В большинстве случаев в реакторах на быстрых нейтронах, охлаждаемых как жидкометаллическим теплоносителем, так и газовым, применяются стержневые цилиндрические твэлы в стальной оболочке. Высокая энергонапряженность активной зоны, свойственная классу этих реакторов, определяет небольшие размеры активной зоны, что требует, в свою очередь, интенсификации теплообмена.
В качестве топливной композиции для стержневых твэлов в настоящее время используется смесь UO2 + PuO2 в виде спрессованных и спеченных таблеток. Как указывается в работе [130], при средней плотности топливной композиции в пределах 8,5—9 г/см3 перспективно также применение виброуплотненного топлива. Сравнительно низкая средняя плотность этой топливной композиции должна компенсировать распухание сердечника, а отсутствие зазора между сердечником и оболочкой может привести к повышению эффективной контактной теплопроводности и, как следствие, к снижению температуры сердечника. Кроме того, упрощается технологический процесс, могут быть снижены требования к точности изготовления тонкостенных труб для твэлов.
Топливные композиции из UО2 + РuО2 отличаются радиационной стойкостью, удовлетворительной совместимостью со стальной оболочкой, отсутствием фазовых превращений вплоть до температуры плавления, доступностью и освоенностью способов получения, наибольшей изученностью свойств по сравнению с другими соединениями. Указанные преимущества окисного топлива, несмотря на ряд серьезных недостатков, делают это топливо предпочтительным для применения в твэлах на первом этапе развития газоохлаждаемых реакторов на быстрых нейтронах.
В работе [130] отмечается также, что высокая температура оболочек твэлов, коррозия со стороны теплоносителя, а также радиационное облучение снижают прочностные свойства материала металлической оболочки твэлов. Вместе с этим в герметичной оболочке твэлов могут иметь место значительные напряжения, которые возникают в ней в результате воздействия давления рабочей среды и внутреннего давления газообразных продуктов деления, которые накапливаются в оболочке, особенно при глубоких выгораниях топлива, характерных для активной зоны этих реакторов.
Для снижения напряжений в оболочках твэлов в реакторах на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем предусмотрен компенсационный объем, который может достигать длины активной части твэла и давление в котором может быть в пределах 6—12 МПа. Однако наличие в конструкции твэла компенсационного объема увеличивает длину ТВС, что приводит к возрастанию гидравлических потерь в активной зоне реактора. Особенно остро этот вопрос стоит для установок с БГР, в которых должны быть строго лимитированы гидравлические потери, затрачиваемые на прокачку теплоносителя через активную зону и оборудование первого контура.
Существуют различные технические идеи, реализация которых может привести к снижению напряжений в оболочках твэлов. Учитывая, например, наличие в первом контуре значительного давления теплоносителя (9—16 МПа) в установках с БГР, твэлы можно изготавливать с заполнением их внутренней полости гелием, находящимся под избыточным давлением с тем, чтобы полное давление (газообразных продуктов деления и избыточное) к концу кампании выравнялось с давлением теплоносителя в активной зоне. В этом случае режимы работы реактора должны выбираться с учетом того, чтобы максимальный перепад от разности рабочего и внутреннего (в оболочке твэла) давления действовал на оболочку только в процессе замены или перестановки топливных кассет, когда температура оболочки твэлов не превышает 100—150° С.
Изучается также возможность применения в БГР матричного топлива, в котором частицы горючего распределены равномерно в материале матрицы и на них нанесено специальное покрытие, не проницаемое для продуктов деления. Однако это может ухудшить нейтронно-физические характеристики активной зоны и затруднить решение других вопросов (охлаждение твэлов, переработка горючего и т. п.).
Обсуждаются и другие решения, например размещение в твэлах материалов, которые бы могли связывать продукты деления, или установка в оболочке твэлов специальных фильтров.
Следует отметить, что радикальным путем снижения высоких напряжений в оболочке твэла газоохлаждаемых реакторов и повышения надежности его работы является обеспечение вывода газообразных продуктов деления из внутренней полости твэла и выравнивание давления в ней в процессе работы с давлением в активной зоне. Конструкция кассеты с вентилируемым типом твэла и системой выравнивания давления была разработана для реакторов GCFR и GBR-4 [46].
Радиационные испытания экспериментальных сборок, имитирующих вентилируемые твэлы с выводом продуктов деления, проводились на Ок-Риджском исследовательском реакторе ORR в потоке тепловых нейтронов при глубине выгорания топлива 54 000 МВтХсут/т.
Рис. 5.12. Топливная кассета GCFR:
1— выходной патрубок; 2 — дроссельная шайба; 3 — соединительная тяга; 4— твэл; 5 — сборник; 6 — ловушка сборки; 7 — поршневые кольца; 8 — входной патрубок; 9— защита; 10 — канал; 11—дистанционирующая решетка; 12 — удерживающая решетка; 13 — трубка для термопар
Более представительные испытания пучка из семи модельных твэлов для реактора GCFR в гелиевой петле проводились в потоке быстрых нейтронов на реакторе EBR-II, где было достигнуто выгорание 52 000 МВт-сут/т. По результатам осмотров экспериментальных сборок не было выявлено никаких радиационных повреждений [20, 46].
На рис. 5.12 и 5.13 изображена кассета реактора GCFR с сечениями и выносными элементами. В условиях ограниченного пространства между твэлами в отверстиях коллекторной решетки кассеты необходимо надежно уплотнить и зафиксировать 264 твэла. Это необходимо, поскольку твэлы в процессе работы подвержены значительным деформациям и вибрационным нагрузкам. Операции по сборке кассеты могут быть особенно трудно выполнимы для штатных кассет промышленных реакторов с твэлами из наработанного плутония, которые из-за повышенной активности топлива должны выполняться дистанционно в защитных камерах. Кроме того, по мере выработки ресурса кассеты активной зоны должны заменяться новыми. Крепление кассет в GCFR осуществляется на верхней опорной решетке, а уплотнение — в конических гнездах, что достаточно трудно обеспечить при заменах и перестановках кассет. Таким образом, рассматриваемая кассета с вентилируемым твэлом отличается большой сложностью.
В одном из вариантов конструкции активной зоны для реактора БГР-300 был принят твэл в герметичной металлической оболочке диаметром 6,9X0,4 мм, при этом учитывалась возможность размещения в кассете 270 твэлов с гладкой оболочкой (плотная упаковка), а также 216 твэлов с оболочкой, имеющей искусственную шероховатость.
Технологическая кассета реактора БГР-300 представляет собой сборку твэлов, заключенную в шестигранный кожух с размерами под «ключ» 140 мм и толщиной стенки 2 мм на уровне активной зоны. Кассета состоит из головки, кожуха, сборки твэлов и хвостовика с элементами крепления и уплотнения. В головке кассеты имеется лепестковая цанговая втулка, служащая для центровки кассеты, и бобышка, в зацепление с которой входит захват РЗМ.
Рис. 5.13. Топливная кассета GCFR
Рис. 5.14. Узел крепления кассеты в опорной плите: 1— герметичная полость корзины активной зоны; 2 — компенсационная камера; 3— хвостовик кассеты; 4 — напорная камера; 5 - центрирующая втулка
На цилиндрической части хвостовика установлены уплотнительные поршневые кольца.
Для контроля за энерговыделениями активной зоны и температурой теплоносителя в каждой технологической кассете предусмотрена установка на место центрального твэла комбинированного датчика. Кассеты активной зоны и зоны воспроизводства устанавливаются хвостовиками в отверстия нижней опорной решетки корзины активной зоны.
Удерживать кассеты от всплытия (при движении теплоносителя снизу вверх) можно механическим способом с помощью цанговой втулки, пружинного запора с шариковым фиксатором (или другим устройством), а также посредством гидравлической разгрузки при радиальном подводе теплоносителя к хвостовикам кассет или комбинируя эти способы. В реакторе GBR-4 принята аналогичная схема циркуляции теплоносителя, кассеты устанавливаются на специальных опорных стойках по 7 шт. и удерживаются в них под действием собственной массы. В реакторе GCFR (при движении теплоносителя сверху вниз) кассета подвешивается верхней частью к опорной решетке и закрепляется с помощью пружинного замка. Один из возможных вариантов конструкции крепления кассеты в опорной решетке с использованием гидравлической разгрузки показан на рис. 5.14. Между верхней и нижней плитами опорной решетки имеется герметичная полость 1, которая сообщается с областью низкого давления (например, с трактом входа теплоносителя в газодувку). В нижней плите решетки расположены центрирующие втулки 5, на которые установлены кассеты своими хвостовиками 3 с уплотнительными канавками. В канале хвостовика каждой кассеты находится компенсационная камера 2, которая соединяется с герметичной полостью опорной решетки. За счет перепада давления в компенсационной камере и в канале хвостовика 4, где давление одинаково с давлением в напорной камере реактора, на кассету действует усилие, удерживающее ее от всплытия.
Применение кассет с твэлами на основе микротоплива — одна из возможностей дальнейшего усовершенствования активной зоны газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах.
Кассета с твэлами такого типа, представляющими собой шарики с наружным диаметром 2,5—3 мм, имеет более развитую поверхность теплообмена, что позволяет повысить температуру теплоносителя на выходе из реактора, увеличить энерговыделение в зоне и тем самым улучшить технико-экономические характеристики реактора [23].
Кассета с микротопливом состоит из центральной части, верхнего и нижнего торцевых экранов. Торцевые экраны представляют собой отдельные сборки из стержней диаметром 11 мм в металлической оболочке, заполненных таблетками из двуокиси естественного урана. Центральная часть кассеты выполнена из нескольких параллельных по высоте цилиндрических секций полых внутри и разделенных по высоте перфорированными перегородками. Каждая секция заполнена шариками с микротопливом. Секции соединены между собой конусными перегородками, отделяющими горячий поток теплоносителя из каждой секции от холодного на входе в другую. Снаружи к каждой секции приварены пластины, которые крепятся к продольным ребрам. Ребра являются несущими элементами конструкции и объединяют центральные и торцевые части кассеты в одно целое. Движение теплоносителя через секции осуществляется снизу вверх.
Твэл состоит из топливного сердечника и защитного многослойного покрытия. Сердечник может быть изготовлен как из смешанного топлива UO2 + PUO2, UC так и из других композиций. Для материала покрытия используются пироуглерод, карбид кремния и другие материалы.
Для обеспечения существенно разных расходов теплоносителя, подаваемого к кассетам активной зоны и боковой зоны воспроизводства, в напорной камере реактора выделена отдельная полость, из которой газ с регулируемым расходом поступает к кассетам боковой зоны воспроизводства. Расход по кассетам активной зоны распределяется с помощью дроссельных шайб, которые можно устанавливать на входе в отверстие хвостовика или в верхней части (головке) кассеты.
Активная зона окружена тремя рядами кассет боковой зоны воспроизводства, за которыми расположено два ряда ячеек для установки в них на выдержку выгоревших топливных кассет. Выдержка обеспечивает снижение активности и уменьшение энерговыделения в кассетах, что улучшает условия для их выгрузки из реактора. В двух последних рядах опорной решетки корзины размещены стальные блоки защиты.
Регулирование мощности реактора производится с помощью специальных кассет, по конструкции аналогичных технологическим, но с другим размером кожуха под «ключ». В активной зоне регулирующая кассета движется в направляющем шестигранном чехле, который одним концом закреплен в днище корзины активной зоны. В верхней части каждой кассеты регулирования имеется головка под захват перегрузочной машины, в хвостовике предусмотрено устройство для соединения с подвижной штангой привода.
Кассетный способ регулирования мощности реактора на быстрых нейтронах требует подачи профилированного расхода теплоносителя через кассету в зависимости от ее мощности, определяемой положением кассеты в активной зоне реактора. Поэтому в нижней части каждой кассеты регулирования встроено дроссельно-регулирующее устройство, которое обеспечивает подачу требуемого расхода теплоносителя в кассету.
Для перемещения органов регулирования в активной зоне применяется универсальный исполнительный механизм СУЗ, обеспечивающий необходимые скорости. Такой исполнительный механизм выполняется герметичным на основе шагового электродвигателя с гидравлическим усилителем и внутренней обратной связью, что позволяет перемещать значительные массы регулирующих кассет. Для функционирования исполнительного механизма в схеме управления предусмотрен источник давления рабочей среды. Приводы механизмов соединены с кассетами посредством специального дистанционно управляемого захвата и установлены на фланцевых патрубках проходок в днище центральной шахты корпуса.
