Во многих ядерных реакторах применены тепловыделяющие сборки с кольцевыми твэлами, в основном с сердечниками UO2—А1 и UO2 — нержавеющая сталь (табл. 4.2).
В Первой АЭС (СССР) в канальном водографитовом реакторе мощностью 5 МВт использованы кольцевые твэлы с сердечником из сплава уран — 9 % молибдена с матрицей из магния и оболочкой из нержавеющей стали. Этот реактор успешно работает с 1954 г. до настоящего времени при давлении теплоносителя 10 МПа и температуре пара 280 °С. Впервые была разработана конструкция кольцевого твэла с внутренним охлаждением, за счет чего уменьшена вероятность попадания продуктов деления в первый контур при повреждении твэлов, т. е. повысилась надежность твэлов (рис. 4.10, табл. 4.2).
На Белоярской АЭС им. И. В. Курчатова в реакторе второго блока мощностью 200 МВт были сохранены надежные конструктивные принципы реактора Первой АЭС с односторонним охлаждением твэлов. Главнейшей научно-технической проблемой создания реактора с ядерным перегревом оказалась разработка твэлов, которые позволили бы получить в реакторе перегретый пар максимальной температуры 565 °С при давлении до 13 МПа и тепловом потоке до 1 МВт/'м2 с допустимой температурой на наружной оболочке твэла не выше 650 °С. Такие пароперегревательные дисперсионные твэлы были созданы на основе двуокиси урана с высокотеплопроводной матрицей в оболочке из стали марки ЭИ-847, энерговыработкой 1200 МВт-сут/канал, выгоранием топлива до 40 кг/т и календарным ресурсом работы до 8 лет.
В первоначальном виде была установлена шеститвэльная сборка; перегрев пара осуществлялся при его последовательном движении вначале через три твэла сверху вниз и затем через три твэла снизу вверх. В дальнейшем тепловыделяющая сборка была модернизирована и в делом изменена конструкция твэлов. В последнем варианте из сборки изъят один твэл и пар перегревается в пяти твэлах (три опускных и два подъемных). Диаметр внутренней трубки твэла увеличен до размеров 16,0X0,7, наружная — до 23,0X0,3 мм. В результате проведенной реконструкции заметно улучшились физические и теплотехнические характеристики, так как сократился объем матричного материала в твэле и увеличилось проходное сечение ТВС. На рис. 4.11, 4.12 и в табл. 4.2 показаны ТВС и твэлы в сечении.
В отличие от реакторов Первой и Белоярской АЭС на Билибинской АТЭЦ, состоящей из четырех одинаковых энергетических блоков (реактор—турбина), применена схема естественной циркуляции теплоносителя, что значительно повысило надежность тепловой схемы водографитовых реакторов БилАТЭЦ с кипением воды. ТВС и твэлы БилАТЭЦ конструктивно аналогичны ТВС и твэлам Белоярской АЭС, т. е. в них также исключено попадание осколочной активности в теплоноситель.
Та блица 4.2. Основные параметры кольцевых твэлов и сборок из них
Рис. 4.10. ТВС (канал) Первой АЭС: 1 — выход воды из канала; 2 — вход воды в канал; 3 — отбор газа из ячейки канала; 4 — головка рабочего канала; 5 — втулка из алюминия; 6 — защитная втулка; 7 — центральная трубка 15X0,6 мм; 8 — периферийная трубка 9X0,4 мм; 9 — графитовая втулка; 10 — твэл; 11 — хвостовик рабочего канала
Рис. 4.11. Принципиальная конструкция пароперегревательного канала и твэла Белоярской АЭС им. И. В. Курчатова:
а — канал: 1 — выход пара из канала; 2 — вход пара в канал; 3 — верхняя головка; 4 — уплотнительные кольца; 5 — твэл; 6 — компенсатор линейного расширения; 7 — нижняя головка; б — поперечное сечение канала: 1 — графитовая втулка; 2 — твэл; 3 — пароподводящая трубка; в — твэл: 1 — внутренняя трубка; 2 — концевая заглушка; 3 —наружная оболочка; 4 — топливная композиция
Рис. 4.12. Сечение пароперегревательных каналов и твэлов БАЭС, шеститвэльиый (а), пятитвэльный (б) каналы:
1 — внутренняя трубка твэла; 2 — топливная композиция; 3 — наружная оболочка твэла
Рис. 4.13. ТВС реактора Pathfinder:
1 — внешняя труба из нержавеющей стали 304 L; 2 — разделительная труба из нержавеющей стали; 3 — твэл внешним диаметром 21,3 и толщиной 0,89 мм; 4 — твэл внешним диаметром 16 и толщиной 0,89 мм; 5 — стержень с выгорающим поглотителем (В4С) диаметром 12,6 мм; 6 — кольцевые зазоры для застойного пара (0,63 мм) и для теплоносителя (1,27; 1,19 и 1.14 мм); 7 — проволока для дистанционирования
Примером зарубежных реакторов подобного типа может служить энергетический реактор Pathfinder (рис. 4.13, табл. 4.2) для перегрева пара. Сборка состоит из наружной и разделительной стальных труб, двух концентричных кольцевых твэлов и борсодержащего стержня в центре. Коаксиальное дистанционирование труб, твэлов и стержня в сборке осуществляется проволокой соответствующего диаметра. Кольцевые твэлы имеют следующие размеры: длина 1830, внешние диаметры 21,3 и 16, общая толщина стенки твэлов 0,89 мм. Твэл состоит из дисперсионной смеси (высокообогащенная двуокись урана и нержавеющая сталь), заключенной в оболочку из нержавеющей стали. Размеры трех кольцевых зазоров для теплоносителя, образуемых разделительной трубой, твэлами и борсодержащим стержнем, соответственно равны 1,27; 1,19 и 1,14 мм. Размер зазора между внешней и разделительной трубами из нержавеющей стали равен 0,63 мм. Паровой слой, заключенный между стальными трубами, предназначен для изоляции перегретого пара от сравнительно холодной воды замедлителя, окружающей эти трубы. Борсодержащий стержень диаметром 12,6 мм (толщина стенки оболочки 0,71 мм) служит для увеличения срока работы активной зоны реактора.
Рис. 4.14. ТВС реактора РФТ:
1 — труба рабочего канала; 2 —труба для размещения облучаемых образцов; 3 — верхние дистанционирующие гребенки; 4 — нижние дистанционирующие гребенки; 5 — кольцевой твэл с удлиненным концом, разделяющий потоки теплоносителя, движение которого показано стрелками; б — твэл
В советском исследовательском реакторе РФТ, работавшем с 1952 по 1963 г., сборка состояла из шести концеитрично расположенных кольцевых, трубчатых твэлов с зазором для воды ~2,5 мм, дистанционируемых по торцам специальными гребенками (рис. 4.14 и 4.15, табл. 4.2).
Рис. 4.15. Вид ТВС реактора РФТ
Топливо в виде смеси двуокиси урана и алюминия размещалось в оболочке из алюминия. Один из кольцевых твэлов, третий по счету, разделял потоки воды в канале, выполненном в виде трубки Фильда. Наружные твэлы, до третьего, охлаждались водой, движущейся сверху вниз, а внутренние — водой, движущейся снизу вверх (рис. 4.15).
В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова вместо реактора РФТ в 1963 г. сооружен реактор МР канального типа, погруженный в бассейн. В рабочих каналах, представляющих собой трубки Фильда, размещены ТВС, состоящие из пяти коаксиально расположенных кольцевых твэлов длиной до 1000 мм, охлаждаемых водой под давлением. Дистанционирование твэлов осуществляется тремя продольными ребрами на внешних оболочках твэлов. Ребра на оболочках кольцевых твэлов выпрессовываются в горячем состоянии. Средний, топливный слой, содержащий UA14—А1, имеет одинаковую толщину между ребрами и под ребрами. В качестве оболочки твэла использован алюминиевый сплав.
В 1966 г. в СССР для испытаний твэлов и материалов был пущен в эксплуатацию реактор МИР канального типа, погруженный в бассейн. Петлевые каналы с водой под давлением представляют собой трубки Фильда, в которых установлены, как и в реакторе МР, ТВС, состоящие из концентрично расположенных кольцевых твэлов, дистанционируемых тремя продольными ребрами на внешних оболочках каждого твэла.
В исследовательском реакторе ВВР-М (СССР) использованы ТВС, состоящие из трех секций. В каждой из секций размещено по одному шестигранному и по два кольцевых коаксиально расположенных твэла (рис. 4.16, табл. 4.2).
Рис. 4.16. ТВС реактора ВВР-М:
а — поперечное сечение сборки; б — сечение твэла; 1 — пространство для теплоносителя г 2 — твэлы; 3 — сердечник; 4 — оболочка; 5 — концевая заглушка
Рис. 4.17. Твэл реактора РМ-1
В энергетическом реакторе РМ-1 (США) кольцевые твэлы в сборке собирают подобно стержневым (рис. 4.17, табл. 4.2). Топливная композиция твэлов этого реактора представляет собой смесь порошков нержавеющей стали и обогащенной (28%) двуокиси урана. Твэлы изготовляют путем последовательно проводимых операций: холодного прессования сердечника с топливом в пластины придания пластинам формы трубок, сварки стыка трубок, протяжки оболочек вместе с сердечником, всестороннего обжатия для плотного сцепления сердечника с оболочкой. Изменение диаметра обоих концов кольцевого твэла при ротационной ковке позволяет оптимально распределить поток воды между внутренней и наружной поверхностями твэла, тем самым обеспечивается равное удельное тепловыделение с обеих поверхностей твэла. Тепловыделяющая сборка содержит 121 периферийный и 15 центральных твэлов. Нижние концы твэлов плотно запрессовываются с тугой посадкой в нижнюю решетку, а верхние концы свободно вставляются в отверстия верхней решетки; таким образом, при термическом расширении твэлы могут свободно удлиняться в верхней решетке.
Во всех реакторах с кольцевыми твэлами в качестве топлива использована двуокись урана; в энергетических реакторах материалом оболочки и матрицы служит нержавеющая сталь; температура теплоносителя 250—440 °С; тепловой поток 1—2,5 МВт/м2; в исследовательских реакторах в качестве оболочки и матрицы применен алюминий, работающий при температуре теплоносителя (вода) не выше 100 °С и тепловом потоке 1 МВт/м2.
Длинные коаксиально расположенные твэлы в сборке дистанционируются проволокой, навитой на них по спирали; короткие твэлы дистанционируются с помощью концевых деталей.
В СССР твэлы подобного типа получили широкое применение; они впервые были использованы в реакторах РФТ (МР) и Первой АЭС.
