Активная зона газоохлаждаемого быстрого реактора во многих отношениях подобна активной зоне реактора с жидкометаллическим теплоносителем, хотя при одинаковой мощности имеет несколько большие размеры из-за более свободного расположения топливной решетки. Сходство конструкций того и другого типов реактора не случайно. Дело в том, что разработка газоохлаждаемых быстрых реакторов из экономических соображений проводилась для условий топливной технологии, развитой для реакторов БН. Рассматриваются те же топливные и конструкционные материалы и в тех же температурных и радиационных условиях, что и в реакторах БН. В качестве основного варианта было принято смешанное оксидное топливо, хотя изучались варианты топлива в виде карбида и металла.
Таблица 17.2 .
Типичные объемные доли материалов
Материал | БР с гелиевым охлаждением | Реактор БН с натриевым охлаждением |
Топливо | 0,30 | 0,45 |
Теплоноситель | 0,55 | 0,40 |
Конструкционный материал (нержавеющая сталь) | 0,15 | 0,15 |
В зонах воспроизводства обычно содержится обедненный уран в виде UO2, в некоторых проектах — ThO2. Материалом для оболочек и чехлов служит нержавеющая сталь марки 316, с холодной деформацией 20 %, что обусловлено опытом работы реакторов БН. Изучаются также возможности использования альтернативных типов конструкционного материала.
Рис. 17.7. Конструкция быстрых реакторов с гелиевым охлаждением:
а — вид сбоку; 1,3— верхняя и нижняя торцевые зоны воспроизводства; 2 — активная зона; 4— сборки защиты и отражателя; 5 — нижняя плита; 6 — плита в системе выравнивания давления гелия. б —вид сверху- 1 — тепловыделяющие сборки (150 шт.); 2 —сборки аварийной защиты (4 шт ), 3 — регулирующие стержни (15 шт ); 4 — сборки Отражателя и защиты (138 шт.); 5 —сборки боковой зоны воспроизводства (162 шт.)
Рис 17. 8. Сечения сборок различных типов
а — регулирующая сборка (61 пэл); б — тепловыделяющая сборка (265 твэлов), в — сборка Соковой зоны воспроизводства (61 твэл); г- защитная сборка (19 стержней)
К ним относятся другие марки аустенитных нержавеющих сталей, ферритные стали и сплавы с высоким содержанием никеля.
Особенностью геометрии активной зоны газоохлаждаемых БР, как отмечалось, является увеличенное расстояние между твэлами. Выбор этого расстояния определяется несколькими факторами, в первую очередь мощностью, затрачиваемой на прокачку гелия, и экономией нейтронов. Типичные объемные доли материалов в быстрый реактор-размножитель с гелиевым охлаждением и в реакторе БН представлены в табл. 17.2.
Рис. 17.9. Тепловыделяющая сборка БР с газовым охлаждением.
1 — выходное отверстие; 2 — верхние дистанционирующие выступы; 3— сменное сопло; 4 — верхняя защита; 5 —чехол; 6 — решетчатое крепление; 7 — дистанционирующая решетка; 8 — средние дистанционирующие выступы; 9 — твэлы; 10 — решетчатое крепление; 11 —нижняя защита; 12 — ловушка газообразных продуктов деления; 13 — входное отверстие; 14 — нижний хвостовик
Таблица 17.3. Типичные характеристики конструкции БР с гелиевым охлаждением
Видно, что объемная доля гелия существенно выше, чем натрия, что является следствием различия теплофизических свойств обоих видов теплоносителя. Вместе с тем этот факт для газоохлаждаемых быстрых реакторов является благоприятным с точки зрения последствий радиационного распухания конструкционных материалов.
На рис. 17.7 схематически показана конструкция быстрых реакторов с гелиевым охлаждением электрической мощностью 360 МВт. Видно, что она подобна конструкции реактора с жидкометаллическим теплоносителем с гомогенной активной зоной. Активная зона окружена боковой и торцевыми зонами воспроизводства, содержащими сырьевой материал. За боковой зоной воспроизводства расположены сборки защиты. Защита имеется также за торцевыми зонами воспроизводства, причем она должна быть более массивная, чем в реакторе БН, из-за малой плотности теплоносителя.
Сечения сборок различных типов показаны на рис. 17.8, их типичные характеристики даны в табл. 17.3. Характерные размеры элементов примерно такие же, как в реакторе БН. Общая конструкция тепловыделяющей сборки приведена на рис. 17.9. Для получения однородных температур гелия на выходе сборки предусмотрена сменная насадка. Твэлы фиксируются в сборке с помощью дистанционирующих решеток. Благодаря увеличенному расстоянию между твэлами дистанционирующие решетки оказываются более предпочтительными по сравнению с проволочной навивкой, используемой в сборках реактора с жидкометаллическим теплоносителем. Дело в том, что проволочная навивка не обеспечивает оптимального формирования потока теплоносителя в каналах сборки.
