Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов - Реакторные испытания твэлов

Работоспособность твэлов изучают в петлях исследовательских реакторов. Испытательная петля представляет собой отдельный канал в реакторе, снабженный автономным контуром охлаждения с собственными насосами, теплообменниками, подогревателями, аппаратурой для контроля и очистки теплоносителя. В одном реакторе размещают несколько испытательных петель с различными теплоносителями, работающих при различных параметрах. В каждой петле осуществляют контроль температуры теплоносителя на входе и выходе, расхода теплоносителя, давления, мощности энерговыделения твэлов, их герметичности, состояния теплоносителя, иногда измеряют температуру твэлов.
В петлевых испытаниях проверяют стойкость твэлов в режиме, близком к эксплуатационным условиям. Кроме проверки стойкости твэлов в исследовательских реакторах изучают поведение материалов, теплотехнические свойства твэлов, различные режимы пуска и охлаждения, а также состояние и свойства теплоносителя.
После реакторных испытаний и некоторой выдержки в бассейне твэлы с очень высокой радиоактивностью исследуют дистанционно в горячих лабораториях. Визуальный осмотр твэлов проводят с помощью различных оптических приборов. При этом оценивают состояние поверхности, фиксируют места перегревов, определяют выгорание топлива, наличие накипи, дефектов и т. п. Более подробное изучение проводят при анализе шлифов, изготовленных из различных участков твэла: определяют степень взаимодействия материалов твэла, структурные изменения, образование пор, наличие трещин. Параллельно определяют механические свойства материалов твэла: твердость, прочность, пластичность.
В СССР реакторные испытания твэлов проводят в основном в исследовательских реакторах с высоким нейтронным потоком — МР (ИАЭ им. И. В. Курчатова), МИР и СМ-2 (Димитровград). Основные характеристики указанных реакторов приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1. Основные характеристики отечественных исследовательских реакторов

Реактор СМ-2. Для проведения экспериментальных работ предусмотрены следующие каналы: 1) три канала для получения трансурановых элементов, один из них диаметром 90 мм находится в центре активной зоны, а два других— в отражателе. Каналы охлаждаются водой при температуре 60 °С и давлении 5 МПа. Технологическая схема, однако, позволяет каналу работать при более высоких температурах и давлениях; 2) два низкотемпературных канала с водяным охлаждением для металловедческих исследований, каналы имеют специальный контур охлаждения с водой при температуре 30—80 °С и давлении до 5 МПа; 3) два высокотемпературных канала с водяным охлаждением для испытания твэлов, изучения химии воды и коррозии конструкционных материалов; каналы имеют специальный контур охлаждения с параметрами воды: температура до 400 °С, давление 35 МПа, расход воды через один канал 30 т/ч; 4) пять каналов с газовым охлаждением для изучения поведения топлива и конструкционных материалов в потоках быстрых и тепловых нейтронов и у-излучения в диапазоне температур 0—600 °С; для улучшения теплосъема с образцов и исключения влияния среды в качестве теплоносителя выбран высокоочищенный гелий; все каналы объединены в три самостоятельных контура, что обеспечивает проведение экспериментов одновременно в трех различных режимах; давление гелия в контуре 3—5 МПа, расход газа через каждый канал достигает 350 кг/ч; конструкция каналов позволяет перегружать испытуемые образцы без остановки реактора; в каждом из каналов предусмотрены герметичные электровыводы для подключения измерительной аппаратуры; 5) канал, охлаждаемый газообразным гелием или жидким водородом, для изучения поведения материалов при низких температурах; 6) канал с газовым охлаждением для испытания образцов при температурах ~2000 °С; 7) канал с жидкометаллическим теплоносителем, имеющим температуру около 1000 °С, для изучения поведения теплоносителя и испытания твэлов.
Реактор МР. Многопетлевой исследовательский реактор предназначен главным образом для испытания твэлов и материалов новых атомных энергетических установок. Основные характеристики петель приведены в табл. 7.2.
Таблица 7.2. Характеристики петель реактора МР

*' Петля водяная кипящая.
*2 Петля водяная углеродистая.
*3 Петля водяная.
*4 Петля органическая.
*5 Петля газовая.
*6 Петля энергетическая газовая.

В петлях реактора МР проводят испытания полномасштабных ТВС с разрабатываемыми твэлами.
Петли ПВК, ПВУ, ПВО и ПО имеют одинаковые схемы и допускают работу при высоких давлениях и температурах; они оснащены бессальниковыми насосами и сильфонной арматурой. Оборудование петель ПВК и ПВУ обеспечивает возможность проведения экспериментов с объемным кипением воды в каналах при весовом паросодержании 7—10%. Каждая водяная петля имеет независимую систему механических и ионообменных фильтров, очищающих теплоноситель от продуктов коррозии и осколков деления. В петле ПО отрабатываются оптимальные режимы работы органических теплоносителей, системы их очистки от продуктов полимеризации, системы рекомбинации полимеров в исходный продукт, а также исследуются изменения условий теплоотдачи на поверхностях твэлов. Петли ПГ и ПЭГ предназначены для проведения комплексных испытаний твэлов и исследований теплоносителей для высокотемпературных (600 и 1800 °С) газовых энергетических реакторов с тепловыми нагрузками 1,163 и 5,8 МВт/м2. Газовые петли оборудованы системами фильтров (механических, керамических, тканевых) для очистки теплоносителей во время работы от возможных примесей. На петле ПГ, кроме того, установлен блок охлаждаемых жидким азотом угольных адсорберов для удаления газообразных продуктов деления.
В реакторе МР применяются U-образные петлевые каналы, ветви которых, служащие для подвода теплоносителя, расположены вдали от активной зоны (рис. 7.24). Диаметр петлевого канала в активной зоне равен 150, в отражателе 200 мм. Извлечение отработавших петлевых сборок из реактора и транспортировка их в бассейн-хранилище производятся вместе с каналами.
Петлевые каналы имеют герметичные чехлы, которые отделяют трубы, находящиеся при высокой температуре и давлении, от воды активной зоны реактора.
Пространство между основными трубами и чехлами вакуумируется и подсоединяется к системе контроля герметичности каналов, которая осуществляет непрерывный контроль вакуума и подает предупредительные и аварийные сигналы. При снижении вакуума до определенного значения, а также в случае аварии в системе охлаждения петлевого канала одновременно с остановкой реактора происходит автоматическое заполнение вакуумных полостей. Эти меры обеспечивают безопасность проведения петлевых испытаний в реакторе МР.
Реактор МИР. Мощный многопетлевой исследовательский реактор МИР, так же как и реактор МР, является реактором канального типа, погруженным в бассейн. Восемнадцать ячеек активной зоны реактора предназначены для установки прямоточных U-образных петлевых каналов или каналов типа трубки Фильда с максимальным диаметром петлевого канала 150 мм. Соединение петлевых каналов с трубопроводами петлевых контуров осуществляется в специально оборудованных камерах, расположенных вокруг бассейна реактора ниже уровня воды. С помощью стержней регулирования и подвижных тепловыделяющих сборок в процессе работы реактора поддерживаются заданные режимы испытаний одновременно во всех петлевых каналах.
Реакторы МР и МИР имеют рабочие каналы с круглым поперечным сечением и концентрически расположенными кольцевыми твэлами, внутри которых можно облучать образцы материалов в интенсивных потоках быстрых нейтронов.
Реактор ATR. Усовершенствованный реактор ATR (США) мощностью 250 МВт предназначен для испытаний ТВС с новыми твэлами. Длина активной зоны 1220 мм, максимальная удельная мощность 2,8 МВт/л, максимальная плотность потока тепловых нейтронов 1,5-1019 нейтр/(м2*с), максимальная плотность потока быстрых нейтронов (с энергией>0,6 МэВ) 2-1019 нейтр/(м2-с). В активной зоне реактора имеется девять экспериментальных петель. Активная зона состоит из 40 ТВС с 19 пластинчатыми твэлами в каждой из них. ТВС образуют змееобразную ленту, охватывающую каждую петлю не менее чем на половину окружности. Имеющаяся система регулирования позволяет корректировать мощность каждой петли. Сечение активной зоны реактора показано на рис. 7.25.
Реактор ATR имеет шесть водяных и одну газовую петлю. В водяных петлях можно испытывать образцы диаметром немного более 50 мм. Мощность каждой водяной петли 900 кВт. Расход, температуру и давление теплоносителя можно регулировать в следующих пределах: расход 4,5—18 м3/ч, температура 93—315 °С, давление 1,5—15,5 МПа; допускается падение давления до 1,75 МПа па образце, находящемся в петле,

Рис. 7.24. Устройство прямоточного петлевого канала реактора МР:

1 — ТВС; 2 — основная труба канала; 3 — изолирующие чехлы из алюминиевого сплава; 4 — термопары; 5 — компенсаторы температурных расширений; 6 — трубы для вывода термопар и контроля герметичности уплотнения головки канала; 7 — арматура для соединения с петлевым контуром; 8 — линии для вакуумирования пространства между трубами и заполнения его гелием при аварии

Рис. 7.25. Сечение активной зоны реактора ATR:
1 — аварийный стержень; 2 — ТВС; 3 — внешний регулировочный цилиндр; 4 — отверстие в бериллиевом блоке для облучения образцов; 5 — экспериментальная петля; 6 — капсула для облучения; 7 — добавочные корректировочные стержни (полностью опущены или извлечены)
Газовая петля предназначена для испытания образцов (твэл, образцы конструкционных материалов) в гелии при температуре до 1100°С. Мощность петли 300 кВт, расход гелия 900—2250 кг/ч, давление 1,68 МПа.