Деев Основы расчета судовых ЯЕУ 2012

поток теплоносителя направлялся через выходные патрубки реактора в парогенераторы.

Двухходовая схема позволяет практически вдвое снизить общий расход теплоносителя через реактор, при этом скорость движения воды около твэлов остается достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивный теплосъем с их поверхности. Соответственно также практически вдвое снижается и мощность, потребляемая циркуляционными насосами первого контура. Однако двухходовое движение теплоносителя значительно усложняет конструкцию активной зоны ядерного реактора. В такой активной зоне высоким оказывается подогрев теплоносителя. В первом реакторе атомного ледокола «Ленин» он составлял 75 – 78 С, что повлекло за собой необходимость принятия мер по повышению эффективности стержней аварийной защиты. Если температура воды снижалась до значения ее на входе в реактор, то ввод этих стержней в активную зону должен был перекрывать высвобождающуюся реактивность.

Опыт эксплуатации морских реакторов на атомном ледоколе «Ленин» и американском грузопассажирском судне «Саванна» выявил ряд существенных недостатков многозаходных схем движения теплоносителя в активной зоне, поэтому в дальнейшем от применения таких схем повсеместно отказались.

Реактор КЛТ-40С. Реактор КЛТ-40С является базовым для серии плавучих энергоблоков, которые предстоит построить в ближайшие десять лет. В проектах АППУ ПЭБ принята блочная компоновка основного реакторного оборудования (см. рис. 2.4). Контур циркуляции теплоносителя ядерного реактора состоит из четырех петель. В каждой из них имеется ПГ и ЦНПК, общая мощность реактора равномерно распределена между петлями.

Один из вариантов конструкции реактора КЛТ-40С представлен на рис. 3.2 [13]. Корпус реактора состоит из находящейся в его верхней части обечайки с патрубками, нижней цилиндрической обечайки и эллиптического днища. Сверху корпус закрыт крышкой. Основной элемент крышки реактора – плоская силовая плита – прижимается к верхней части корпуса фланцем с крепежными деталями. Герметизация осуществляется медной клиновой прокладкой. Между силовой и верхней плитами крышки расположена биологическая защита из серпентинитового бетона. На верхней плите расположены приводы исполнительных механизмов компенси-

51

рующих групп и аварийной защиты (ИМ КГ и ИМ АЗ), а также контрольно-измерительные приборы для определения температуры в реакторе.

Рис. 3.2. Реактор КЛТ-40С: 1 – щелевой фильтр; 2 – обечайка; 3 – пэл; 4 – РО КГ; 5 – патрубок парогенератора; 6 – корпус; 7 – стержни АЗ; 8 – биологическая защита; 9 – привод ИМ АЗ; 10 – привод ИМ КГ; 11 – верхняя плита; 12 – крышка; 13 – силовая плита; 14 – патрубок ЦНПК; 15 – выемной блок; 16 – активная зона; 17 – ТВС; 18 – донные экраны

52

Внутри корпуса реактора находится выемной блок с установленной в нем активной зоной. К нижней плите выемного блока крепится щелевой фильтр с экранами, предназначенный для предохранения активной зоны от попадания посторонних предметов. Экраны необходимы для снижения нейтронного потока на днище корпуса реактора.

Охлаждение активной зоны реактора водой первого контура осуществляется следующим образом. От электронасосов по четырем внутренним соединительным патрубкам вода поступает в напорную камеру реактора. Пройдя опускной участок по кольцевому зазору между корпусом и обечайкой выемного блока, она через фильтр попадает в напорную камеру активной зоны и далее, двигаясь вверх, нагревается, снимая тепло с поверхности пучков тепловыделяющих элементов. Нагретая вода из верхней сливной камеры реактора по четырем внутренним патрубкам направляется в парогенераторы, где охлаждается, отдавая тепло теплоносителю второго контура. Из каждого парогенератора охлажденная вода первого контура по кольцевому каналу между наружным и внутренним патрубками поступает в одну из четырех камер кольцевой полости, образованной конусной обечайкой и корпусом реактора. Камеры отделены друг от друга вертикальными перегородками и являются всасывающими полостями электронасосов. Далее теплоноситель первого контура по кольцевым каналам главных насосных патрубков возвращается в гидрокамеры на входе циркуляционных насосов. Разделение кольцевой всасывающей полости внутри реактора на четыре независимые камеры обеспечивает привязку каждого электронасоса конкретно к определенному парогенератору.

3.2. Конструкция, составные части и основные характеристики активных зон

Канальные и кассетные активные зоны. Активные зоны су-

довых ядерных реакторов можно условно разделить на два типа: канальные и кассетные. В первом случае активная зона состоит из системы каналов, по которым движется основная поток теплоносителя, и межканального пространства, где расход теплоносителя значительно меньше (около 5 % общего расхода). Каналы образуются специальными чехловыми трубами, внутри которых находят-

53

ся стержневые тепловыделяющие элементы. В межканальном пространстве активной зоны водо-водяного реактора сосредоточено около половины объема теплоносителя-замедлителя. Поэтому возмущения температуры воды внутри каналов при переходных процессах, особенно в тех случаях, когда они протекают за короткий промежуток времени, не приводят к быстрому изменению реактивности ядерного реактора, поскольку межкассетная вода играет стабилизирующую роль. В результате существенно уменьшается эффективная скорость ввода избыточной реактивности и соответствующий выбег мощности, например, при резком снижении температуры теплоносителя в каналах во время перехода с малой скорости циркуляции на большую (при изменении числа оборотов ЦНПК или при переходе с естественной циркуляции на принудительную).

В межканальном пространстве удобно размещать органы регулирования мощности реактора, при перегрузке топлива их можно не извлекать из активной зоны. Однако при канальной структуре активной зоны в ней меньше объем топлива, так как топливные стержни находятся только внутри каналов.

Кассетная активная зона водо-водяного реактора состоит из набора кассет обычно с чехлами шестигранной или квадратной формы, внутри которых размещаются твэлы. Вода, находящаяся между кассетами, занимает малую долю от общего объема теплоносителязамедлителя, поэтому демпфирующая роль межкассетной воды невелика. Преимущество кассетной структуры по сравнению с канальной заключается в том, что объем топлива в кассетах получается приблизительно на 30 % больше, чем в каналах. Однако в кассетной активной зоне труднее расположить компенсирующие органы регулирования. Обычно они имеют пластинчатую или крестообразную форму и размещаются в межкассетном пространстве, возможно также исполнение их в виде стержней-кластеров, которые входят внутрь кассеты. В последнем случае при перегрузке реактора компенсирующие стержни должны заменяться вместе с топливом, что повышает стоимость активной зоны.

Активные зоны реакторов атомных ледоколов. В реакторах отечественных атомных ледоколов используются активные зоны с канальной структурой. Рассмотрим основные характеристики канальных активных зон ледокольных реакторов на некоторых при-

54

мерах. На первом атомном ледоколе «Ленин» реакторы единичной тепловой мощностью 90 МВт имели активные зоны, эквивалентный диаметр которых составлял 1,0 м, а их высота 1,6 м. Число технологических (рабочих) каналов в активной зоне реактора равнялось 219, общее число твэлов – 7704. Средняя по объему энергонапряженность активной зоны была равна 72 МВт/м3. В качестве ядерного топлива использовался спеченный диоксид урана, масса загружаемого топлива составляла 1700 кг, в том числе делящегося изотопа урана-235 – 85 кг (среднее начальное обогащение топлива ураном-235 – 5 %). Продолжительность кампании была невелика –

4800 ч.

а

б

Рис. 3.3. Рабочий канал активной зоны атомного ледокола «Ленин» (а): 1 – нижний направляющий наконечник; 2 – центральный дистанционирующий стержень; 3 – дистанционирующие звездочки; 4 – стержневой твэл диаметром 6,1 мм; 5 – чехловая труба наружным диаметром 54 мм; 6 – звездочка верхней подвески; 7 – верхняя подвеска. Конструкция твэла (б): 8 – нижний наконечник; 9 – оболочка; 10 – топливная таблетка; 11 – газовая полость; 12 – верхний наконечник

Рабочий канал активных зон реакторов атомного ледокола «Ленин» (рис. 3.3) имеет круглое поперечное сечение и образован трубой из циркония наружным диаметром 54 мм с толщиной стенки 1 мм. К стенке рабочего канала приварены верхняя подвеска, служащая для крепления канала в активной зоне, и нижний направ-

55

ляющий наконечник, который имеет кольцевые проточки, играющие роль лабиринтного уплотнения. В части каналов, расположенных по периферии активной зоны, в расточку нижнего наконечника установлены дроссельные шайбы для уменьшения расхода теплоносителя.

Внутри рабочего канала находятся твэлы диаметром 6,1 мм. Они представляют собой трубку из сплава циркония с ниобием с толщиной стенки 0,75 мм, наполненную таблетками из диоксида урана диаметром 4,5 мм. Между оболочкой и таблетками имеется зазор 0,05 мм, заполненный гелием. К концам оболочки приварены наконечники, с помощью которых обеспечиваются герметичность твэла и его крепление в технологическом канале. Газовая полость внутри оболочки играет роль аккумулятора газообразных продуктов деления. Твэлы в количестве 36 штук располагаются внутри канала с шагом 7,5 мм по трем концентрическим окружностям. Жесткое крепление наконечников топливных стержней осуществляется только в звездочке верхней подвески. Остальные звездочки, установленные через каждые 200 мм и закрепленные на центральном стержне, свободно дистанционируют твэлы, что позволяет последним при расширении перемещаться вниз.

Новые активные зоны ледокольных реакторов по своим характеристикам значительно более совершенны и существенно отличаются от рассмотренной выше активной зоны реакторов ледокола «Ленин». В качестве сердечников твэлов в современных реакторах атомных ледоколов применяются материалы с повышенной теплопроводностью (урансодержащие материалы в металлической матрице). В результате исключен газовый зазор между сердечником твэла и оболочкой. Другие наиболее важные отличия характеризуются данными, приведенными ниже.

Наружный диаметр оболочки твэла из сплава циркония с ниобием уменьшен до 5,8 мм (толщина оболочки 0,5 мм). Количество топливных стержней в рабочем канале с чехловой трубой наружным диаметром 60 мм увеличено до 51. Кроме стержней с топливом внутри каналов располагаются несколько стержней разного диаметра с выгорающим поглотителем и один поглощающий стержень СУЗ. Количество рабочих каналов в активной зоне реактора тепловой мощностью 171 МВт равно 241, общее количество твэлов – 12255. Описанный диаметр активной зоны составляет 1212 мм, высота – 920 мм, масса загружаемого в активную зону

56

урана 335 кг, в том числе урана-235 – 170,4 кг (обогащение ядерного топлива в среднем около 50 %). Средняя величина энергонапряженности таких активных зон превышает 150 МВт/м3, энергоресурс может достигать 2,1 106 МВт ч, а при использовании режима дожигания ядерного топлива за счет температурного эффекта реактивности – 2,25 106 МВт ч. Продолжительность кампании приблизительно 2,3 – 2,5 года.

Надо полагать, что в результате дальнейших научноисследовательских и опытно-конструкторских работ будут получены и обоснованы еще более совершенные характеристики ледокольных реакторов. Что касается перспективных схемных решений, то часть этих вопросов уже была затронута нами ранее в разделе 2. Относительно усовершенствования активных зон судовых реакторов среди разработчиков также ведутся дискуссии (см., например, [5 – 8, 14, 15]). Основные предложения связаны с необходимостью повышения экономичности и надежности судовых ЯЭУ путем увеличения энергозапаса активных зон и снижения их энергонапряженности, замены канальных зон кассетными, увеличения диаметра твэлов, применения новых материалов и технологий. Об одной из перспективных разработок реакторной установки интегрального типа для универсального атомного ледокола (РИТМ-200 УАЛ) уже упоминалось ранее (см. раздел 2).

Активные зоны реакторов плавучих энергоблоков. Часть сформулированных выше предложений уже реализована в утвержденном проекте реакторной установки головного плавучего энергоблока «Академик Ломоносов». Активные зоны двух реакторов типа КЛТ-40С, которые будут установлены на ПЭБ, имеют кассетную структуру. Каждая кассета представляет собой сборку тепловыделяющих элементов, расположенных внутри шестигранного чехла ТВС по сторонам правильного треугольника. Совокупность кассет, размещенных с определенным шагом внутри выемного блока реактора, образует активную зону. Активная зона реактора

119МВт/м3.

Всоставе активной зоны используется несколько типоразмеров кассет, отличающихся входящими в них элементами, конструкцией

57

и назначением. Среди них подавляющая часть приходится на основные ТВС с ядерным топливом разного обогащения (в пределах 13,0 – 15,7 %). Остальные несколько ТВС предназначены для размещения в них дополнительных элементов в виде гильз под стержень аварийной защиты, гильз для установки термометров, пусковых источников нейтронов и датчиков нештатной системы контроля нейтронного потока.

Рассмотрим более подробно состав и конструкцию ТВС кассетной активной зоны реактора ПЭБ. Достаточно полное представление об этом дает один из возможных вариантов исполнения основной ТВС, поперечное сечение которой показано на рис. 3.4, а продольный разрез на рис. 3.5.

5 6

7

4

3

sк

Рис. 3.4. Вариант конструкции основной ТВС реактора ПЭБ: 1 – пэл 6,8 мм; 2 – твэл 6,8 мм; 3 – СВП 6,8 мм; 4 – СВП 4,5 мм; 5 – кожух; 6 – вытеснитель; 7 – дистанционирующая решетка; 8 – дистанционирующая пластина пэлов; 9 – центральная трубка 8,6х0,5 мм

Внутри шестигранного кожуха кассеты находятся 69 стержневых твэлов диаметром 6,8 мм и 15 стержней с выгорающим поглотителем (СВП), 9 штук СВП имеют диаметр 6,8 мм и остальные 6 – диаметр 4,5 мм. В центральной части кассеты расположен

58

Нижний наконечник содержит тарировочную дроссельную шайбу, которая обеспечивает заданный расход теплоносителя через ТВС. Головка кассеты имеет окна для выхода воды в верхнюю камеру реактора. Конструкция головки позволяет осуществлять сопряжение ТВС с верхним блоком реактора и с перегрузочным оборудованием.

В утвержденном проекте АППУ ПЭБ с реактором КЛТ-40С расстояние между стержнями s в кассетах активной зоны (шаг решетки) принято равным 9,95 мм. Из соображений унификации изделий пэлы РО КГ выбраны идентичными пэлам, освоенным в реакторах ВВЭР-1000 (диаметр пэлов 8,2 мм). В этом случае размер кассеты «под ключ» sк получается равным 98,5 мм, а аналогичный размер вытеснителя sв = 31 мм. Для фиксации положения стержней в принятой конструкции ТВС вместо сотовых дистанционирующих решеток используются трехъярусные пластинчатые решетки.

Выбор в проекте довольно свободной решетки стержней с относительным шагом s/dтв = 1,46 обеспечивает сравнительно малые потери давления при прокачке воды через реактор (при номинальном расходе теплоносителя менее 0,1 МПа), снижает потребную мощность циркуляционных насосов, способствует развитию естественной циркуляции при работе на пониженных мощностях. Однако следует иметь в виду, что при заданном расходе воды с увеличением шага решетки одновременно уменьшается скорость ее движения в активной зоне реактора, а, следовательно, и коэффициент теплоотдачи от поверхности твэлов. При высоких тепловых нагрузках повышение температуры теплоотдающих поверхностей может привести к возникновению кипения теплоносителя на значительной части активной зоны [16], что вызовет увеличение гидравлического сопротивления. Кроме того, поверхностное кипение будет способствовать развитию интенсивной нодульной (язвенной) коррозии и создаст возможность появления на поверхности твэлов коррозионных и накипных отложений при загрязнении теплоносителя. Все это отрицательно скажется на работоспособности твэлов и может привести к преждевременному выходу их из строя.

Конструктивно твэл реактора строящегося в настоящее время ПЭБ представляет собой гладкий стержень диаметром 6,8 мм с длиной активной части 1200 мм. Внутри оболочки твэла из циркониевого сплава Э-110 толщиной 0,5 мм находится дисперсионная топливная композиция, состоящая из гранул диоксида урана с низ-

60