Как сказано выше, количество энергии, выделяемой при одном акте деления урана или плутония, составляет ~200 МэВ. В активной зоне реактора, непосредственно в твэлах, выделяется не менее 92 95% тепловой мощности реактора, в корпусе — до 1%; в биологической защите потери мощности реактора не превышают 1%. Удельное объемное энерговыделение значительно превосходит значения, характерные для обычных тепловых энергетических установок. Следовательно, для обеспечения нормальной работы реактора необходимо использовать надежные способы охлаждения не только твэлов, но и других узлов реактора.
Надежный отвод тепла зависит от нормального режима циркуляции теплоносителя и правильного с теплотехнической точки зрения конструктивного выполнения ТВС и активной зоны в целом (отсутствие застойных зон, распределение расхода теплоносителя по зоне и т. д.).
Одним из этапов проектирования реактора является тепловой расчет, в процессе которого определяют температуры ядерного топлива, оболочки твэла и теплоносителя, для некипящих реакторов допустимые тепловые нагрузки и запасы до кипения. Тепловой расчет выполняется при выбранных заранее конструкциях твэлов и рабочих каналов.
Мощность реактора, выраженная в тепловых единицах и определяемая нейтронным полем активной зоны,
ал)
где 30,45-10-15 — количество тепла, выделяемого при одном акте деления, Дж/дел; 21 — макроскопическое поперечное сечение деления, см-1; фср — плотность нейтронного потока, нейтр/(см2-с); У-гоп — объем топлива, см3.
Выделяемое в активной зоне тепло, Вт, идет на нагревание теплоносителя: _
_ ,, где GT — расход теплоносителя через реактор, кг/ч; ст — теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг-К); Т2 и Т\ — температуры теплоносителя на выходе и входе, К-
Количество тепла, передаваемого теплоносителю поверхностью оболочек твэла, можно выразить как
— средний
по реактору коэффициент теплопередачи, Вт/(м2'-К); Fp — поверхность твэла, м2; ДГр — средний по реактору температурный напор между поверхностью нагрева и теплоносителем, К-
При стационарном режиме работы соблюдается равенство
(1.2)
Из этого равенства очевидно, что нейтронные характеристики активной зоны, расход и температура теплоносителя и режим теплопередачи в реакторе связаны между собой. Например, увеличение нейтронного потока без соответствующего увеличения расхода теплоносителя приведет к повышению температуры теплоносителя на выходе из реактора, что в свою очередь увеличит температурный напор и температуру стенки оболочки твэла.
Зная геометрию активной зоны, можно определить форму нейтронного поля.
Для реакторов, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда (со сторонами а, &, с), сферы (радиусом R) и цилиндра (высотой Н n радиусом R) плотность объемного энерговыделения можно записать как
(1.3)
(1.4)
(1.5)
где qvmax — максимальное энерговыделение в активной зоне.
Как видно из уравнений, для определения qv необходимо знать qvmax. Максимальное тепловыделение находят из среднего по реактору объемного тепловыделения и средних коэффициентов неравномерности энерговыделения. Так как величина Qp или задается заранее, или определяется при тепловом расчете цикла энергетической установки, а объем топлива 1/Топ находят из принятой геометрии АЗ, то нахождение среднего объемного тепловыделения,
определяемого по формуле
, не представляет труда.
Коэффициенты неравномерности, характеризующие степень неравномерности энерговыделения, определяются как отношение максимального энерговыделения к среднему его значению в объеме реактора:
где qv — плотность объемного энерговыделения; V — объем реактора.
Объемный коэффициент неравномерности тепловыделения активной зоны Kv можно записать в виде произведения коэффициентов неравномерности по высоте и радиусу активной зоны реактора Kz и Кг. Тогда qVmax=qVcvKv.
При расчете реактора иногда удобно использовать удельное тепловыделение, приходящееся на длину твэла: qimax=qicvKv, где фср — среднее тепловыделение с единицы длины твэла. Эту величину можно определить, зная число ТВС (птвс), число твэлов в одной ТВГ. (птв), а также длину твэла Н:
(1.6)
Одной йз основных задач при проектировании АЗ реактора является снижение неравномерности тепловыделения, так как при этом не только повышается мощность реактора, но увеличиваются глубина и равномерность выгорания топлива в объеме АЗ и удлиняется срок кампании.
Для достижения равномерности тепловыделения в реакторе используют отражатель нейтронов, что, практически не меняя тепловыделения в центральных каналах,„ повышает его на периферии АЗ (рис. 1.6).
Физическое и конструктивное профилирование АЗ — неравномерное распределение ядерного топлива, ВП или замедлителя по радиусу и высоте АЗ, уменьшение шага решетки — также способствуют равномерности тепловыделения.
В качестве теплоносителя в реакторах применяют различные жидкие и газообразные рабочие тела. Принятый теплоноситель должен удовлетворять заданным условиям теплопереноса, расход энергии на его прокачивание должен быть минимальным, кроме того, теплоноситель должен обладать приемлемыми ядерно-физическими, химическими, коррозионными и другими свойствами.
Наибольшее распространение в качестве теплоносителя получила вода, отличающаяся рядом преимуществ по сравнению с другими теплоносителями: затраты на получение воды минимальны; достаточно низкая температура плавления позволяет обойтись без специальных систем обогрева в условиях монтажа и эксплуатации; вследствие малой вязкости воды для перекачки ее через активную зону можно применять центробежные насосы, причем затраты мощности на перекачку невелики; вода легко образует пар в активной зоне и совместима со многими конструкционными материалами. Однако следует учитывать радиолиз воды, ведущий к накоплению в реакторе кислорода и водорода, а также то обстоятельство, что при высоких температуре и давлении вода химически агрессивна по отношению к топливу и конструкционным материалам.
В некипящих водо-водяных реакторах температура воды на выходе из реактора, с повышением которой повышается КПД установки, принимается ниже температуры кипения при данном давлении на 10—30 °С. Этот недогрев до кипения предупреждает закипание воды в случае тепловой и гидравлической неравномерности, а также при отклонении мощности, расхода теплоносителя и давления его в первом контуре от допустимых значений. Выбор давления, а следовательно, и температуры теплоносителя за реактором производят исходя из поставленных требований.
Температура воды на входе в реактор зависит от многих факторов. Для более благоприятной работы материалов и большей устойчивости нейтронных характеристик целесообразно иметь в реакторе небольшой перепад температур по теплоносителю, но при этом повышается температура его на входе, что при данной тепловой мощности приводит к увеличению расхода теплоносителя, а поэтому и мощности на его прокачку.
Следует учитывать и влияние режима работы парогенератора, в котором вода отдает тепло на образование пара из воды второго контура.
В реакторах с водяным охлаждением важной предельной характеристикой являются условия возникновения кризиса теплообмена. При движении двухфазного потока в трубах могут возникать кризисы теплообмена первого и второго рода.
На рис. 1.7 приведена качественная картина процессов, происходящих в длинной теплоотдающей трубе. Теплоноситель в трубе проходит три области: а — без кипения; б — пристеночного кипения и в — кипения в объеме. В области а коэффициент теплоотдачи (кривая 4) практически не меняется. При переходе в область пристеночного кипения б теплоотдача резко возрастает и остается примерно постоянной, пока пузырьковый режим кипения не сменится пленочным (область в). При пленочном кипении стенка трубы отделяется от жидкости пленкой пара; с развитием этого процесса теплоотдача быстро ухудшается, что приводит к повышению температуры стенки и пережогу трубы. Такое явление — переход пузырькового режима кипения в пленочный — называется кризисом теплообмена первого рода; он происходит при сравнительно малом паросодержании и высоких тепловых нагрузках qup.
При оценке теплового режима АЗ необходимо сравнивать действительные тепловые нагрузки с критическими. Запас до кризиса кипения n — отношение критической тепловой нагрузки к действительной — обычно принимается в пределах 1,5—2,5.
Минимальный запас до кризиса кипения меняется в зависимости от расположения твэла в активной зоне, кампании реактора и давления теплоносителя. Длительность кампании реактора влияет на величину n = qKli/q вследствие изменения распределения энерговыделения в объеме АЗ реактора, поэтому при расчетах реактора определение n обычно производят в различные периоды работы реактора и для нескольких твэлов, расположенных в наиболее теплонапряженных областях активной зоны. При увеличении давления qKр сначала возрастает до некоторого максимума, а затем резко падает (рис. 1.8).
Кризис теплообмена второго рода возникает в связи с испарением микропленки, движущейся по стенке трубы. Он появляется при значительном паросодержании, когда устанавливается дисперсионно-кольцевой режим течения.
Рис. 1.6. Распределение тепловыделения по радиусу активной зоны:
1 — без отражателя; 2 — с отражателем; 3 — профилированная зона
Основным параметром, который определяет момент возникновения кризиса второго рода, является определенное граничное паросодержание поскольку оно позволяет судить о предельно допустимом значении весового паросодержания в активной зоне исходя из условий обеспечения хорошей теплоотдачи.
Рис. 1.7. Качественная характеристика процессов, происходящих в длинной теплоотдающей трубе при кипении теплоносителя:
1 — температура теплоносителя; 2 — температура стенки трубы; 3 — температура насыщения; 4 — коэффициент теплоотдачи
Рис. 1.8. Зависимость критической тепловой нагрузки от давления при кипении в большем объеме
Если основной причиной возникновения кризиса первого рода является недостаточная скорость удаления пузырей пара от стенки твэла, то при кризисе второго рода такой причиной является недостаточный приток жидкости к стенке твэла, при этом тепловой поток имеет существенно меньшее значение, чем при кризисе первого рода.
В качестве теплоносителя кроме обычной и тяжелой воды могут быть использованы жидкие металлы как легкие (Li, Na, К, их сплавы), так и тяжелые (Hg, Bi, Pb, сплав Pb—Bi).
Главное преимущество жидких металлов — очень хорошие теплофизические свойства, что обеспечивает интенсивный теплосъем. Высокая температура кипения жидких металлов способствует получению в энергетических установках водяного пара высоких параметров. Особенно следует отметить высокую теплопроводность жидких металлов, что обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи. Небольшая вязкость жидких металлов позволяет использовать для их перекачивания центробежные насосы, а хорошая электропроводность — электромагнитные насосы.
Недостатком жидкометаллических теплоносителей является их интенсивная окнсляемость, что приводит к необходимости надежной герметизации жидкометлллических контуров и наличию атмосферы инертного газа над свободной поверхностью жидкого металла.
Наличие в жидких металлах примесей приводит к отложению последних на поверхностях теплообмена, что сильно снижает коэффициент теплопередачи.
Температура жидкометаллического теплоносителя на выходе из реактора определяется не свойствами теплоносителя, а свойствами материалов активной зоны, их способностью работать в области принятых расчетных температур.
Жидкие металлы не являются замедлителями, более того, некоторые из них сильно поглощают нейтроны, поэтому необходимо снижать процентное содержание жидкометалличсского теплоносителя в активной зоне. Это достигается, в частности, повышением интенсивности теплообмена за счет увеличения скорости и температурного перепада теплоносителя в активной зоне.
В качестве теплоносителей могут быть использованы и газы — CO2, Не, водяной пар и диссоциирующие газы (например N204).
К преимуществам газовых теплоносителей относятся их невысокая коррозионная активность, обеспечение экономии нейтронов; при потере теплоносителя реактивность газоохлаждаемого реактора меняется незначительно. Применение газа в паротурбинных установках даст возможность поднять температуру в первом контуре до 700—800 °С, что повышает КПД паротурбинной установки. Использование твэлов с неметаллическими покрытиями открывает дальнейшие возможности повышения температуры газа на выходе из реактора (до 1400 °С).
Отличительной особенностью газовых теплоносителей по сравнению с водой и жидкими металлами является низкое значение коэффициентов теплоотдачи; знание точного значения этих коэффициентов имеет первостепенное значение,
так как даже небольшие погрешности в оценках приведут к большим ошибкам в определении температурного уровня работы материалов реактора.
Рис. 1.9. Синусоидальный закон тепловыделения по высоте рабочего канала
При газовом охлаждении важную роль играют вопросы искусственной интенсификации теплосъема, так как при этом можно добиться значительного снижения температуры твэлов. Значительной интенсификации теплообмена можно достичь возмущением потока с помощью турбулизаторов, специально созданной шероховатости теплоотдающей поверхности, путем искусственных колебаний расхода теплоносителя, введением в поток второй фазы. Вследствие того что интенсификация теплообмена приводит к заметному увеличению гидравлического сопротивления, необходимо установить оптимальное соотношение между увеличением теплообмена и дополнительными затратами на перекачку теплоносителя.
