того, наличие большого числа отверстий приводит к заметному увеличению затрат, и отходы, получившиеся при обработке одного блока, составляют около 50% массы заготовки.Работа в диапазоне температуры, необходимом для экономичного производства электроэнергии двухконтурными установками с блочными твэлами, не сопряжена для последних с особыми трудностями; запас надежности, рассчитанный на основе проведенных радиационных испытаний, достаточно велик для того, чтобы не превысить допустимые предельные значения температуры топлива и напряжения. Однако для использования этих твэлов в ЭУ для производства ВПТ, что связано с повышением температуры газа на выходе из реактора, следовало бы накопить достаточное количество данных полномасштабных экспериментов с соответствующими блочными твэлами. В то же время для реактора с шаровыми твэлами, работающего по принципу ОПАЗ, проведенных экспериментов вполне достаточно для того, чтобы рассматривать как вполне реальную возможность достижения высоких температур гелия на выходе из реактора для производства ВПТ.
Главное преимущество реактора, работающего по принципу ОПАЗ, — высокая температура газа на выходе из реактора при тех же допустимых нагрузках на твэлы. В настоящее время предельные значения достигнутых параметров составляют: максимальный тепловой поток на единицу поверхности твэла диаметром 60 мм — 50 Вт/см2 (примерно 5,6 кВт/шар); максимальная температура на поверхности твэла — 1050° С, а максимальная температура топлива— 1250° С [121]. В связи с низким энерговыделением и, следовательно, малой разницей между температурой теплоносителя и топлива в горячей части реактора температура теплоносителя на выходе из реактора может быть лишь немного ниже допустимой температуры поверхности твэла. В той части реактора, где энерговыделение максимально, температура твэлов определяется температурой входящего в активную зону гелия.
Таким образом, сравнение активных зон ВТГР с подвижными (шаровыми) и со стационарными (блочными) твэлами выявляет у последних следующие недостатки: 1) необходимость остановки реактора на время перегрузки активной зоны, что связано с понижением kт.и; 2) изменение распределения энерговыделения в процессе работы реактора, вызывающее необходимость реализации мероприятий по гидравлическому профилированию энерговыделения в процессе кампании; 3) значительные термические напряжения, возникающие в графитовых блоках; 4) более низкая температура гелия на выходе из реактора при одинаковых допустимых температурах топливной композиции.
Активная зона ВТГР с подвижными твэлами может быть конструктивно выполнена как засыпной (AVR, THTR-300), так и в канальном варианте. Канальный вариант активной зоны реактора ВТГР-500 (см. рис. 5.1) характеризуется следующими особенностями [22]: 1) активная зона состоит из регулярно расположенных каналов, в которых размещены шаровые твэлы и стержни СУЗ, а замедлитель выполнен в стационарном варианте; 2) направление движения газа соответствует направлению движения твэлов; 3) загрузочные механизмы расположены внизу под активной зоной; 4) принято одноразовое прохождение твэлами активной зоны.
Сравнение активных зон засыпного и канального типа показывает, что канальный вариант выгодно отличается от засыпного, для которого характерны: нерегулярность движения твэлов в объеме активной зоны, что вызывает дополнительные трудности при использовании физического профилирования; размещение стержней СУЗ в засыпке твэлов или в специально предусмотренных в объеме зоны пилонах; флуктуации пористости засыпки твэлов в процессе работы реактора; присутствие графитового замедлителя непосредственно в твэлах, что приводит к дополнительным затратам при переработке отработанных твэлов; неравномерность коэффициента теплоотдачи по радиусу активной зоны и невозможность применения гидравлического профилирования.
Риc. 5.3. Поперечный (а) и продольный (б) разрезы активной зоны реактора ВТГР-500:
1— верхняя дистанционирующая решетка; 2 — шаровой твэл; 3— канал; 4 — графитовая кладка
Вместе с тем канальный вариант активной зоны ВТГР с шаровыми твэлами также имеет ряд недостатков, что вызывает дополнительные трудности при разработке конструкции. К ним прежде всего относятся достаточно сложные механизм перегрузки зоны и конструкция кладки активной зоны. Принципиально активная зона канального реактора при упорядоченном движении твэлов может быть выполнена в двух вариантах: с движением твэлов сверху вниз и снизу вверх.
Активная зона канального реактора ВТГР-500 (рис. 5.3) выполнена в основном из графитовых материалов, за исключением нижней опорной плиты и верхней дистанционирующей решетки. Кладка активной зоны формируется из графитовых труб, расположенных по треугольной решетке. Около 2% каналов предназначено для размещения стержней СУЗ.
Кладка активной зоны может быть выполнена также из шести- или четырехгранных призм с одним отверстием под канал; отметим, что призматическая кладка активной зоны наиболее характерна для конструкции реактора с блочными твэлами [41]. Канал реактора представляет собой гладкую графитовую трубку, в которой размещены шаровые твэлы диаметром 60 мм. Высота каналов в зависимости от радиуса активной зоны меняется от 5 м на периферии зоны до 5,5 м в центре. Вокруг активной зоны установлен боковой отражатель из шестигранных графитовых призм (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Кладка бокового отражателя:
1— отверстие для прохода гелия; 2 — отверстие под штифт; 3— шпонка; 4— призма; 5 — паз под шпонку; 6 — штифт
Кладка замедлителя и отражателя собирается на стальной опорной плите, имеющей отверстия для прохода гелия в каналы и в блоки бокового отражателя. В нижней опорной плите в каждом канальном отверстии размещено устройство для удержания столба шаровых твэлов.
Твэл реактора состоит из графитовой оболочки толщиной 5 мм и сердечника, представляющего собой матрицу из графита с равномерно распределенными в ней микротвэлами с многослойными покрытиями [22].
