3.4 Розробка технологічного процесу виготовлення твела

Надійна та економічна робота ядерних реакторів залежить зокрема, від техніки і технології виробництва твелів, здатних забезпечити в процесі експлуатації відповідність вимогам, що наказали, а також систем контролю за якістю, які гарантували б такі досягнення.

Не зважаючи на зовнішню простоту твела, до нього пред'являються високі вимоги. Серед них можна відзначити працездатність та радіаційна стійкість матеріалу оболонки при високих температурах і теплових навантаженнях, висока якість зварних з'єднань і їх герметичність, відсутність дефектів поверхні твелів, мінімальна величина зазорів між таблетками в паливному стовпі, а в цілому, жорсткі вимоги до якості паливного стовпа.

Такі параметри можуть бути досягнуті поєднанням високої культури виробництва. Вживанням сучасних методів неруйнівного контролю та високим рівнем автоматизації технологічних процесів.

Уран металевий нелегований поставляється у прутках діаметром до 16 мм або штангах діаметром 30, 40, 60, 80мм.

Цирконієвий сплав для труб - оболонок твелів поставляється у вигляді труб довжиною 4,5м, діаметром кінцевого розміру твельних труб штатного розміру 9,15 мм з товщиною стінки 0,65 мм.

Цирконієвий сплав для кінцевих і інших конструкційних деталей твелів поставляється у вигляді прутков діаметрів 9,15 мм.

Зразкова схема техпроцеса виготовлення твела типу ВВЭР з довжиною активної зони 3530 мм із зовнішньою конфігурацією і розмірами, аналогічними базовій конструкції твела ВВЭР - 1000 представлена на рис 3.3. Кількість секцій по довжині АЗ рівна 50 шт. Матеріал палива - нелегований металевий уран. Тип секціонування - ампула з двохоболонковою конструкцією, довжина якої 70,6 мм, товщиною стінки 0,5 мм та товщиною заглушок з торців 1 мм.

4 Теплофізичний розрахунок проектованого твела

Тепловиділяючі елементи – найбільш відповідальні вузли конструкції ядерних реакторів. В них проходить ділення ядер палива та виділяється енергія у вигляді тепла, яке відводиться теплоносієм. Твели знаходяться в умовах високої температури, на них діють механічні загрузки та потоки іонізуючого випромінювання. Успішна експлуатація ядерного реактора багато в чому залежить від працездатності твелів. Приймальні критерії для твелів типу ВВЕР, виконання яких необхідне для забезпечення НУЕ реакторної установки, її функціонування в режимах з ПНУЕ та забезпечення безпеки в проектних аваріях умовно можна розділити на дві групи:

1) критерії прийняття для обгрунтування працездатності твелів в НУЕ і ПНУЕ;

2) теплофізичні критерії.

Група теплофізичних критеріїв обмежує максимальну температуру палива і оболонки, тиск газів під оболонкою твела і максимальну лінійну потужність твела. Температура оболонки в НУЕ не повинна перевищувати температуру кризи кипіння з нормативним коефіцієнтом запасу.

Для гарантованого виконання приймальних критеріїв вводяться необхідні коефіцієнти запасу, що встановлюються виходячи з досвіду експлуатації, даних експериментальних досліджень, ступеня консерватизму, закладеного при розробці розрахункових моделей і виборі вихідних даних.

У даному розділі проведений розрахунок розподілу температури по перетину максимально навантаженого твела, розрахована гранична температура палива, а також тиск газів під оболонкою твела, що є важливою частиною моделювання поведінки твелів і прогнозування їх працездатності.

4.1 Вихідні данні

Максимальна температура зовнішньої поверхні оболонки твела, t =352°С

Оболонка твела представляє собою трубу зі сплаву цирконію з 1% ніобію (Zr 1% Nb) з такими розмірами:

- зовнішній діаметр, d_н = 9,13 мм;

- внутрішній діаметр, d_вн = 7.80мм.

Ампула виконана з металічного урану (U3Si) з розмірами:

Зовнішній діаметр оболонки ампули - 7.80

Внутрішній діаметр оболонки ампули 7.39

- зовнішній діаметр, d_т = 7,39 мм;

- діаметр отвору, d_отв= 1,5^+0,2 мм.

Схема твела вказана на рис.4.1:

Рисунок 4.1 – Схема твелу

4.2 Визначення максимальної темперператури палива в проектованому твелі на початок та кінець кампанії

Для забезпечення недопущення плавлення палива необхідно виконати умови:

Т_т < [Т], (4.2.1)

де Т_т - температура палива;

[Т] - гранична температура палива, рівна температурі плавлення, що залежить від вигорання В:

Т_пл = 800 °С (4.2.2)

де В – вигорання, МВт·доб/кг U. Для U3Si гранична температура палива приймається рівною 800°С, (Т_пл =800°С).

Максимальна температура палива розраховується за формулою:

t_т^max = t + ∆t_об + ∆t_т, (4.2.3)

де t - температура оболонки твела, дорівнює 352°С;

∆t_об - перепад температури на оболонці;

∆t_т - перепад температури на паливі.

Для визначення граничної температури палива на початок кампанії використовуємо консервативний підхід. З цією метою вибираємо параметри твела, при яких розрахункова температура в центрі палива буде максимальною.

Оскільки оболонки твела і ампули виготовлені з одного матеріалу і між ними існує хороший тепловий контакт, замінимо обидві оболонки на одну з товщиною, рівної сумарною товщині. Т.б. внутрішній діаметр оболонки буде дорівнює діаметру палива. При цьому використовувати будемо такі дані:

1) зазору між паливом і оболонкою немає. Тобто беремо такі вихідні дані: : d = 9,19 мм; d = d =7,39 мм; d_от = 1,5 мм;

2) максимальну температуру оболонки при нормальних умовах t = 352°С;

3) максимальне теплове навантаження q_l = 448 кВт/см.

Перепад температури на оболонці твела визначається за формулою:

∆t_об = , (4.2.4)

де λ_об - теплопровідність матеріалу оболонки, λ_об = 23,9 Вт/(м·°С).

Підставивши всі значення у формулу (4.2.4), отримаємо:

∆t_об = = 29°С

Перепад температури на паливі представлений у вигляді наступного виразу:

∆t_т = (4.2.5)

де λ_т - теплопровідність матеріалу палива, в данному випадку теплопровідність металічного урану λ_т = 17,5 Вт/м·°С .

Отримаємо:

∆t_т =

Підставивши всі знайдені величини в формулу (4.2.3), отримаємо:

t_т^max = 352 + 29 + 194 = 575°С

Максимальну температуру палива на кінець кампанії визначаємо з формули (4.2.3).

Перепад температури на паливі розраховується за формулою (4.2.5) з урахуванням змінення теплопровідності палива. Вплив опромінення приводить до сильного окрихчування металевого урану, що приводить до падіння теплопровідності. У розрахунку приймаємо, що теплопровідність знижується і буде складати λ_т = 12,5 Вт/м·°С .

∆t_т = С

Підставивши всі знайдені величини в формулу (4.2.3), отримаємо:

t_т^max = 352+ 29 + 267 = 648°С

Результати розрахунку температури по перерізу твела на початок і на кінець кампанії представлені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 - Результати розрахунку температури по перерізу твела

	На початок кампанії	На кінець кампанії
Температура зовнішньої поверхні оболонки твела,,0С	352	352
Перепад температури на оболонці твела, °С	29	29
Перепад температури на паливі, °С	194	267
Максимальна температура палива, °С	575	648

Коефіцієнт запасу за даним критерієм повинен задовольняти співвідношенню:

К = [Т] / Т ≥ [К] =1.1, (4.2.10)

На початок кампанії:

К = 800 / 575 = 1,39 ≥ 1.1

На кінець кампанії :

К = 800 / 648 = 1,23 ≥ 1.1

4.3 Розрахунок максимального тиску газів під оболонкою

У процесі експлуатації твела реактора утворюються і виділяються з палива під оболонку газоподібні продукти поділу (ЦПД).  У робочих умовах тиск суміші газів під оболонкою твела не повинно перевищувати зовнішнього тиску теплоносія:

Р_г < [Р], (4.3.1)

де Р_г – тиск газу під оболонкою твела;

[Р] – граничний тиск дорівнює робочому тиску теплоносія.

У реакторі ВВЕР-1000 Р_тн = 16 Мпа.

Максимальне значення тиску газів під оболонкою твела досягається до кінця кампанії реактора. Зважаючи на те, що ми раніше взяли, що зазору між паливом і оболонкою немає, то тиск газів описується наступним виразом:

Р_г = (4.3.2)

де Р_г – тиск газу під оболонкою;

Х₁, Х₂ – частка газу в газозбірнику і паливному стовпі, відповідно дорівнює 0.53 і 0.47;

Т_г, Т – середня температура газу в газозбірнику і в паливному стовпі, дорівнює відповідно для ВВЕР-1000 6000 ° С і 1200 ° С;

V_г - кількість газу під оболонкою за н.у, Vг = 910 см³;

V – вільний обсяг в ТВЕЛ на кінець кампанії дорівнює 33,7 см³.

Підставивши всі величини в формулу (4.3.2) отримаємо:

Р_г = = 82 кгс/см² = 8,04Мпа<16Мпа

Коефіцієнт запасу за даним критерієм повинен задовольняти співвідношенню:

К = [Р] / Р_г ≥ [К] =1.1, (4.3.3)

У нашому випадку:

К = 16 / 8,04 = 1,99 ≥ 1,1

Як вже було сказано вище, група теплофізичних критеріїв обмежує максимальну температуру палива і оболонки, тиск газів під оболонкою твела і максимальну лінійну потужність твела. Температура оболонки в НУЕ не повинна перевищувати температуру кризи кипіння з нормативним коефіцієнтом запасу. Для проектованого зразка забезпечується наступний тепловий режим роботи твела: гранична температура палива 800°С, максимальна температура оболонки 352°С. У результаті проведених розрахунків температури по перетину твела на початок і на кінець кампанії було визначено, що максимальна температура палива не перевищує гранично допустиму: tтmax = 575°С <800°С (на початок кампанії), tтmax =648°С <800°С (на кінець кампанії). Коефіцієнт запасу за даним критерієм також задовольняє встановленим параметрам: на початок кампанії: К = 1,39 ≥ 1,1 і на кінець кампанії: К = 1,23 ≥ 1,1. Також було розраховано, що в робочих умовах тиск суміші газів під оболонкою твела не перевищує зовнішнього тиску теплоносія: Р_г = 8,04 МПа <16 МПа. Коефіцієнт запасу за даним критерієм: К = 1,99 ≥ 1,1.