Лекция 10. Основные характеристики, приемы изготовления, условия работы в реакторе и поведение при облучении керамического ядерного топлива.
10.1. Тепловыделяющие элементы гетерогенных реакторов.
Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) представляют собой устройства, содержащие твердое ядерное горючее и обеспечивающие при помещении их в активную зону реактора цепную реакцию деления, генерацию тепловой энергии, а при наличии в их составе материалов воспроизводства – накопление 239Pu и 233U.
В общем случае твэл включает в себя активный объем, оболочку, концевые и дистанционирующие детали, рис. 1, 2.
Рис.1. Конструктивная схема одного из твэлов реактора в Колдер-Холле.
1 – дистанционирующая деталь; 2 – верхний и нижний центрирующие конусы;
3 – верхняя и нижняя концевые детали, герметизирующие активный объем в оболочке;
4 – ребристая оболочка (сплав магния – магнок); 5 – активный объем (сердечник из природного урана).
Рис.2. Стержневой твэл реактора ВВЭР
Основу твэла составляет активный объем, в котором помещаются ядерное горючее и материалы воспроизводства. В зависимости от соотношения и количества ядерного горючего и материала воспроизводства различают следующие группы твэлов:
ТВЭЛ, в активном объеме которых содержится ядерное горючее и отсутствуют материалы воспроизводства;
ТВЭЛ, в активном объеме которых нет ядерного горючего или содержатся такие его количества, которые недостаточны для поддержания цепной реакции деления, а основной составляющей активного объема является материал воспроизводства;
ТВЭЛ, в активном объеме которых содержится как ядерное горючее в количестве необходимом для поддержания цепной реакции деления, так и материал воспроизводства.
В зависимости от вида ядерного горючего и материала воспроизводства, загружаемых в активный объем, различают следующие типы твэлов:
на основе металлического атомного топлива;
с керамическим атомным топливом;
дисперсионного типа, где керамическое топливо распределено в матрице из конструкционных материалов.
В зависимости от формы твэлы подразделяют на:
цилиндрические,
трубчатые,
пластинчатые,
шарообразные,
сложные.
Выбор формы и размеров твэла определяется необходимым соотношением величин активного объема твэла и его теплопередающей поверхности, в зависимости от ядерных и тепловых характеристик реактора.
Оболочки, концевые и дистанционирующие детали изготавливаются из коррозионноустойчивых в среде теплоносителя конструкционных материалов, обладающих необходимыми прочностными свойствами и совместимых (не взаимодействующих) с материалами ядерного топлива.
Оболочки служат для изоляции активного объема от теплоносителя и предотвращения возможности загрязнения первичного циркуляционного контура реактора частицами ядерного горючего и продуктами его деления.
Концевые детали служат для герметизации активного объема в оболочках, а также совместно с дистанционирующими деталями для крепления и поддержания твэла в строго определенных положениях в активной зоне реактора.
В зависимости от конструкции реактора твэлы могут располагаться в активной зоне в вертикальном или горизонтальном положении, в подвешенном состоянии или с упором внизу. Условия крепления твэлов должны обеспечивать свободу термического расширения твэла.
Часто целесообразно загружать в активную зону твэлы, предварительно собранные в группы по нескольку (десятки и сотни) штук. Такие группы твэлов называют тепловыделяющими сборками (ТВС), рис. 3. ТВС, зачастую, помещают в специальную трубу или кассету, образующие, так называемый, технологический канал активной зоны реактора.
Рис.3 Экспериментальная кассета реактора ВВЭР для 19 стержней.
а
Рис.4. Тепловыделяющая подсборка (а) и сборка (б)
реактора PWR.
б
