Одной из основных задач при создании твэла и тепловыделяющей сборки является удовлетворение требований, продиктованных особыми условиями работы активной зоны, индивидуально для каждого вновь создаваемого ядерного реактора или при усовершенствовании активной зоны работающего реактора.
В табл. 4.4 приведены некоторые характеристики дисперсионных твэлов различных геометрических форм с различным ядерным топливом: U—Al; U3O8—Al; UC2 (с покрытием РуС) — графит; 235U (93 % обогащение) — 232 U — графит.
Таблица 4.4. Ттвэлы различных геометрических форм
Рис. 4.27. ТВС реактора ВВР-С:
а — стандартная ТВС; б — нестандартная ТВС; 1 — нижний лучевой держатель; 2 — твэл; 3 — верхний лучевой держатель
Тепловыделяющая сборка исследовательского реактора ВВР-С (СССР) (рис. 4.27, табл. 4.4) в первый период эксплуатации состояла из шести концентрично расположенных твэлов с топливом из смеси UO2—А1 в алюминиевой оболочке. Центральный твэл представлял собой цилиндр, а пять остальных имели форму шестигранника. Твэлы дистанционировались с помощью двух специальных держателей, установленных по концам тепловыделяющей сборки. Снизу сборки имелся хвостовик для установки на опорную плиту каркаса активной зоны.
В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова для типовых исследовательских реакторов ВВР-С конструкция тепловыделяющей сборки была усовершенствована, что позволило повысить в несколько раз мощность той же зоны (рис. 4.28, табл. 4.4.). Тепловыделяющая сборка модернизированного реактора ВВР-С имеет более развитую поверхность теплосъема (2,4 м2) по сравнению с первой конструкцией (0,98 м2). Четыре твэла восьмигранного сечения и один твэл круглого сечения, составляющие сборку, изготовлены из алюминий-уранового сплава в алюминиевой оболочке. На гранях алюминиевого кожуха сделаны продольные углубления, увеличивающие его жесткость. Кроме того, с помощью этих углублений производится дистанционирование концевыми деталями.
Для исследовательского реактора WWR-S (ГДР) вместо стержневых твэлов разработаны твэлы, имеющие в сечении крестообразную форму (рис. 4.29, табл. 4.4). Применение таких твэлов позволяет в ~2,4 раза увеличить поверхность теплосъема в сборке, а следовательно, и мощность реактора.
Рис. 4.29. Сечение твэла реактора WWR-S: 1 — сердечник; 2 — оболочка
1 — верхний конец сборки; 2 — алюминиевый чехол; 3 кольцевой твэл; 4 — восьмигранные твэлы; 5 — нижний конец сборки
Рис. 4.28. ТВС модернизированного реактора ВВР-С:
Рис. 4.30. Сечение твэла реактора AVR:
1 — топливо; 2 — графитовый шар; 3 — графитовая пробка на резьбе
В газовом ядерном реакторе AVR (ФРГ) проводят испытания различных конструкций твэлов сферической формы. Одна из конструкций представляет собой графитовый шар, в центре которого помещен цилиндрический топливный стержень из таблеток смеси карбида урана и графита или сферических частиц карбида урана, покрытых пиролитическим углеродом, в графитовой матрице (рис. 4.30, табл. 4.4). В настоящее время изучается несколько методов изготовления сферических твэлов с различными видами противоосколочных покрытий. Сферические твэлы имеют отношение поверхности к объему, равное b/d, где d — диаметр сферы.
Сферические твэлы охлаждаклся турбулентным потоком, что весьма эффективно вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи, но из-за высокого гидравлического сопротивления очень значителен перепад давления.
В настоящее время ведутся научно-исследовательские, опытно-эксплуатационные и производственные работы по созданию двух типов дисперсионных твэлов для высокотемпературных реакторов с шаровыми твэлами и твэлами призматической формы с гелиевым охлаждением (рис. 4.31). В обоих вариантах использовано ядерное топливо в виде сферических частиц размером 0,3—0,8 мм двуокиси карбида или оксикарбида урана или в смеси с торием, покрытых несколькими слоями защитных оболочек, предотвращающих выход радиоактивных продуктов деления из ядерного топлива.
Рис. 4.31. Твэлы для высокотемпературных реакторов
Микротвэлы с покрытиями из РуС получили название Biso-микротвэлов, а с покрытиями из РуС и промежуточным покрытием из SiC — Triso-микротвэлов. Внутри этих двух групп различают (в каждой из них) высоко- и низкотемпературные изотропные (ВТИ и НТИ соответственно) покрытия. При получении высокотемпературных покрытий РуС осаждают из метана при сравнительно высоких температурах (2073—2373 К);
низкотемпературные покрытия получают при сравнительно низких температурах (1473—1-673 К) осаждением РуС из пропана, бутана и т. д. Ниже приведена схема получения НТИ и ВТИ Biso- и Triso-покрытий.
Микротвэлы Biso и Triso с графитовой матрицей применяются в качестве ядерного топлива в твэлах с графитовой оболочкой для высокотемпературного ядерного реактора. На рис. 4.32 показана микроструктура микротвэлов, разработанных для различных высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов.
Рис. 4.32. Микроструктура микротвэлов, разработанных для различных высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов:
а — плавленый (Th, U)C2 с покрытием монолитным пироуглеродом для реактора HTGR в Пич-Ботоме; б — плавленый (Th, U)C2 с двухслойным пироуглеродным покрытием типа «BISO» (буферный пористый слой+плотный изотропный слой) для реактора HTGR—PSC; я» г — (Th, U)C2 с многослойными покрытиями, включающими карбид кремния, для реактора HTGR; д — спеченный (Th, U)C2 с пироуглеродным покрытием для первой запальной загрузки реактора «Драгон»; е — спеченный (Th, U)C2 с трехслойным покрытием пнроуглерод — карбид кремния — пироуглерод для реактора «Драгон»
Рис. 4.33. Шаровые твэлы THTR:
1 — оболочка из графита; 2 — шаровые микротзэлы; 3 — графитовая матрица
Результаты пятилетней эксплуатации реактора THTR с шаровыми твэлами и ядерным топливом в виде микротвэлов типа Biso или Triso с матрицей из порошкообразного графита (рис. 4.33) были положительными, отмечен небольшой прирост плотности топливной композиции с графитом. У микротвэлов дефектов не обнаружено, удельное выгорание достигло —100 000 МВт-сут1/т.
