Конструкция твэла в быстрый реактор-размножитель с газовым охлаждением такая же, как в реакторе БН, за исключением негладкой поверхности оболочки и устройства для выравнивания давления.
Ребрение поверхности твэла в активной части приводит к усилению теплопередачи, что использовалось в тепловых газоохлаждаемых реакторах. Поскольку мощность, требуемая на прокачку гелия, при этом растет, необходим критерий, позволяющий установить компромисс между выигрышем в теплосъеме и дополнительными затратами мощности. Таковым может служить индекс качества теплосъема I = St3/f, где St — число Стантона 1см. формулу (17.1)]; / — коэффициент трения. Этот индекс пропорционален отношению тепловой мощности к мощности прокачки, поэтому желательно его максимизировать.
Типичная негладкость, создаваемая двухмерным рельефом поверхности твэла, приводит к увеличению числа Стантона в 2 раза и коэффициента трения в 4 раза по сравнению с условием гладкого твэла [1]. Следовательно, индекс качества теплосъема возрастает в 2 раза. Предлагались варианты трехмерного рельефа поверхности,при которых расчетный индекс качества возрастает в 4 раза [2].
Негладкая (ребристая) поверхность не только улучшает теплопередачу, но также выравнивает температурное поле твэлов и дистанционирующих решеток, т. е. приводит к более однородному распуханию металла.
Изучались различные способы создания негладкой поверхности, оптимальные с точки зрения падения давления и появления горячих точек. Предпочтение было отдано ребристой поверхности, показанной на рис. 17.10. Характеристики поверхности задаются высотой и шириной ребер и расстоянием между ними. Корреляционные теплофизические формулы для такой поверхности обсуждаются в следующем параграфе.
Рис. 17.10. Распределение температуры вдоль твэла: а — распределение температуры в теплоносителе (сплошная кривая) и в оболочке твэла (штриховая); б — общий вид твэла, 1 — нижний наконечник; 2 — ловушка газообразных продуктов деления; 3 —таблетки нижней зоны воспроизводства; 4 — топливные таблетки активной зоны; 5 — таблетки верхней зоны воспроизводства, 6 — прижимная пружина; 7 — верхний наконечник (вверчу показан участок ребристой поверхности твэла)
Рис. 17.11. Схема выравнивания давления в твэлах и в реакторе: 1 — опорная плита; 2 — отвод газообразных продуктов деления; 3 — тепловыделяющая сборка, 4 — петля первою контура; 5 —линия вентилирования; 6 — парогенератор; 7 — газодувка, 3 — система очистки гелия
Давления внутри твэлов и в активной зоне выравниваются путем вентилирования твэлов с использованием системы ловушек газообразных продуктов и очистки гелия (рис. 17.11). Благодаря этому осуществляется разгрузка твэлов от напряжений, вызванных давлением внутренних газов. Одновременно ограничивается попадание радиоактивных веществ в теплоноситель и облегчается поиск дефектных твэлов. Последний основан на регистрации атомов от различных групп сборок. Отпадает необходимость в газовой полости, имеющейся в твэлах реакторов БН*. Вентилируемые твэлы имеют то важное преимущество, что в них устранена причина разрушения оболочки за счет внутреннего давления газов.
Г. ТИПИЧНЫЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БР С ГЕЛИЕВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
В табл. 17.4 и 17.5 приводятся типичные рабочие характеристики сборки БР с гелиевым охлаждением Общая потеря давления теплоносителя составляет лишь 0,29 МПа, что заметно меньше, чем для сборки реактора с жидкометаллическим теплоносителем. Из табл. 17.5 следует, что около половины потерь давления вызвано негладкостью поверхности твэлов. Хотя общая потеря давления меньше в случае гелиевого теплоносителя, мощность на его прокачку требуется в 4 раза больше, чем на прокачку натрия в реакторе БН (см. § 11.4).
Сборки боковой зоны воспроизводства в газоохлаждаемых БР из-за относительно низкой мощности заполняются твэлами с гладкой поверхностью. Кроме того, отношение шага к диаметру PID выбирается уменьшенным, и в качестве дистанционирующего устройства служит проволочная навивка. Число Рейнольдса также невелико. Однако остаточное тепловыделение в зоне воспроизводства значительное благодаря нагреву при поглощении γ-квантов. Требования к теплосъему в боковой зоне воспроизводства также повышены при работе на мощности.
Таблица 17.4. Характеристики тепловыделяющей сборки с гелиевым охлаждением
Потери давления, МПа | 0,29 |
Входная температура гелия, °С | 298 |
Выходная температура гелия, °С | 530 |
Максимальная температура оболочки, °С | 750 |
Максимальная линейная тепловая на1рузка, кВт/м | 41,0 |
Радиальный коэффициент неравномерности | 1,25 |
Аксиальный коэффициент неравномерности | 1,21 |
Средняя мощность сборки, МВт | 5,34 |
Средний поток в сборке, кг/с | 5,00 |
Среднее число Рейнольдса | 105 |
Скорость потока, м/с | 70 |
Максимальный флюенс, нейтр/см2 (E>0,1 МэВ) | 2,3-1023 |
Максимальная глубина выгорания, % | 10 |
Таблица 17.5. Относительные составляющие потери давления гелия в тепловыделяющей сборке
Участок | Потери. % |
Вход | 8,3 |
Нижняя зона воспроизводства | 4,8 |
Активная зона (грубая поверхность) | 44,0 |
Верхняя активная зона | 7,0 |
Дистанционирующие решетки | 22,6 |
Участок ускорения | 2,1 |
Выход | 11,2 |
НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Малая плотность теплоносителя и увеличенные зазоры между твэлами приводят к особенностям в физических характеристиках газоохлаждаемых быстрых реакторов. Прежде всего отметим жесткий спектр нейтронов (см. рис. 17.1) и их большую утечку из активной зоны. Из-за малой доли низко энергетичных нейтронов роль резонансного поглощения мала, вследствие чего доплеровский коэффициент в газоохлаждаемых быстрых реакторов примерно вдвое меньше, чем в реакторах БН.
Для расчета нейтронно-физических характеристик газоохлаждаемых быстрых реакторов используются методы и программы, развитые для анализа реакторов БП. Однако появляется необходимость учета прострела нейтронов по зазорам между газоохлаждаемыми твэлами. Иногда это делается введением поправки в kэф. Для расчета коэффициентов реактивности следует использовать усовершенствованные диффузионные методы. Более строгий учет эффектов прострела делается в рамках кинетических методов и методов Монте- Карло.
Существующие проекты БР с гелиевым охлаждением основаны на схемах топливного цикла, разработанных для реакторов БН. Например, полное обновление активной зоны происходит после трех перегрузок. Интервал между перегрузками выбирается равным 1 году. Для выравнивания поля энерговыделения активная зона разбивается на несколько подзон (вплоть до четырех) разного обогащения. Благодаря этому коэффициент радиальной неравномерности получается достаточно низким (около 1,20).
Как отмечалось в § 17.4, в конструкциях сборки предусматривается индивидуальная регулировка скорости прокачки гелия. Благодаря этому можно добиться одинакового подогрева теплоносителя по всей активной зоне в каждом цикле.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
- Каковы преимущества газоохлаждаемых быстрых реакторов?
- а) Каково рабочее давление гелия?
б) Почему необходимо давление в газоохлаждаемых быстрых реакторов в отличие от реакторов БН?
в) В чем заключается достоинство конструкции газоохлаждаемого быстрого реактора в железобетонном корпусе?
- а) Обсудите существенные различия в системах теплопередачи газоохлаждаемых быстрых реакторов и реакторов БН.
б) Как влияют эти различия на тепловую эффективность АЭС?
- а) Опишите дополнительные системы охлаждения.
б) При каких условиях работает система охлаждения на естественной конвекции?
- Почему топливная решетка в газоохлаждаемых быстрых реакторов менее плотная, чем в реакторах БН?
- а) Почему и как предусматривается негладкая поверхность газоохлаждаемых твэлов?
б) Объясните смысл индекса качества 1.
- Сравните значения числа Рейнольдса, скорости теплоносителя и максимальной линейной тепловой нагрузки в табл. 17.4 с аналогичными данными для реакторов БН.
- Почему для корреляции теплофизических данных газоохлаждаемых быстрых реакторов используется число Стантона, а для данных реактора с жидкометаллическим теплоносителем — число Пекле?
- Почему спектр нейтронов жестче в газоохлаждаемых быстрых реакторов, чем в реакторах БН?
