Операции с ТВС могут быть двух типов:
- замена в реакторе отработавших ТВС свежими;
- доставка свежих ТВС на АЭС и отправка облученных ТВС на переработку.
Ниже рассматриваются операции обоих типов. Обсуждаются также вопросы безопасности, связанные с перегрузкой ТВС.
Рис. 12 18. Система перегрузки тепловыделяющих сборок реактора бакового типа «Супер-Феникс»:
1 — барабан-хранилище ТВС; 2 — отсек для приемки свежих и отправки отработавших ТВС; 3 — хранилище свежих ТВС; 4 — перегрузочный бокс отработавших 1ВС; 5 — манипулятор; 6 — передаточная камера; 7 — колпак над реактором; 8 — механизм внутриреакторной перестановки ТВС; 9 — поворотные пробки; 10 — бак первого контура; 11 — активная зона; 12 — направляющие для перемещения загружаемых и выгружаемых ТВС
Рис. 12.19. Система перегрузки тепловыделяющих сборок реактора петлевого типа (проект фирмы «Атомикс интернейшил»):
1- устройство для перестановки ТВС во внешнем хранилище; 2 — контейнер для перевозки свежих или отработавших ТВС на железнодорожной платформе, 3 — сухое хранилище свежих ТВС, 4— перегрузочный бокс, заполненный инертным газом; 5— механизм привода устройства для перестановки ТВС во внешнем хранилище; 6 — воздушная атмосфера, 7-подъемный механизм; 8 — передаточный бокс; 9 — атмосфера инертного газа; 10 — механизм внутриреакторной перестановки 1ВС, 11 — поворотные пробки (3 шт); 12 — бак реактора; 13 — активная зона, 14 — расположение перегрузочного пенала при замене ТВС в реакторе; 15 — направляющие для перемещения пенала; 16 — перегрузочные каналы, 17 — внешнее хранилище ТВС, 18 — выгружаемая ТВС
На рис. 12.18 и 12.19 показано размещение основного оборудования систем перегрузки ТВС для двух типов реакторов БН: интегрального («Супер-
Феникс») и петлевого (проект, выполненный фирмой «Атомикс интернейшнл» (61).
В докладе [7] рассматриваются схемы и оборудование систем перегрузки ТВС быстрых реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. Статья [8] посвящена системе перегрузки ТВС реактора «Феникс».
Перегрузка ТВС осуществляется на остановленном реакторе. Внешние хранилища ТВС устанавливаются за пределами защитной оболочки реактора, что дает возможность осуществлять приемку свежих и отправку облученных ТВС без остановки реактора.
А. ОПЕРАЦИИ ПО ЗАМЕНЕ ТВС В РЕАКТОРЕ
В рассматриваемых экономистами топливных циклах быстрых реакторов перегрузка ТВС осуществляется 1 раз в год с заменой 1/6 количества ТВС активной зоны. Время, затрачиваемое на перегрузочные операции, как правило, не превышает 2 нед.
Механизмы системы перегрузки рассчитаны на транспортировку ТВС активной зоны и боковой зоны воспроизводства, стержней СУЗ и сборок боковой защиты реактора. В отличие от тепловых реакторов перегрузка в реакторах БН производится без снятия верхней крышки бака.
Как видно из рис. 12.18 и 12.19, для перегрузочных операций используется передаточный бокс или передаточная камера и внешнее хранилище ТВС (барабаны свежих и облученных сборок). Внутри реактора транспортировка ТВС осуществляется механизмом перегрузки. Из бака реактора сборки выгружаются элеватором и после установки в пенал подаются во внешнее хранилище с помощью механизмов передаточного бокса. Передаточный бокс соединяется с баком реактора и баком внешнего хранилища транспортировочными каналами. В пределах внешнего хранилища сборки перемещаются с помощью механизма перегрузки, аналогичного установленному в реакторе. В соответствии с данными проекта фирмы «Атомикс интернейшнл» внешнее хранилище вмещает сборки, предназначенные для очередной загрузки, и в случае необходимости все ТВС, находящиеся в активной зоне. В процессе транспортировки тепловыделяющие сборки находятся в натрии.
На примере реактора фирмы «Атомикс интернейшнл» проследим за процессом замены облученных ТВС в активной зоне свежими сборками. При этом будут рассмотрены основные особенности процесса перегрузки, характерные для быстрых реакторов.
Свежая тепловыделяющая сборка извлекается из гнезда внешнего хранилища с помощью механизма перегрузки и под уровнем натрия устанавливается в пенал, который имеет две ячейки: для одной свежей и одной облученной ТВС (в данном случае вторая ячейка остается незанятой). Пенал поднимается по наклонному тракту транспортировочного канала в передаточный бокс, затем через другой канал подается в элеватор реактора и устанавливается в гнездо, расположенное в зоне боковой нейтронной защиты.
После этого приводится в действие механизм перегрузки, который извлекает из активной зоны отработавшую ТВС, транспортирует ее к пеналу и устанавливает в свободную ячейку. Свежая ТВС устанавливается в освободившееся гнездо активной зоны. Облученная ТВС транспортируется через передаточный бокс во внешнее хранилище.
Передаточный бокс заполнен инертным газом (аргоном), как и полость реактора над уровнем натрия. Для доставки ТВС в передаточный бокс используется подъемный механизм. Следует отметить, что в реакторе бакового типа благодаря большим размерам бака возможно расположение элеватора с меньшим углом наклона, что позволяет сократить габариты передаточного бокса и исключить необходимость горизонтального перемещения ТВС (см. рис. 12.18).
При транспортировке как свежих, так и облученных ТВС пенал заполнен натрием. В конструкции пенала фирмы «Атомикс интернейшнл» предусмотрено сифонное устройство, которое снижает уровень натрия в пенале при извлечении его из реактора на 150 мм от верхней кромки, чтобы исключить утечку натрия внутри передаточного бокса.
Перегрузка топлива начинается через 2 сут после остановки реактора, когда остаточное тепловыделение в каждой ТВС составляет 30—40 кВт. Время транспортировки пенала в газовой среде внутри передаточного бокса составляет 10 мин. При этом температура натрия внутри пенала увеличивается на 20 СС за счет мощности, выделяемой ТВС. Если пенал длительное время находится в передаточном боксе, тепло от его поверхности будет передаваться излучением на стены бокса. Расчеты показывают, что температура пенала при этом не превысит 500 С. В случае аварийной задержки пенала с ТВС внутри транспортировочного канала необходимо принудительное его охлаждение во избежание недопустимого повышения температуры.
Перемещение ТВС внутри реактора осуществляется с помощью перегрузочного механизма, установленного в одной из поворотных пробок верхней крышки бака. Число поворотных пробок обычно равно трем (см. рис. 12.17). Ось большой поворотной пробки совпадает с осью бака реактора, а две малые пробки расположены эксцентрично. За счет поворота каждой пробки на определенный угол механизм перегрузки может устанавливаться над любой ячейкой активной зоны и зоны воспроизводства.
Для перемещения сборок во внешнем хранилище может использоваться одна поворотная пробка с перегрузочным механизмом (проект фирмы «Атомикс интернейшнл»). На реакторе «Супер-Феникс» ТВС хранятся во вращающемся барабане, что исключает необходимость в поворотных пробках. Простота описанной картины перегрузки не должна создавать иллюзию, что у разработчиков реакторов БН нет проблем, связанных с транспортировкой облученного топлива.
Применяются различные варианты систем транспортировки ТВС. Например, на реакторе FFTF в крышке бака установлены три малые независимые поворотные пробки, каждая из которых снабжена отдельным механизмом перегрузки и обслуживает 1/6 ячеек активной зоны.
Более простая система перегрузки была применена на реакторе SEFOR, где передаточный бокс, заполненный аргоном, размещался непосредственно над баком реактора. Во время перегрузки верхняя крышка реактора снималась (как это делается в тепловых реакторах), и тепловыделяющие сборки подавались в передаточный бокс, а затем — во внешнее хранилище. Поскольку мощность, выделяемая ТВС реактора SEFOR, была невелика, для их охлаждения в процессе транспортировки было достаточно естественной конвекции аргона, что составляло главное преимущество данной системы.
Б. ПОЛУЧЕНИЕ СВЕЖИХ И ОТПРАВКА ОБЛУЧЕННЫХ ТВС
Операции приемки и отправки тепловыделяющих сборок осуществляются в специальном помещении, где расположены участки приемки и отправки ТВС, а также отсеки для проведения сопутствующих операций со свежими и облученными ТВС.
Свежие тепловыделяющие сборки, доставленные на АЭС, устанавливаются в специальном хранилище без натрия, пока реактор находится на мощности. После остановки реактора они транспортируются во внешнее хранилище.
Облученные сборки из внешнего хранилища подаются в специальный отсек, где их помещают в транспортный контейнер. Если остаточная мощность ТВС достаточно мала, контейнер может быть заполнен газом. В противном случае для охлаждения сборок требуется заполнять контейнер натрием либо обеспечивать принудительную циркуляцию газа.
