В ядерных реакторах используются дисперсионные твэлы, имеющие форму стержней. С уменьшением диаметра стержневых твэлов наряду с трудностью изготовления уменьшается их жесткость в сборке, и при проектировании ТВС существенное значение приобретает задача крепления и правильного расположения стержней относительно друг друга на весь период эксплуатации с сохранением физико-теплотехнических требований.
Рис. 4.18. Дистанционирующие решетки ТВС со стержневыми твэлами:
1 — треугольный тип; 2 — ромбический; 3 — кольцевой; 4 — петлевой; 5 — стержни, обвитые проволокой; 6 — сотовый тип (треугольное расположение); 7 — трубчатые дистанционирующие прокладки, соединенные по оси; 8 — трубчатые дистанционирующие прокладки с поперечной связью; 9 — ленточная фигурная дистанционирующая решетка; 10 — шесть спиральных ребер на каждом стержне
Таблица 4.3. Основные параметры стержневых твэлов и сборок из них
Стержни в большинстве случаев дистанционируются проволокой, навитой по винтовой линий. Постоянное перемешивание теплоносителя в ТВС со стержневыми твэлами, частично вызываемое намотанной по спирали проволокой, уменьшает возможность образования местных перегревов и увеличивает коэффициент теплоотдачи. Стержневые твэлы в сборке дистанционируются и другими способами: ребристыми оболочками, звездочками, решетками, концевыми деталями.
Формы применяемых дистанционирующих решеток приведены на рис. 4.18.
В табл. 4.3 представлены характеристики стержневых дисперсионных твэлов и сборок из них.
В исследовательском реакторе ML-1 применена тепловыделяющая сборка из стержневых твэлов, причем внешний ряд содержит 12 твэлов, а внутренний — 6 (рис. 4.19, табл. 4.3). Для внешних стержневых твэлов в качестве топлива использованы таблетки из смеси UO2 (31%) и ВеО (69%), а для внутренних — таблетки двуокиси урана. Оболочки для всех твэлов изготовлены из хастелоя-Х, размером по диаметру 6,1X0,76 и длиной 812,8 мм (активная часть 558,8 мм). В верхней части стержней для теплоизоляции помещают таблетки окиси магния, а с нижних концов через таблетку из окиси бериллия пружиной прижимают топливо, которое может свободно удлиняться при тепловом расширении. Для понижения общего давления и сбора газообразных осколков деления в твэле предусмотрен свободный объем, где находится пружина. В центре ТВС размещается стержень из сплава хейнсс-25. Все стержни в сборке дистанционируются между собой проволокой, навитой по спирали.
Рис. 4.19. ТВС реактора ML-1:
1 — пружинный фиксатор; 2 — слой из ВеО; 3 — кадмиевый поглотитель; 4 — топливная таблетка; 5 — слой MgO; 6 — изоляция; 7 — труба из нержавеющей стали; 8 — внутреннее покрытие из хастелоя; 9 — центральный стержень из сплава хейнес-25; 10 — стержень из UO2; 11 — наружные стержни из UO2—ВеО (12 шт.); 12 — оболочка из хастелоя-Х
Рис. 4.20. ТВС реактора ВВР-2:
1 — кольцевые щели; 2 — межтрубное пространство
В советском исследовательском реакторе ВВР-2 использована тепловыделяющая сборка квадратного сечения с 16 стержневыми твэлами (рис. 4.20, табл. 4.3). В тепловыделяющей сборке каждый стержневой твэл заключен в трубку. Эффективное и стабильное охлаждение каждого твэла осуществляется в кольцевом зазоре, образованном стержневым твэлом и трубкой.
Подобные стержневые твэлы без окружающих их труб были применены вначале и для реактора ИРТ-2000, где в качестве топлива использована композиция двуокись урана — магний. На рис. 4.21 (табл. 4.3) показана схема расположения стержневых твэлов в тепловыделяющих сборках. Твэлы дистанционируются только нижней и верхней решетками. В новом, более мощном варианте реактора ИРТ-5000 исследованы тепловыделяющие сборки, состоящие из трех кольцевых твэлов (см. табл. 4.3).
Рис. 4.21. Поперечное сечение ТВС реактора ИРТ-2000:
1 — ТВС; 2 — твэл; 3 — регулирующий стержень
Тепловыделяющая сборка реактора Indian Point состоит из 195 стержневых твэлов, дистанционируемых между собой проволокой, навитой по спирали (рис. 4.22, табл. 4.3). В качестве топлива использованы спеченные таблетки из смеси высокообогащенной UO2—ThO2. Таблетки помещают с зазором 0,1 мм в оболочку из нержавеющей стали длиной 2402, диаметром 6,7 и толщиной стенки 0,5 мм. Под заглушками каждого твэла находятся теплоизолирующие таблетки. Твэлы герметизируют сваркой колпачков с концами трубки, предварительно заполненной гелием. Для выравнивания нейтронного поля и экономии топлива используют шесть типов стержневых твэлов, расположенных в различных местах по радиусу реактора и различающихся между собой только соотношением UO2—ThO2. К концам каждого твэла припаивают наконечник из нержавеющей стали. При сборке наконечники твэлов вставляют в отверстия дистанционирующих дисков, которые жестко крепят пайкой изнутри к квадратному кожуху из циркалоя-2 размером 140X140 мм с толщиной стенки 4 мм. Твэлы собирают в квадратной решетке с шагом 9,6 мм. Шаг фиксируется с помощью трубчатых распорок, которые приваривают через каждые 200 мм вдоль твэла. Пучок твэлов обвертывают металлической лентой, что обеспечивает необходимый зазор между кожухом и пучком твэлов.
Рис. 4.22. ТВС реактора Indian Point: 1 — выходное отверстие; 2 — пружина; 3 — верхняя переходная деталь; 4 — направляющая каркаса ТВС; 5 дистанционирующая проволока; 6 — соединительный болт; 7 — выходное отверстие
Рис. 4.23. ТВС реактора ERR:
1 — верхний наконечник из нержавеющей стали 304; 2 — пружина (для термического расширения всей сборки); 3 — центральный стержень; 4 — гайка; 5— твэлы; 6 — верхняя решетка: 7 — кольцевая заглушка; 8 — выступы для закрепления зажимов; 9 — зажимы для закрепления твэлов; 10— нижняя опорная решетка активной зоны; 11 — нижний направляющий наконечник (держатель)
Тепловыделяющая сборка ERR состоит из 25 стержневых твэлов, дистанционируемых между собой решетками по концам и двумя решетками по длине твэлов (рис. 4.23, табл. 4.3). Па оболочках твэлов в местах расположения решеток имеются буртики, которые жестко фиксируют твэлы в продольном направлении. Конструкция ТВС позволяет извлекать центральный твэл и заменять его борсодержащим стержнем. Таблетки помещены в оболочку с кольцевым зазором 0,6 мм. Концы твэлов герметизируют сваркой (без гелия). Испытаны различные способы дистанционирования стержневых твэлов с применением решеток и проволоки. Вначале опробовалась решетка, состоящая из двух тонких металлических охватывающих скобок, припаянных к стержню и сваренных между собой точечной сваркой. Такая жесткая конструкция но позволяла компенсировать тепловое расширение твэлов; кроме того, она слишком сложна и дорога в пзготовлснии. Затем было опробовано дистанционирование проволокой 0 0,8 мм, навитой вокруг каждого стержня. Концы проволоки приваривались к металлической скобе, удерживающей пять рядов труб. От этой конструкции также пришлось отказаться вследствие плохого дистанционирования стержней и наличия напряжения в проволоке. В окончательном варианте дистанционирование производится металлическими скобами-зажимами, изогнутыми в полукруглые петли, которые охватывают с обеих сторон один ряд стержней, и сваренными между собой точечной сваркой в решетку (см. рис. 4.23). Точно такие же решетки расположены по концам тепловыделяющей сборки.
На рис. 4.24 показана оригинальная конструкция открытого (вентилируемого) стержневого твэла в графитовой оболочке высокотемпературного реактора HTGR в Пич-Боттоме (США) (см. табл. 4.3). Твэл диаметром 90, общей длиной 3660 и длиной активной части около 2300 мм состоит из верхней секции отражателя, средней секции, содержащей топливо, нижней секции отражателя, графитовой втулки (трубы), топливных брикетов, внутренней ловушки для продуктов деления и графитового стержня. Втулка, изготовленная из малопроницаемого графита, содержит топливо, часть нижнего отражателя и ловушку. Графитовая втулка соединена с верхним и нижним отражателями. Графитовый стержень заполняют кольцеобразными топливными брикетами (высота 38, 069,7 мм). Частицы (U, Th)C2 диаметром 150—400 мкм имеют покрытие из плотного РуС толщиной 50—60 мкм. Это покрытие защищает топливный материал от окисления в процессе изготовления и способствует удержанию продуктов деления. Механическая прочность топливного брикета обеспечивается графитовой матрицей, которая практически не повреждается осколками деления. Внутренняя ловушка, расположенная в нижнем отражателе, состоит из графитового цилиндра с прорезями, содержащего обработанный древесный уголь в виде гранул.
Небольшая часть гелиевого теплоносителя поступает в твэл, в верхнюю секцию отражателя. Газ проходит вниз вокруг брикетов топлива, унося продукты деления из пространства между брикетами топлива и графитовой втулкой. Затем он поступает в желобки, отформованные на внешней поверхности топливных брикетов. После очистки активной зоны от продуктов деления газ идет через внутреннюю ловушку, где остается большая часть продуктов деления. Из нижней части внутренней ловушки газ проходит на очистительную линию, ведущую к наружной ловушке, где удаляются оставшиеся продукты деления.
Максимальная температура топлива внутри брикета равна ~ 1500 °С, температура на поверхности твэла ~П00°С. В конструкциях ТВС для более крупных реакторов использованы твэлы большей длины и большего диаметра. Активные зоны спроектированы в расчете на выгорание 80 000—100 000 МВт-сут/т при сроке работы твэлов на полной мощности около 6 лет.
Рис. 4.24. Твэл реактора HTGR:
1 — нижний отражатель; 2 — верхний отражатель; 3 — компактное топливо; 4 — втулка; 5 — внутренняя ловушка для продуктов деления
В твэлах реактора HTGR отсутствуют металлические оболочки и другие детали, что существенно снижает паразитный захват нейтронов. В результате этого основное количество нейтронов используется для превращения топливного сырья (232Th) в новое топливо (233У), что способствует высокому выгоранию топлива.
Рис. 4.25. Сечение ТВС реактора «Драгон» (первая загрузка):
1 — полые гексагональные стержни из графита; 2 — топливо; 3 — полый графитовый стержень
Использование гелия в качестве теплоносителя и применение графита в твэлах дают возможность создавать в ядерном реакторе высокие температуры, так как в отличие от металлов и сплавов механические свойства графита с повышением температуры улучшаются.
Тепловыделяющая сборка высокотемпературного реактора «Драгон» состоит из семи гексагональных вентилируемых стержневых твэлов в графитовых оболочках (рис. 4.25, табл. 4.3). Полые гексагональные стсржни с дистанционирующими ребрами образуют каналы для теплоносителя, имеющие форму трилистника. Сверху и снизу тепловыделяющей сборки находятся отражатели нейтронов. Из топлива изготовляют втулки и насаживают их на центральный полый или сплошной графитовый стержень, который помещают в графитовую трубу. На торцах втулок, от центра к краю, имеются выточки для сбора газа. Графитовая труба сверху заканчивается очень узким каналом, через который из первого контура входит небольшой поток очищенного гелия. Гелий проходит по каналу графитового стержня в ловушку, где очищается от продуктов деления.
В экспериментальном газовом реакторе EBOR, работающем на уран-плутониевом топливе, использована ТВС, состоящая из 18 стержневых твэлов, дистанционированных проволокой. Все стержневые твэлы размещены в кольцевом пространстве из окиси бериллия (рис. 4.26, табл. 4.3). Стержневой твэл состоит из 178 спеченных таблеток смешанного топлива, размещенных в оболочке из хастелоя-Х.
Стержневые дисперсионные твэлы нашли широкое применение в исследовательских и энергетических реакторах (США). Принят самый разнообразный состав композиции ядерного топлива, в основном UO2 с различными матрицами в зависимости от условий работы реактора. В качестве материала оболочки используют графит, хастелой-Х, нержавеющую сталь, циркалой и алюминий. Дистанционирование стержневых твэлов в сборке в основном производится навитой по спирали проволокой или другими способами. Необходимо отметить, что в США ведутся широкие исследовательские работы по использованию смешанного уран-плутониевого топлива в дисперсионных твэлах реактора PRTR.
Рис. 4.26. ТВС реактора EBOR:
1 — топливная таблетка из UO2—ВеО; 2 — брикеты из ВеО; 3 — трубка с коитрольно-измерительными приборами; 4 — стержневой твэл; 5 — проволока для дистаиционирования твэла; 6 — приспособление с пружиной для компенсации теплового расширения ВеО в сборке; 7 — опорная плита активной зоны. Стрелками показано направление потока теплоносителя
