Рис. 4.8. Сечения ТВС с пластинчатыми твэлами:
а — прямоугольная ТВС с прямыми пластинчатыми твэлами; б — прямоугольная ТВС с изогнутыми пластинчатыми твэлами; в — кольцевая ТВС, составленная из изогнутых пластинчатых твэлов; г — кольцевая ТВС, в межтрубном пространстве которой размещены изогнутые пластинчатые твэлы
Таблица 4.1. Основные параметры пластинчатых твэлов и их сборок
* т. — максимальный поток тепловых нейтронов. ** б. — максимальный поток быстрых нейтронов.
Дисперсионные пластинчатые твэлы и сборки из них нашли широкое применение в реакторостроении. На рис. 4.8 показаны принципиальные конструкции тепловыделяющих сборок, применяемых в реакторе. Для удержания пластинчатых твэлов в сборке в точном пространственном положении относительно друг друга применяют различные дистанционирующие устройства в виде опорных боковых и кольцевых металлических пластин. Тонкие пластинчатые твэлы имеют большую теплообменную поверхность, однако в работе они механически малоустойчивы, и возможен выход их из строя вследствие термических, вибрационных и других воздействий. Выгибание или гофрироване пластин в сочетании с жестким креплением их в тепловыделяющей сборке повышает механическую устойчивость твэлов.
В табл. 4.1 приведены характеристики дисперсионных пластинчатых твэлов различных реакторов.
Широкое распространение, главным образом в США, получили пластинчатые твэлы типа MTR (рис. 4.9, табл. 4.2). Максимальный поток тепловых и быстрых нейтронов в некоторых реакторах достигает 5-10+19 нейтр/(м2-с) (СМ-2, HFIR). Тепловой поток в разных реакторах колеблется от нескольких Вт/м2 до 6 МВт/м2. Для большого числа исследовательских реакторов с твэлами, состоящими из композиций UAU—(А1— 1% ,Ni), U3O8—А1 или UO2—А1 в алюминиевой оболочке, температура теплоносителя принята ниже 100 °С. В энергетическом реакторе SL-1 с твэлами из композиции UAU—(А1—1% Ni) в оболочке из сплава алюминия с никелем температура теплоносителя достигает 215 °С. Это самый высокий опубликованный уровень температуры теплоносителя для реакторов, тепловыделяющие элементы которых имеют оболочки из алюминиевых сплавов. Для некоторых исследовательских и энергетических реакторов (SM-1, РМ-2А, EOCR и VBWR) с твэлами в оболочке из нержавеющей стали и сердечником UO2 — нержавеющая сталь температура теплоносителя принята в пределах 230—285 °С, а при использовании оболочек из циркалоя 255—295 °С (EBWR, Shippingport-2).
Рис. 4.9. ТВС реактора MTR:
1 — верхний фиксирующий концевик; 2 — пружина из нержавеющей стали 304; 3 — нижний фиксирующий концевик; 4 — коническое кольцо из алюминия; 5 — стопорное кольцо из нержавеющей стали; 6 — держатель из алюминия; 7 — пластинчатый твэл; 8 — слой топлива; 9 — покрытие из алюминия; 10 — затолка пластин развальцовкой или папкой; 11 — боковая пластина из алюминия
В реакторе OMRE с органическим теплоносителем и твэлами из композиции UO2 — нержавеющая сталь в оболочке из нержавеющей стали температура теплоносителя достигает 375 °С. Максимальное выгорание 235U в основном не превышает 30%. В 70% случаев конструктивно, как правило, используются изогнутые пластинчатые дисперсионные твэлы. Размеры пластин следующие: длина 600—700, в отдельных случаях достигает 1237 мм, ширина от 70 до 90 мм при расположении пластин в сборке в один ряд и до 35 мм при расположении их в два ряда, толщина пластин 1,3—3 мм. Конструкции тепловыделяющих сборок совершенствовались для повышения их живучести: применяли жесткое крепление твэлов в пазах боковых пластин развальцовкой вместо пайки, пластины размещали в сборке в два ряда, применяли надежные способы дистанционирования и обеспечения свободы термического расширения и удлинения пластинчатых твэлов.
Дисперсионные элементы из уран-алюминиевых сплавов в матрице из алюминия или его сплавов нашли широкое применение в исследовательских водо-водяных реакторах. При литье сплава уран-алюминий получается смесь дисперсии интерметаллидов (UA12, UA13, UAU) с алюминием. Количественное соотношение интерметаллидов изменяется с температурой. Увеличение содержания урана в этих сплавах свыше 25% ведет к повышению твердости при прокатке пластин, а в связи с этим и к повышению хрупкости. Дисперсионная же система позволяет использовать эти сплавы с большим содержанием урана, поэтому сердечником дисперсионного твэла могут служить сплавы почти любого состава.
Большую роль в работоспособности дисперсионного твэла играет совместимость сердечника с оболочкой. Для повышения стойкости твэлов с алюминиевой оболочкой на внутреннюю поверхность оболочки наносят покрытие, чаще всего никелевое, что обеспечивает прочное сцепление оболочки с сердечником.
Промежуточный слой из эвтектики алюминий-кремний служит хорошим барьером для взаимодиффузии алюминия и урана, промежуточный слой из А120з между алюминием и ураном также предотвращает диффузию; хорошими свойствами обладает и промежуточный слой из UZn.
Дисперсионные системы UO2—А1 изучены достаточно хорошо. Исследования показали, что размер частиц алюминия должен быть меньше 60, а двуокиси урана 75—150 мкм. Содержание мелких зерен двуокиси урана (1 мкм) ведет к растрескиванию изделий в процессе изготовления (при прокатке), наличие же крупных зерен даже при 30%-пом объемном обжатии не приводит к образованию дефектов.
Двуокись урана и алюминий не реагируют друг с другом до 600 °С, по при 24-часовой выдержке при указанной температуре происходит взаимодействие с образованием UA12, UAI3, UA14 и А1203.
Если же вместо UO2 использовать U3O8, то за 3000 ч при 600 °С изменение составит только 4%, однако есть данные, что U3O8 реагирует с алюминием при температуре до 210 °С с образованием UO2, следовательно, механизм процесса до конца не изучен. Удовлетворительные результаты по применению U3O8—А1 привели к созданию нового вида дисперсий, составленных из волокон стекла, содержащего U3O8. Сердечник из такого материала имеет вид волокон стекла со слоями алюминия состава ~38% А1 и 62% уранового стекла с содержанием в нем ~50% U3O8. Дисперсионные смеси — урановое стекло с алюминием получают методом горячего прессования без разрушения волокон, при горячен прокатке волокна разрушаются.
