2. Описание технологического канала

Одним из основных узлов, определяющих экономичность и надежность эксплуатации реактора, является технологический канал. Он предназначен для размещения ТВС с ядерным горючим и создания потока теплоносителя. Интегральный нейтронный поток (Е_н > 0,7 МэВ) за расчетный срок службы канала достигнет 3*10¹⁹ нейтр./см².

Корпус канала представляет собой сварную конструкцию, средняя часть которой состоит из трубы наружным диаметром 88 и толщиной стенки мм, изготовленной из сплава Zr + 2,5% Nb, а привариваемые к ней верхняя и нижняя концевые части - из коррозионно-стойких труб (сталь 08Х18Н10Т) различных диаметров.

Выбор цирконий-ниобиевого сплава для средней части канала, находящейся в активной зоне реактора, обусловлен тем, что при относительно малом сечении поглощения тепловых нейтронов [σ_а = (0,2 ÷ 0,3)*10^-29 м²] этот сплав имеет при повышенной температуре (до 350 ^○С) удовлетворительные механические и коррозионные свойства [σ_в ≥ 25 кгс/мм² (~ 250 МПа), σ_0,2 ≥ 17 кгс/мм² (~ 170 МПа), δ - 15%]. Средняя часть корпуса канала соединяется с концевыми частями при помощи специально разработанных переходников сталь-цирконий.

Корпус канала в реакторе расположен в трубах-трактах, вваренных в верхнюю и нижнюю металлоконструкции. Он неподвижно закреплен в верхней части с помощью упорного буртика и аргонодуговой сварки "усикового" шва. Нижняя часть корпуса соединяется с помощью сварки с трубой-трактом металлоконструкции через узел сильфонного компенсатора, что позволяет скомпенсировать различие в температурных расширениях технологического канала и металлоконструкций реактора, а также создать надежную герметизацию газовой полости. Кроме того, ниже сильфонного компенсатора установлено сальниковое уплотнение на случай выхода из строя сильфона.

Срок службы корпуса канала рассчитан на 25—30 лет, при необходимости он заменяется на остановленном аппарате при помощи специального агрегата, который в глубине верхнего тракта дистанционно срезает «усиковый» шов между трактом и каналом, а после смены канала также дистанционно производит сварку этого шва и контроль качества рентгеноскопией. Нижний шов между сильфонным компенсатором и каналом срезается и заваривается специальным сварочным автоматом.

Кассета с ТВЭЛами устанавливается внутри канала на подвеске, которая удерживает ее в активной зоне реактора и при помощи РЗМ обеспечивает замену отработавшей кассеты без остановки реактора.

На верхнем конце подвески имеется запорная пробка, установленная в обойме 6 и уплотняющая канал прокладкой. Между кассетой и запорной пробкой установлена стальная сплошная пробка, являющаяся биологической защитой.

2 Расчётная часть

2.1 Тепловой расчёт ядерного реактора

Цель расчета - определение основных конструктивных размеров активной зоны реактора.

Выбираем конструкцию кассеты активной зоны в соответствии с конструкцией прототипа.

Принимаем:

- размер графитового кирпича, см (а^/ = 25);

- шаг ячейки (с учетом зазора между кирпичами), см (а = 25,1);

- толщина оболочки ТВЭЛа, см ( = 0,09);

- число ТВЭЛов в ТВС, (n =18);

- диаметр цилиндрического отверстия в графитовом кирпиче, см

(d_с =11,4);

- внутренний диаметр графитового кольца, см (d_k = 9,1);

- наружный диаметр топливного канала, см (d^/ = 8,8);

- внутренний диаметр топливного канала, см (d = 8,0);

- наружный радиус оболочки ТВЭЛа, см (r_q = 0,675);

- радиус топливной таблетки, см (r_u = 0,575);

- диаметр центрального стержня ТВС, см (d_сm = 1,5);

- плотность графита, г/см³ ( = 1,8);

- плотность топлива, г/см³ ( = 10.5);

- высота активной зоны, м (H = 7,0);

- диаметр активной зоны, м (D = 11,5).

Принимаем максимальный тепловой поток с поверхности ТВЭЛа q_max=0,0815 кВт/см²

Определяем площадь сечения ячейки по формуле, V₀, см2

, (1)

где а - шаг ячейки, см.

Определяем периметр теплопередающей поверхности одного ТВЭЛа по формуле, П₀, см

, (2)

где r_q - наружный радиус оболочки ТВЭЛа, см.

Объёмный коэффициент неравномерности тепловыделения составляет К_v=2 – 3, принимаем К_v=2,5

Принимаем коэффициент, учитывающий увеличение объёма реактора из-за размещения органов регулирования (стержней). Если стержни занимают отдельные ячейки, то =1,1÷1,3, т.е. для РБМК

=1,2

Отношение высоты к диаметру активной зоны, m определяется по формуле

, (3)

Определяем диаметр активной зоны по формуле, см

, (4)

где Q - тепловая мощность реактора, кВт;

 - коэффициент увеличения объема реактора;

К_V - объемный коэффициент неравномерности;

V₀ - площадь сечения, см²;

П₀ - периметр теплопередающей поверхности, см;

n - число твэлов в кассете;

m - отношение высоты к диаметру активной зоны;

q_max - максимальный тепловой поток с поверхности ТВЭЛа.

Определяем высоту активной зоны по формуле (3), см

По заданным параметрам определяем теплосодержание (энтальпию) теплоносителя на входе i_вх, и выходе i_вых из тепловыделяющей сборки, кДж/кг

₍₅₎

В реакторе с кипящим теплоносителем теплосодержание поровой смеси определяется по формуле:

₍₆₎

где i^/ - энтальпия воды при температуре кипения;

r – теплота преобразования, кДж/кг;

x – паросодержание, отношение веса сухого насыщенного пара к общему весу влажного насыщенного пара.

Определяем разность энтальпий тепло на входе и выходе из активной зоны по формуле, кДж/кг

, (7)

где i_вых - теплосодержание теплоносителя на выходе из тепловыделяющей сборки;

i_вх - теплосодержание теплоносителя на входе.

Принимаем осевой коэффициент неравномерности K_z=1,3÷1,5=1,4

Определяем удельный объем теплоносителя на входе в активную зону, м³/кг

_, (8)

Определяем площадь сечения прохода теплоносителя, приходящуюся на один элемент по формуле, см²

, (9)

где а^/ - размер кассет «под ключ», см;

б - толщина оболочки кассет, см;

n - число твэлов в кассете;

r_q - наружный радиус оболочки твэла, см.

Определяем скорость теплоносителя на входе в активную зону по формуле, м/с

, (10)

где q_max - максимальный тепловой поток с поверхности твэла;

П₀ - периметр теплопередающей поверхности, см;

H - высота активной зоны, см;

V_вх - удельный объем теплоносителя на входе в активную зону, м³/кг;

К_Z - осевой коэффициент неравномерности;

f₀ - площадь сечения прохода теплоносителя, приходящуюся на один элемент, см²;

∆i - разность энтальпий теплоносителя на входе и выходе из активной зоны, кДж/кг.

Скорость теплоносителя в реакторах выбирается достаточно большой по двум причинам:

- для получения высоких коэффициентов теплоотдачи от стенок твэлов к теплоносителю;

- для уменьшения вредного поглощения нейтронов (сокращается проходное сечение теплоносителя в активной зоне тепловых реакторов).

Но скорость теплоносителя ограничивается:

- возможностью возникновения опасных вибраций элементов оборудования, пульсации давления теплоносителя, эрозии конструкционных материалов;

- увеличением расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя.

Допускаемая скорость W = 4÷7 м/с. Если скорость окажется чрезмерно большой, то для ее уменьшения можно:

- снизить максимальную тепловую нагрузку q_max;

- увеличить разность температур теплоносителя;

- увеличить проходное сечение теплоносителя.

Определяем общее число ячеек в активной зоне и число рабочих ячеек, не занятых регулирующими стержнями по формуле

, (11)

, (12)

где G_m.н. - расход теплоносителя через активную зону;

V_вх - удельный объем теплоносителя на входе в активную зону;

W - скорость теплоносителя на входе в активную зону;

f₀ - площадь сечения прохода теплоносителя, приходящуюся на один элемент;

n - число твэлов в кассете.

(13)

Расчетный диаметр активной зоны определяем по формуле, см

, (14)

где V₀ - площадь сечения кассеты, см²;

l - общее число ячеек в активной зоне, не занятых регулирующими стержнями.

Округляем высоту активной зоны до конструктивно удобной величины, см

Скорость теплоносителя не превышает допустимые нормы.