Проектирование энергоустановок с газоохлаждаемыми реакторами - Системы загрузки твэлов

Технологический цикл движения твэлов высокотемпературных реакторов определяется типом выбранного твэла. В общем случае он включает в себя доставку свежих твэлов, хранение их на складе и загрузку в реактор, выгрузку отработанных твэлов, выдержку отработанных твэлов в хранилище и упаковку твэлов в транспортные контейнеры с последующей отправкой на переработку.

С точки зрения технологии доставка свежего, необлученного топлива не представляет проблемы. Требования предъявляют в основном к критической массе топлива, но это условие легко обеспечивается ограничением количества транспортируемого топлива и выбором соответствующего расположения твэлов. Разумеется, твэлы должны быть защищены от всяких загрязнений и повреждений; это условие соответствует обычным требованиям, принятым в современной технике перевозки делящихся материалов.
Рассмотрим загрузочные устройства и все стадии технологического цикла движения твэлов для высокотемпературных реакторов с блочными и шаровыми твэлами.
Загрузка реактора «Форт-Сент-Врейн» осуществляется со снятием нагрузки, т. е. реактор останавливают, расхолаживают и приводят к нормальному давлению в первом контуре. Для загрузки и выгрузки твэлов в крышке реактора имеются отверстия. В эти отверстия при работе реактора вводятся стержни, а при перегрузке монтируются шлюз-клапаны. После подготовительных работ в отверстие вводится машина для загрузки твэлов. Вместимость погрузочного контейнера машины составляет примерно 35 блочных твэлов, что соответствует почти половине твэлов, подлежащих замене. Когда контейнер заполнен, машина направля ется к шахте хранилища твэлов, где отработанные блоки заменяются «свежими», которые затем загружаются в реактор. После проведения операций по перегрузке устанавливается регулирующий стержень и демонтируется шлюз-клапан [41].
В реакторе «Форт-Сент-Врейн» предусмотрен шестилетний цикл работы топлива, причем в установившемся режиме работы реактора перегрузка твэлов проводится раз в год. Таким образом, каждый раз заменяют 1/6 часть активной зоны.
Помимо описанной загрузки с остановкой реактора рассматривалась концепция перегрузки реактора под нагрузкой; это позволяет повысить kт.и и более равномерно распределить нагрузки на твэлы, что обусловлено выравниванием энерговыделения и выгорания топлива. Однако перегрузка такого реактора на мощности создает еще ряд серьезных проблем, а именно:
нормальный режим течения теплоносителя в местах, где перегружаются твэлы, нарушается и для решения этой проблемы необходимо создание системы, позволяющей дросселировать поток газового теплоносителя в каждой отдельной сборке твэлов при перегрузке;
ввод «свежих» твэлов вызывает значительные возмущения реактивности и локального энерговыделения, что может быть компенсировано увеличением физического веса стержней СУЗ.
По этим причинам в реакторах, разрабатываемых после реактора «Форт-Сент-Врейн», пока не используют перегрузку топлива под нагрузкой, считая необходимым накопить достаточный опыт перегрузки блочных твэлов при остановленном реакторе.
Самое простое устройство для перегрузки шаровых твэлов будет иметь реактор PR-500, в котором впервые предусматривается использовать принцип ОПАЗ. На рис. 5.5 для сравнения показаны принципиальные схемы работы загрузочных устройств реакторов THTR-300 и PR-500 [120, 122].

Рис. 5.5. Принцип работы загрузочных устройств реакторов THTR-300 (а) и PR-500 (б):
1— активная зона; 2 — входной шлюз для твэлов; 3 — шлюзовые камеры; 4 — распределительное устройство; 5—бункер разгерметизированных твэлов; 6 — разгрузочный контейнер; 7 — буферный участок; 8 — управляющая вычислительная машина; 9 — устройство для удаления отработанных твэлов; 10 — устройство для сортировки твэлов; 11— транспортер подачи твэлов наверх; 12 — устройство для измерения глубины выгорания; 13 — емкость для хранения разгерметизированных твэлов; 14 — отсекатель; 15 — сепаратор разгерметизированных твэлов
( —      управляющие сигналы; _ _ _ _ направление движения твэлов)

Система загрузки твэлов реактора PR-500 (рис. 5.6) предусматривает автоматическую и ручную подачу твэлов. В обоих случаях во входной шлюз вставляют поливиниловые пакеты, в каждом из которых размещено 100 шаровых твэлов.
Для ручного способа подачи предусмотрен обычный перчаточный бокс, в котором поливиниловые пакеты вскрывают вручную. Твэлы по одному подают в трубу шлюза. Перед шлюзом, который отделяет реактор от внешней среды, твэлы регистрируют индуктивным счетчиком и с помощью специальной системы собирают в группы по 10 шаров. Отсюда эти шары попадают в первый отсек шлюза. После закрытия верхнего клапана в этом отсеке создают вакуум 1333 Па, а затем туда закачивают гелий под давлением 40 МПа. С помощью байпасной системы добиваются выравнивания давления со вторым отсеком шлюза, затем открывают средний шибер и шары скатываются во второй отсек.

После закрытия среднего шибера твэлы поступают к распределительному устройству. Двойной шлюз обеспечивает выполнение условия, согласно которому всегда должны быть закрыты два шибера, что гарантирует необходимую безопасность.

Рис. 5.6. Схема устройства для загрузки шаровых твэлов реактора PR-500:
1— «свежие» твэлы; 2 — входной шлюз; 3 — баллоны с гелием; 4 — в газгольдер смеси; 5 — к хранилищу гелия; 6 — вакуумный насос; 7 — распределитель твэлов; 8 — трубы подачи твэлов; 9 — активная зона; 10 — ограничитель скорости шаров с приводом; 11— фланец; 12— тележка для отработанных твэлов

За участком со шлюзами расположены еще два шибера, предназначенные для проведения ремонтных работ. В нормальных условиях эти шиберы открыты, и только в случае ремонта системы шлюзов они герметизируют первый контур теплоносителя.
Функцией распределителя является питание твэлами семи участков активной зоны. Распределитель состоит из диска с отверстиями, от которого отходят отдельные загрузочные трубы вращающегося трубного колена, обеспечивающего соединение двух участков шлюза и загрузочной трубы. Поворот и установка трубного колена в нужное положение осуществляются с помощью вынесенного за пределы корпуса реактора распределителя, приводимого в движение обычным электродвигателем. Распределитель расположен в собственном корпусе давления.
Состав гелиевой среды (содержание Н2О и О2 меньше 10X10-6 г/см³) способствует увеличению коэффициента трения, что может приводить как к повышенному износу трущихся частей, так и к заеданию деталей. Опасными с этой точки зрения местами являются клинья распорных пластин шиберов, проходки для шпинделей, приводящих в действие шиберы и подшипники трубы-распределителя. Эти проблемы могут быть решены путем использования специальных покрытий, например, из дисульфита молибдена [123]. Кроме того, подшипники качения помещают в капсулы и смазывают на весь срок службы. Приведем некоторые технические параметры системы подачи твэлов реактора PR-500:

Из анализа общего времени, необходимого для автоматической подачи твэлов шлюзованием, видно, что при условии непрерывной загрузки можно подать максимум трехкратное количество необходимых твэлов, причем надо, чтобы осталось еще 3 ч в сутки для профилактических и ремонтных работ шиберов и системы шлюзов. Специалисты считают, что при такой системе подачи твэлов максимальная мощность не превысит 1000 МВт (тепл.). Для больших мощностей следует предусматривать либо ряд параллельно работающих систем, либо создавать принципиально новые конструкции, при этом распределение твэлов при увеличении диаметра реактора с помощью дополнительных параллельных падающих систем представляется более предпочтительным.
После прохождения реактора твэлы попадают на воронкообразное дно активной зоны, которое затем переходит в разгрузочную трубу диаметром 800 мм. Устройство для выгрузки отработанных твэлов в нижнем конце трубы состоит из так называемой ограничительной шайбы, ее привода, системы клапанов и примыкающего к ним снизу разгрузочного контейнера. Ограничительная шайба имеет отверстие диаметром 65 мм, через которое в процессе работы, т. е. при вращающейся шайбе, шаровые твэлы по одному падают в разгрузочный контейнер, вмещающий 5400 шаров, что соответствует примерно семи дням работы реактора на полной мощности.

Рис. 5.7. Загрузочные устройства реактора ВТГР-500:
1— привод эксцентрика; 2 — привод диска; 3 — диск; 4 — эксцентрик; 5 — твэлоприемник; 6 — бункер; 7 — твэлоподатчик

Система перегрузки активной зоны канального реактора с шаровыми твэлами ВТГР-500 включает в себя семь загрузочных устройств (рис. 5.7), расположенных в соответствующих проходках нижней части корпуса реактора и обеспечивающих загрузку шаровых твэлов в каналы своей области обслуживания активной зоны [22, 23].
Каждое загрузочное устройство состоит из: корпуса-пробки, двух электромеханических приводов, двух дисков, бункера, твэлоприемника, твэлоподатчика и указателя положения. Твэлы предварительно засыпают в приемные герметичные устройства, размещенные над корпусом реактора. Приемное устройство вакуумируется, после чего твэлы поступают в первую камеру, заполненную гелием, затем через шлюз попадают во вторую камеру и далее по опускным трубам подаются к механизмам, осуществляющим подачу твэлов в твэлоприемник бункера одного из загрузочных устройств.
Механизмы подачи твэлов расположены на боковой стенке центральной полости корпуса реактора под опорной плитой активной зоны. Механизм подачи твэлов центрального загрузочного устройства снабжен выдвижной трубой, так как конструкцией не предусмотрено приближение твэлоприемника бункера к стенке центральной полости. В бункере загрузочного устройства имеется вращающаяся лопасть, которая захватывает твэл и направляет его к твэлоподатчику, расположенному вертикально. Твэлоподатчик состоит из двух труб, вставленных одна в другую, с расположенным внутри толкателем. Для выполнения операции захвата твэла толкатель и внутренняя труба опускаются ниже входного отверстия наружной трубы. Твэл по наклонной плоскости скатывается к отверстию трубы и попадает во внутреннюю полость твэлоподатчика. Перемещение толкателя и трубы твэлоподатчика в вертикальном направлении вверх и вниз обеспечивается пневмоприводом. При подаче исполнительного давления на пневмопривод твэл захватывается и доставляется к замку канала, при этом наружная труба механизма упирается в нижнюю опорную плиту активной зоны, а внутренняя труба своей кромкой открывает замок, после чего толкатель досылает загружаемый твэл в канал. После загрузки твэла внутренняя труба опускается и закрывает .замок канала. Затем толкатель и наружная труба твэлоподатчика опускаются в крайнее нижнее положение, при котором в твэлоподатчик подается следующий свежий твэл.
Наведение загрузочного устройства на координаты определенного канала осуществляется с помощью двух дисков, расположенных эксцентрически друг относительно друга и имеющих индивидуальные электромеханические приводы. Бункер с твэлоприемником и твэлоподатчиком расположен на малом диске-эксцентрике. Координаты наведения определяются углами поворота обоих дисков. Загрузочное устройство может работать как по заданной программе автоматически с использованием ЭВМ КСУРЗ, так и по сигналам оператора с пульта управления перегрузкой активной зоны.
В процессе работы реактора твэлы двигаются с помощью загрузочных устройств по каналу снизу вверх. В верхней части канала находятся полностью отработанные твэлы. При загрузке в канал свежего твэла отработанный выдавливается на верхнюю дистанционирующую плиту и за счет ее наклона от центра к периферии скатывается в кольцевую щель, которая расположена за обечайкой бокового отражателя. В кольцевой щели имеются четыре наклонные винтовые направляющие, по которым отработанные твэлы под действием силы тяжести скатываются к двум трубчатым сборникам и далее к накопителям. Из накопителей твэлы через два шлюзовых устройства, расположенных на выгружном тракте подреакторного помещения, ссыпаются в транспортные контейнеры.