СИСТЕМЫ
Быстрый реактор-размножитель существенно отличается от теплового реактора конструкцией активной зоны и системой теплопередачи. Это различие обязано в основном гораздо большему потоку и большей плотности энерговыделения в быстрый реактор-размножитель, жесткому спектру нейтронов, а также высоким температурам теплоносителя, улучшающим эффективность работы реактора.
Последующие пять глав посвящены основным системам конструкции БР. Механические и теплофизические аспекты конструирования неразрывно связаны между собой, но здесь они рассматриваются отдельно, что помогает сосредоточить внимание на существенных особенностях работы реакторных систем. Механические свойства твэлов и сборок описаны в гл. 8, анализ теплопередачи в твэле — в гл. 9, общие теплогидравлические вопросы — в гл. 10. Глава 11 посвящена подробному рассмотрению материалов активной зоны. Наконец, общее описание системы БН, включая систему теплопередачи, содержится в гл. 12.
Глава 8
КОНСТРУКЦИИ ТВЭЛА И СБОРКИ
ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Конструкция твэла и сборки, этих основных компонентов активной зоны, должна обеспечить их длительную работоспособность в условиях высоких температур и больших потоков быстрых нейтронов. Механические свойства конструкции при этом играют первостепенную роль. При конструировании приходится учитывать множество различных факторов и результаты анализа всякого рода напряжений. Подобный круг вопросов составляет содержание данной главы.
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТВЭЛА
Конструирование твэла является сложным процессом, включающим в себя совокупное изучение многих явлений, таких как распространение тепла в топливном сердечнике, поведение топлива и оболочки в зависимости от температуры и истории облучения, напряжение в системе топливо — оболочка. Некоторые физические факторы, воздействующие на конструкцию твэла, схематически представлены на рис. 8.1. Они обсуждаются в гл. 8, 9 и частично 11. Следует отметить, что нет простого способа оценки результирующего воздействия столь большого числа факторов, потому что физические процессы, протекающие в твэле, тесно взаимосвязаны. Учет этой взаимосвязи проводится при практическом конструировании путем сложного расчетного анализа временного поведения твэла (например, с помощью программы LIFE [1]).
Начнем с рассмотрения устройства и назначения различных частей твэла, затем перейдем к вопросу о выборе диаметра, в связи с чем потребуется оценить роль линейной тепловой нагрузки. Далее рассмотрим явление перестройки топлива и накопление газообразных продуктов деления. Отсюда последуют соображения о величине газовой полости и напряжении оболочки, и тем самым будет подготовлена почва для общего анализа напряжений в системе топливо—оболочка (§ 8.3). Результатом такого анализа является оценка толщины оболочки, пористости топлива, начальных внутренних зазоров, а следовательно, «размазанной» плотности топлива в стационарных условиях (при заданной теоретической плотности). Кроме того, необходимо будет обсудить критерий времени жизни для лучшего понимания роли напряжений в проблеме конструирования твэла.
Оболочка испытывает давление со стороны газов (продуктов деления) при наличии зазора между топливом и внутренней поверхностью оболочки, а при отсутствии такого зазора — непосредственно со стороны расширяющегося топлива. Для количественной оценки напряжений, возникающих в последнем случае, необходимо проводить теплофизический анализ, учитывающий тепловое расширение материалов (гл. 9). При этом нужно знать предел ползучести, поскольку очень медленная его деформация может способствовать снятию нагрузки на оболочку. Если установлено температурное поле внутри твэла, можно получить зависящую от температуры связь между напряжениями и деформацией1.
В данной главе мы рассмотрим основные факторы, определяющие поведение материалов и взаимодействие смешанного оксидного топлива с оболочкой. Более подробное обсуждение свойств материалов и некоторые вопросы использования в быстрый реактор-размножитель других видов топлива перенесены в гл. 11.
А. УСТРОЙСТВО ТВЭЛА
Тепловыделяющий элемент в быстрый реактор-размножитель с керамическим топливом состоит из набора цилиндрических топливных таблеток, заключенных в общую трубчатую оболочку из нержавеющей стали. Оболочка создает целостность твэла и предотвращает прямой контакт топлива с теплоносителем, тем самым она должна предупреждать попадание продуктов деления в первый контур теплоносителя. Типичные значения диаметра твэла находятся в пределах от 6 до 8 мм. Каждая топливная таблетка имеет высоту примерно 7 мм и диаметр 6 мм. Диаметр таблетки выбирается чуть меньше внутреннего диаметра оболочки для образования начального зазора между топливом и оболочкой.
В современных проектах БР используется смешанное оксидное UO2 — — PuO2-топливо. Другой вид керамического топлива — смешанное карбидное топливо — также исследуется для применения в перспективных проектах. Кроме того, изучается возможность использования смешанного керамического Th — 233U и металлического топлива. Наши выводы будут относиться к оксидному топливу, хотя частично они справедливы и для карбидного.
Содержание материалов по высоте твэла в быстрый реактор-размножитель существенно иное, чем в ЛВР. Под обогащенное топливо в быстрый реактор-размножитель отводится примерно 1/a общей длины твэла, что составляет высоту активной зоны. В твэле ЛВР эта часть занимает около 80%. При типичной высоте активной зоны БР 1 м общая длина твэла получается равной около 3 м. Но из-за значительно большей высоты активной зоны ЛВР длины твэлов в ЛВР и БР оказываются сравнимыми.
Устройство твэла в двух проектах БР показано на рис. 8.2. Таблетки зон воспроизводства из обедненного урана размещены выше и ниже таблеток активной зоны. Типичная толщина торцевых зон воспроизводства составляет 0,3—0,4 м. Полный набор таблеток фиксируется расположенными сверху прижимными пружинами во избежание смещений во время перевозки и загрузки сборок в реактор; после выхода на мощность эти пружины не играют никакой роли.
В твэле предусмотрено свободное пространство, выполняющее функцию полости для сбора газообразных продуктов деления. Этот газ накапливается по мере облучения топлива в реакторе. Обычно размер полости по длине делают сравнимым с высотой активной зоны. Как показано на рис. 8.2, полость может быть расположена в верхней или в нижней части твэла. Для примера укажем, что в первоначальных американских проектах (FFTF и CRBRP) выбиралось верхнее местоположение газовой полости. Во французских проектах реакторов «Феникс» и «Супер-Феникс» предусмотрена небольшая полость в верхней части твэла и основная полость в нижней. Преимущество верхнего местоположения полости состоит в том, что при повреждении оболочки в районе полости газообразные продукты деления не распространяются по активной зоне (так как натрий течет снизу вверх). Недостаток этого варианта связан с более высокими температурами теплоносителя в верхней части активной зоны. Поскольку температура газа такая же, как теплоносителя, длину (объем) газовой полости приходится увеличивать для устранения температурного прироста давления.
Рио. 8 2. Устройство твэла для проектов реакторов CRBRP [2] (а) и "Супер-Феникс" (3) (б):
1— газовая полость; 2 - верхний наконечник, 3— капсула с маркирующим газом, 4 — оболочка; 5 — прижимные пружины, 6 —таблетки из оксида урана, 7 — таблетки смешанного топлива, 8 — дистанционирующая проволока, 9 — нижний наконечник,
10 - вырез под фиксатор
Это приводит к увеличению общей длины твэла и соответственно к росту перепада давления натрия по высоте сборки, т. е. к увеличению общей длины твэла и соответственно к росту перепада давления натрия по высоте увеличению требуемой мощности насосов и тем самым— к увеличению размеров внутриреакторного оборудования и самого реактора1.
На рис. 8.3 изображена диаграмма, позволяющая сравнить длину и положение твэлов относительно активной зоны в нескольких проектах БР [4]. Начало отсчета по шкале вертикального размера совмещено со средней плоскостью активной зоны. Рисунок свидетельствует о существующих различиях в подходе к конструкции твэла, в частности в выборе местоположения газовой полости. Видно также, что длина полости обычно выбирается примерно равной высоте активной зоны.
В ряде проектов в конструкции твэла предусматривается введение свободных газовых капсул, предназначенных для идентификации случаев повреждения оболочки. Эти капсулы содержат изотопную смесь инертных газов, индивидуальную для каждой сборки. На конечной стадии изготовления твэлов эти капсулы прокалываются с тем, чтобы газовая смесь заполнила газосборную полость. Таким образом делается маркировка сборок. В случае повреждения оболочки при облучении маркировочная смесь вместе с газообразными продуктами деления попадает в первый контур теплоносителя, в котором может быть сделан отбор и анализ газа для идентификации сборки, содержащей дефектный твэл. Эффективность такой техники контроля была продемонстрирована на реакторе EBR-2 (см. § 12.6 и рис. 12.25).
Каждый твэл вверху и внизу имеет жесткий наконечник. Во многих конструкциях твэлы в сборке отделены друг от друга дистанционирующей проволокой, конец которой обычно вставляется в специально сделанное отверстие в наконечнике и приварен к нему. В некоторых конструкциях проволока просто приваривается вдоль наконечника.
Рис. 8.3. Сравнение длин и положений твэлов относительно средней плоскости активной зоны различных быстрых реакторов.
1 — наконечник твэла; 2— газовая полость; 3 — участок торцевой зоны воспроизводства, 4 — участок активной зоны
В современных американских проектах БН оболочка изготовляется из аустенитной нержавеющей стали, которая подвергается специальной обработке — 20%-ной холодной деформации. Эта сталь (американская марка 316) содержит по массе 16—18 % хрома, 10—14 % никеля, 2—3 % молибдена, небольшие добавки углерода, ниобия, кремния, фосфора и серы, остальное (около 65 %) — железо. Характеристики этой стали и других возможных конструкционных материалов, смысл холодной деформации и мотивы выбора материала обсуждаются в § 11.3.
Б. ЛИНЕЙНАЯ ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА И ДИАМЕТР ТВЭЛА
Линейная тепловая нагрузка определяет длину части твэла, расположенной в активной зоне, либо (при заданной высоте и тепловой мощности активной зоны) полное число твэлов в активной зоне. Понятие линейной тепловой нагрузки было введено в гл. 2 посредством выражения (2.2):
Рис. 8 1. Физические факторы, влияющие на конструкцию твэла (цифры в скобках — номера глав, в которых эти явления обсуждаются)
где Тs и Т0 — температура на поверхности и в центре топливного сердечника; k — коэффициент теплопроводности топлива. Это выражение будет обосновано в гл. 9 в связи с подробным анализом тепловых процессов. Отметим, что в это выражение не входит диаметр твэла. Линейная тепловая нагрузка является явной функцией поверхностной температуры, которая в свою очередь сильно зависит от зазора между топливом и оболочкой, а следовательно, и от конструкции твэла (по крайней мере до момента, пока зазор не исчезнет из-за расширения топлива при облучении). Достижение максимально возможного среднего значения χ является целью конструирования любого быстрого реактора. Ограничивающим условием служит требование не превышать температуру плавления в центре твэла. Таким образом, нахождение среднего и пикового значений линейной тепловой нагрузки — ответственный этап конструирования, требующий детального теплофизического анализа.
Пока предположим, что среднее значение χ выбрано. Рассмотрим, как этот выбор повлияет на диаметр твэла, под которым обычно понимается наружный диаметр оболочки. Далее нам понадобится величина Rf — радиус топливной таблетки. Радиус твэла будет складываться из радиуса таблетки, зазора между таблеткой и оболочкой и толщины оболочки. Примеры проектных значений диаметра и пиковой линейной нагрузки твэлов в некоторых быстрых реакторов приведены в табл. 8.1.
Выбор диаметра твэла диктуется стремлением минимизировать удельную загрузку делящегося материала М0/Р, где М0 — критическая масса активной зоны; Р — ее тепловая мощность. Как указывалось в гл.1, уменьшение удельной загрузки или критической загрузки (при заданной мощности) ведет к уменьшению времени удвоения.
Удельная загрузка делящегося материала М0/Р связана линейной тепловой нагрузкой χ следующим образом:
где е — массовая доля делящегося материала в топливе; pf — плотность топлива таблеток; Rf — радиус топливных таблеток. Это выражение перепишем в виде, более удобном для последующих рассуждений:
(8.1)
Таблица 8.1.
Диаметр и линейная тепловая нагрузка твэлов БР
Реактор | Страна | Диаметр | твэлов, мм | Линейная1 |
БН-350 | СССР | 6,1 | 14,2 | 44 |
«Феникс» | Франция | 6,6 | 13,4 | 45 |
PFR | Великобритания | 5,8 | 13,5 | 48 |
SNR-300 | ФРГ | 6,0 | 11,6 | 36 |
1 При расплавлении оксидного топлива его объем увеличивается примерно на 10 %.
FFTF | США | 5,8 |
| 42 |
БН-600 | СССР | 6,9 | 14,2 | 53 |
«Супер-Феникс» | Франция | 8,5 | 15,8 | 47 |
MONJU | Япония | 6,5 | 11,6 | 36 |
CDFR | Великобритания | 6,7 | 13,5 | 42 |
SNR-2 | ФРГ | 7,6 | 11,6 | 42 |
CRBRP | США | 5,8 | 12,8** | 42 |
* Линейная тепловая нагрузка претерпевает изменение η течение цикла Данные для ГТР и CRBRP приведены для начала первою цикла
** Для боковой и внутренних зон воспроизводства.
Видно, что для выбранного значения χ минимизация удельной загрузки может проводиться варьированием величин pf, е, Rf. По ряду причин величина Pf варьируется в узких пределах. Желательно, чтобы плотность топлива таблеток была как можно ближе к теоретической плотности топлива. Это ведет к увеличению теплопроводности, тем самым к увеличению χ и уменьшению удельной загрузки. Взаимосвязь величин в (8.1) заключается в том, что рост Pf заметно проявляется в падении утечки нейтронов и соответствующем уменьшении значения е, более сильном, чем приращение pf. Однако другие причины препятствуют максимальному увеличению этой плотности. Это связано с радиационным распуханием топлива и объемным расширением под воздействием высоких температур в экстремальных условиях*. В итоге типичный диапазон изменений ρ оксидного топлива ограничен пределами от 85 до 95 % и размазанной плотности — от 75 до 90 % теоретического значения.
Параметры е и Rf связаны друг с другом. Уменьшение Rf влечет за собой увеличение е, однако не в такой мере, чтобы скомпенсировать уменьшение R (если при этом не происходит существенного падения объемной доли топлива). Эти тенденции иллюстрируются данными табл. 4.5. Таким образом, приходим к выводу о целесообразности уменьшения Rf. Вот почему в быстрых реакторах используются твэлы с малым диаметром.
Нижний предел диаметра твэла в принципе мог быть обусловлен способностью теплоносителя охлаждать твэл в моменты локальных всплесков мощности. Тепловой поток q, Вт/м2, связан с диаметром твэла D и коэффициентом теплоотдачи h соотношением
(8.2)
где Тco, Тb — наружная температура оболочки и температура массы теплоносителя соответственно.
Однако для жидкого натрия коэффициент теплоотдачи достаточно высок даже при низкой скорости теплоносителя, так что проблема прожигания оболочки, существующая в ЛВР, в данном случае не возникает. Таким образом, теплопередающие свойства натрия таковы, что из них не следует никаких ограничений на малость диаметра твэла в реакторе БН1. Реальные ограничения накладываются другими факторами.
Первый из них и весьма важный состоит в том, что, начиная с некоторого предела, дальнейшее уменьшение диаметра твэла ведет к возрастающему удорожанию его изготовления . Другой фактор связан с отношением шага решетки к диаметру P/D. При переходе к малым значениям диаметра эго отношение возрастает, что ведет к ощутимому росту объемной доли топлива и загрузки делящегося материала. Отношение P/D возрастает при малых D по двум причинам.
Во-первых, существует нижний предел в значении шага Р, обусловленный горячими пятнами в твэлах с дистанционирующей проволокой или с сеткой. Поэтому ниже этого предела отношение P/D растет с уменьшением D.
Во-вторых, аналогичный предел, приводящий к тем же последствиям, независимо возникает из-за недопустимости роста перепада давления (соответственно, мощности насосов) при малых проходных сечениях.
В то же время имеется аргумент в пользу увеличенного диаметра твэла, касающийся коэффициента воспроизводства. Последний падает с уменьшением диаметра твэла (см. табл. 7.3). Учитываются также более «тонкие» соображения. Например, при уменьшении D возрастает доля делящегося материала, что вызывает падение доплеровского коэффициента. Кроме того, требуется большая глубина выгорания (количество выгоревших тяжелых ядер) для заданной энерговыработки топлива В, МВт-сут/кг. Далее отметим, что уменьшение диаметра твэла ведет к росту нейтронного потока и соответственно флюенса для заданного времени облучения2.
Таким образом, соотношение (8.1) позволяет выявить главные факторы, компромиссный учет которых приводит к разумной оценке диаметра твэла. Однако в детальных оптимизационных расчетах проявляются некоторые вторичные эффекты, которые также оказываются весьма важными.
2 Рассмотрим соотношение ΣfΦVа. з= 2,9· 1016Р == const. С уменьшением диаметра твэла объем активной зоны Va .з уменьшается в большей степени, чем возрастает Σf. Отсюда следует, что поток Ф возрастает. Это обстоятельство явилось выигрышным для реактора FFTF, который был спроектирован как высокопоточный испытательный реактор, т. е. отвечал цели максимальных значений потока и флюенса. Поэтому диаметр твэлов в FFTF (5,8 мм) был выбран меньшим, чем в типичных проектах реакторов БН.
