МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ КАФЕДРА «ТЕПЛОФИЗИКИ»

Курс лекций «Основы теории тепломассообмена»

Лекция №4. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов

Москва 2024

Курс лекций «Основы теории тепломассообмена».

Назначение тепловыделяющих элементов

Тепловыделяющие элементы – элемент активной зоны, содержащий ядерное топливо и являющийся источником тепловой энергии.

Основное назначение тепловыделяющих элементов:

•генерация тепловой энергии;

•безопасное хранение, транспортировка и размещение в активной зоне ядерного топлива.

Особенности рабочей среды:

•интенсивное облучение (нейтронное, альфа, бета, гамма);

•высокий уровень температур (оболочки – до 550-600 С, топливо – до 2000 С);

•механическое и коррозионное воздействие (коррозия в теплоносителе, вибрационная фреттинг-коррозия; термическая деформация, распухание топлива, радиационное охрупчивание конструкционных

материалов).

Курс лекций «Основы тепломассообмена». Теплопроводность в телах простейшей формы.

2/51

Твэл в составе ТВС

Курс лекций «Основы тепломассообмена». Теплопроводность в телах простейшей формы.

4/51

Назначение тепловыделяющих сборок

Для загрузки в реакторы твэлы объединяют в ТВС. Исключение: блочковые – их загружают в каналы поштучно, и шаровые – их засыпают. Объединение в ТВС упрощает загрузку и выгрузку твэлов. В зависимости от типа реактора ТВС устанавливается в канал или в опорную конструкцию.

Основная функция ТВС – закрепление и дистанционирование твэлов. Следовательно нужно обеспечит их надежное крепление, постоянное наличие зазора между твэлами при возможности теплового расширения. Необходимо также обеспечивать защиту от истирания оболочек при вибрации вследствие движения теплоносителя (вода 4 7 м/с, натрий 4 10 м/с). Часто ТВС регулируют расход теплоносителя.

Курс лекций «Основы тепломассообмена». Теплопроводность в телах простейшей формы.

5/51

Назначение тепловыделяющих сборок

Наиболее распространены ТВС для цилиндрических твэл. Упаковка твэл может быть квадратная, треугольная или по концентрическим окружностям. Выбор зазора (шаг решетки зависит от типа реактора). Крепление твэл осуществляется с одной стороны жестко к решетке с отверстиями для наконечников топливных элементов и прохода теплоносителя. Решетки закреплены на каркасных трубках ТВС, к ним же крепятся по высоте дистанционирующие элементы. Второй конец твэлов входит в решетку свободно для компенсации теплового расширения. Дистанционирующие решетки также не должны мешать тепловому расширению. Вся сборка твэлов может быть заключена в кожух, образующий тракт теплоносителя. При наличии такого кожуха в ТВС можно ставить дросселирующие устройства для регулирования расхода.

Курс лекций «Основы тепломассообмена». Теплопроводность в телах простейшей формы.

6/51

Требования, предъявляемые к твэлам

•Загрузка топливом должна обеспечивать к концу кампании приемлемый уровень мощности, что ведет к более высокому обогащению топлива и выгорающим добавкам.

•При высоких выгораниях и нагрузках на твэл его конструкция должна сохранять герметичность, форму и размеры, удерживать продукты деления.

•Материалы должны быть выбраны с учетом малого сечения захвата нейтронов, хорошей теплопроводности, работоспособности при высоких температурах.

•Конструкция должна обеспечивать хорошие условия теплосъема, то есть высокое отношение периметра к сечению.

•Конструкция не должна деформироваться или разрушаться по действием термических напряжений. Хорошее закрепление и дистанционирование должно сочетаться с возможностью теплового расширения.

Поскольку требования противоречивы, в каждом случае ищется компромиссное конструкционное решение.

Курс лекций «Основы тепломассообмена». Теплопроводность в телах простейшей формы.

7/51

Изготовление твэлов и ТВС

Курс лекций «Основы тепломассообмена». Теплопроводность в телах простейшей формы.

8/51

Твэлы

Типы твэлов

а – стержневой с таблетками из спеченной UO2;

б – кольцевой совместно – прессованный; в – трубчатый с пропиткой матричным материалом; г – пластинчатый; д – призматический; е – шаровой;

1 – топливный сердечник (топливная композиция);

2 – оболочка;

3 – заглушка;

4 – наконечник;

5 – фиксатор;

6 – компенсационный объем;

7 – графитовый блок (призма).

Курс лекций «Основы тепломассообмена». Теплопроводность в телах простейшей формы.

9/51