Деев Основы расчета судовых ЯЕУ 2012

чае согласно нормам расчета на прочность в этой формуле k0 = 1, k = 0,45, а D – средний диаметр кольцевой уплотнительной прокладки. Приняв D = 2,1 м, получим Sс.п = 254 мм.

П.11. Формирование картограммы загрузки реактора

Конкретные данные по конструкции ядерных реакторов и структуре активных зон морских установок в доступной литературе представлены недостаточно полно, а для проектируемых в настоящее время активных зон кассетного типа практически отсутствуют. Поэтому при проектировании морского транспортного реактора следует ориентироваться на теплофизические и нейтроннофизические параметры, а также конструктивные решения, принятые для хорошо известных, уже существующих судовых ЯЭУ и энергетических реакторов типа ВВЭР. Кроме того, основные данные по конструкции и схеме загрузки активной зоны можно получить из описания, приведенного выше в разделах 3 и 5 настоящего пособия. В дальнейшем, исходя из поставленной в курсовом проекте задачи, выбранная компоновка активной зоны корректируется путем последовательного проведения ряда взаимоуточняющих нейтронно-физических и теплогидравлических расчетов.

В данном примере за основу принята схема загрузки проектируемого реактора КЛТ-40С. Рассматривается упрощенная по сравнению с прототипом компоновка активной зоны (рис. П.6), с меньшим разнообразием типов ТВС.

Предлагаемая зона содержит два типа твэлов с разным обогащением ядерного топлива (“легкие” и “тяжелые” твэлы, сокращенно твэлы-л и твэлы-т), два типа СВП разного диаметра (СВП-1 и СВП-2), кластеры компенсирующих стержней (пэлов) и стержни АЗ. Эти элементы сгруппированы в 121 ТВС четырех типов

(табл. П.16).

Т а б л и ц а П.16

Типы и состав ТВС активной зоны

Рис. П.6. Компоновка активной зоны: – ТВС центральной зоны;

– ТВС периферийной зоны; – ТВС со стержнем АЗ; – ТВС с пустым каналом

Конструктивно все типы ТВС практически одинаковы (отличаются лишь составом содержащихся в них элементов, а также формой помещенного в центре кассеты вытеснителя). Каждая ТВС состоит из расположенных в треугольной решетке (с шагом s = 9,6 мм) стержней, весь массив которых окружен чехлом шестигранной формы (размер под ключ sк = 96 мм, толщина чехла δк = 1,65 мм). Решетка твэлов и СВП заполнена теплоносителем. В центральной части сборок центральной и периферийной зоны (рис. П.7) располагается шестигранный вытеснитель (размер под ключ sв = 28,2 мм, толщина чехла δв = 0,7 мм), внутреннее пространство которого заполнено теплоносителем и предназначается для пэлов компенсирующих групп. Вытеснитель в кассетах, предусмотренных для размещения стержней АЗ (рис. П.8 а), имеет форму круглой толстостенной гильзы (трубы наружным диаметром 28 мм), заполненной воздухом, чтобы не создавать чрезмерного гидравлического сопротивления движению стержня АЗ. Гильза из сплава Э-125 (Zr + 2,5 % Nb) имеет толщину стенки 2,5 мм и способна выдержать высокое внешнее давление.

ТВС периферийной группы (рис. П.7 а) образуют основной массив кассет в активной зоне и содержат твэлы обоих типов обогащения. В состоянии с выведенными поглощающими стержнями внутри вытеснителя остается лишь хорошо замедляющий нейтроны те-

232

плоноситель, что создает условия для образования всплеска энерговыделения в твэлах, окружающих центральную часть кассеты. По этой причине, для выравнивания поля энерговыделения внутри ТВС, вокруг чехла вытеснителя размещаются шесть тонких стержней, содержащих выгорающий поглотитель, “легкие” твэлы с более низким обогащением и кольцо стержней СВП.

Рис. П.7. Схема размещения элементов в ТВС периферийной (а) и центральной (б) зоны: 1 – “тяжелые” твэлы; 2 – “легкие” твэлы; 3 – СВП-1; 4 – СВП-2; 5 – пэлы

Рис. П.8. Схема размещения элементов в ТВС со стержнем АЗ (а) и пустым каналом (б): 1 – “тяжелые” твэлы; 2 – “легкие” твэлы; 3 – СВП-1; 4 – СВП-2; 6 – стержень АЗ; 7 – теплоноситель; 8 – пустой канал

233

Т а б л и ц а П.17

Элементы ТВС активной зоны реактора КЛТ-40С

Кассеты центральной группы (рис. П.7б) содержат лишь “легкие” твэлы. Обогащение топлива в этих кассетах ниже, чем среднее по активной зоне обогащение.

Шесть кассет, предназначенных для размещения стержней АЗ (рис. П.8 а), сгруппированы в три пары, каждая из которых подключена к одному сервоприводу (всего их три). Для увеличения эффективности системы АЗ группы стержней удалены друг от друга и размещены равномерно по активной зоне. При срабатывании системы защиты в реактор сбрасываются все три группы стержней. Так как в ТВС со стержнями АЗ внутри вытеснителя воды нет (пространство заполнено воздухом), то это делает аварийную защиту более быстродействующей.

Четыре кассеты, которые здесь условно названы “ТВС с пустыми каналами” (рис. П.8 б), размещаются в последнем ряде ТВС активной зоны непосредственно вблизи с отражателем. Конструктивно и по составу они идентичны кассетам со стержнями АЗ. Эти кассеты предназначены для размещения пускового источника нейтронов, детекторов нейтронного поля и термопреобразователей.

В реальном проекте реактора КЛТ-40С предусмотрены дополнительные меры для более тщательного выравнивания внутрикассетного и внутризонного поля энерговыделения, а именно:

1)использование СВП с разным составом и содержанием выгорающего поглотителя (Gd, B, Dy и др.);

2)применение при формировании активной зоны более разнообразного набора ТВС (центральные, средние, периферийные и другие кассеты) с различным обогащением топлива и содержанием выгорающего поглотителя;

3)профилирование по высоте состава пэлов (с целью выравнивания поля энерговыделения по высоте реактора).

В приведенном здесь примере эти особенности компоновки не рассматриваются. Задание на курсовой проект может содержать специальную задачу выравнивания поля энерговыделения, и в этом случае следует рассмотреть описанные выше способы выравнивания нейтронного поля.

В рассматриваемом варианте активной зоны можно условно выделить десять типов материалов. Описание их размещения, состава

инекоторых важных характеристик приведено в табл. П.17. Эти данные в дальнейшем будут использованы при формировании биб-

235

лиотеки макроскопических параметров, необходимой для последующего полномасштабного нейтронно-физического расчета.

П.12. Подготовка макроскопических параметров для стационарного и динамического расчетов

Для последующих нейтронно-физических расчетов, как стационарных, так и динамических, необходимо знать двухгрупповые макроскопические параметры для каждого типа ТВС. Для сборок с подвижными элементами (кластерами компенсирующей группы стержней и стержнями АЗ) необходимо иметь два набора макропараметров – для ТВС с взведенными и опущенными стержнями.

Расчет этих параметров производится по программе GETERA с использованием модели полиячейки, каждый отдельный элемент (моноячейка) которой представляет собой многозонную бесконечную по высоте цилиндрическую ячейку. Параметрами полиячейки являются позонная концентрация нуклидов, кратность ячеек и матрица вероятностей перехода нейтронов между отдельными моноячейками, температуры зон ячеек. Для решетки стержней, омываемой теплоносителем, каждая ячейка состоит из кольцевых зон, соответствующих конструкции стержневого элемента, и внешней зоны, отведенной для теплоносителя. При этом толщина последней зоны должна соответствовать объемной доле ε теплоносителя в рассматриваемой ТВС.

В общем случае эквивалентная толщина i для стержня диаметром di вычисляется как

Для однородной равномерной треугольной решетки с твэлами диаметром dтвэл и шагом решетки s предыдущее соотношение имеет вид

Воспользовавшись этими соотношениями, для решетки твэлов в ТВС рассчитываемого реактора получим эквивалентную толщину= 1,64 мм (для зон, окружающих твэлы и СВП-1), = 0,74 мм (для пэл) и = 2,79 мм (для СВП-2).

Концентрации нуклидов i рассчитываются по формуле

где NA – число Авогадро, Mri – молярная масса, i – объемная доля,

i – плотность вещества.

В целях упрощения расчетов примем ряд допущений:

1)не будем учитывать наличие в материалах элементов с малой концентрацией (1 % Nb, 11 % Si, 1,5 % Mo, 0,5 % Fe) или изотопов,

имеющих незначительное сечение взаимодействия с нейтронами (изотопы Gd с массовыми числами 154, 156, 158, 160);

2)пренебрежем влиянием на результаты расчетов присутствия в твэлах компенсатора распухания, а в ТВС стенок вытеснителей;

3)будем предполагать, что температура по зонам внутри ячейки распределена равномерно и одинакова для всех ячеек.

С учетом сделанных предположений в табл. П.18 перечислены вещества, содержащиеся в активной зоне, с указанием их объемной доли в используемом материале, а также свойств, необходимых для нейтронно-физических расчетов. На основе приведенных данных можно рассчитать концентрации конкретных изотопов.

В табл. П.19 и П.20 представлены матрицы вероятности переходов нейтронов между моноячейками различных типов для ТВС каждого типа. Для принятых конструкций кассет и в соответствии с табл. П.16 рассматриваются шесть типов ячеек: “тяжелый” твэл (твэл-т), “легкий” твэл (твэл-л), выгорающий поглотитель большого диаметра (СВП-1), выгорающий поглотитель малого диаметра (СВП-2), поглощающий элемент (пэл), конструкционный материал (КМ). Вероятность перехода нейтрона из ячейки i в ячейку j рассчитана как отношение площади, смежной между обоими типами ячеек поверхности Sij, к площади поверхности Si ячеек типа i:

237

На основе разработанной модели полиячейки рассчитываются макроскопические параметры для ТВС четырех типов (см. рис. П.7 и П.8), включая варианты с введенными и выведенными поглощающими стержнями: коэффициент диффузии D, сечение поглощения Σa, сечение деления Σf, матрица межгруппового перевода Σd, сечение генерации нейтронов νfΣf, спектр нейтронного деления χ.

Программа GETERA позволяет также определить эффективную долю запаздывающих нейтронов эф. Этот параметр играет важную роль в обосновании безопасности реакторных установок. В табл. П.21 представлены значения βэф, рассчитанные для каждого из рассматриваемых типов ТВС.

238

Т а б л и ц а П.19

Матрица вероятностей Pij для ТВС центральной / периферийной зоны

Из представленных результатов видно, что эффективная доля запаздывающих нейтронов слабо зависит от типа ТВС. Поэтому для последующих оценочных расчетов примем одинаковое для всех кассет значение βэф = 0,0067.

239

П.13. Расчет стационарного состояния реактора (начало кампании)

Для расчета распределения плотности потока нейтронов и kэф в реакторе воспользуемся программой N3D. Размерность расчетной сетки (число расчетных точек в плане Nx и Ny, по высоте Nz) зададим исходя из предположения, что на одну кассету приходится четыре расчетных точки в плане и десять точек по высоте. Размер h расчетных ячеек выберем из принципа равенства объемов активной

hx = hy = 4,5 см, hz = 13 см. Картограмма загрузки реактора, подготовленная для программы N3D, представлена на рис. П.9.

Рис. П.9. Картограмма загрузки реактора: вид слева – поперечное сечение активной зоны, вид справа – продольный разрез по диаметру активной зоны (ячейки желтого цвета соответствуют ТВС центральной зоны; красного – ТВС периферийной зоны; зеленого – ТВС с пустым каналом; ячейки синего цвета относятся к отражателю)

Для определения критической загрузки активной зоны проведем расчет условно-критической задачи при различных положениях компенсирующих стержней. Будем вначале предполагать, что глубина погружения всех стержней одинакова. Вычислим значения реактивностей для нескольких уровней погружения стержней в реакторе. По полученным точкам построим график зависимости

240