2. Конструкция и типы твэлов и твс

2.1. Тепловыделяющие элементы (твэлы)

Тепловыделяющий элемент (твэл) — главный конструкционный элемент активных зон гетерогенных реакторов, а гомогенных реакторов пока практически нет. В твэлах выделяется более 90% тепловой энергии при делении U-235, Pu-239 и U-233. При наличии в твэлах материалов воспроизводства U-238 или Th-232 в них образуется вторичное ядерное топливо Pu-239 или U-233. Как правило, твэл состоит из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. Иногда на твэлах есть дистанционирующие элементы, хотя последние чаще бывают на ТВС (тепловыделяющих сборках). Сердечник содержит делящиеся или воспроизводящие нуклиды, оболочка и концевые элементы образуют герметичный объем. Оболочка защищает топливо от эрозии и коррозии, предотвращает попадание продуктов деления в теплоноситель. Она передает тепло от твэла к теплоносителю, воспринимает нагрузки от топливного сердечника и газовых продуктов деления. Ещё одна функция твэла состоит в локализации и исключении выхода ядерного топлива и радиоактивных осколков деления в теплоноситель.

Классификация твэлов осуществляется по различным признакам: тип реактора, параметры теплоносителя, назначение реактора, конструкция и т.д.

По виду топливной композиции — металлическая (таблетки), керамическая (таблетки) или дисперсная (перспективным является виброуплотненное топливо, технология которого разработана в НИИАР и заинтересовала Японию).

По геометрическому признаку — блочковые, стержневые, кольцевые, трубчатые, пластинчатые, шаровые. Блочковые и стержневые твэлы представляют собой цилиндр, у первых относительная длина l/d ~ десятки, вторых — сотни. Кольцевые твэлы обтекаются с обеих сторон, а трубчатые — только с внутренней. Некоторые твэлы выполняются закрученными, благодаря чему обеспечивается их самодистанционирование. Одновременно такая завивка может приводить к интенсификации теплообмена за счет лучшего перемешивания теплоносителя, срыва теплового пограничного слоя и т.д. Типы, конструктивные схемы и конструкции твэлов различных энергетических ядерных реакторов показаны на рис.3.5.1 – 3.5.6 [1, 4].

Ключевые параметров твэлов – удельное тепловыделение в топливе (в том числе, линейная тепловая нагрузка), плотность теплового потока с поверхности, рабочая температура, режим работы, энергия делящих нейтронов. Информация об этих параметрах для твэлов и ТВС основных типов энергетических реакторов приведена в табл. 3.5.1. Более детальная информация для отечественных реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, РБМК-1000 и РБМК-1500 дана в табл. 3.5.2 и 3.5.3. Для теплофизиков наиболее интересны удельное тепловыделение в топливе и плотность теплового потока с поверхности твэла, так как в случае водоохлаждаемых реакторов эти два параметра существенно влияют на запас до кризиса теплоотдачи при кипении — один из основных параметров безопасности таких реакторов.

2.2. Тепловыделяющие сборки (твс)

Тепловыделяющие сборки (ТВС) – пакет (пучок) твэлов для загрузки в активную зону большинства реакторов. Исключение составляют блочковые твэлы, загружаемые в топливные каналы (ТК) поштучно, и шариковые твэлы, которыми заполняют весь объем активной зоны, образуемой боковыми и нижними отражателями.

В зависимости от типа твэлов, ТВС устанавливают на опорные конструкции в активной зоне (корпусной реактор) либо в топливные каналы (канальный реактор) [1,4].

Функции ТВС – закрепление и дистанционирование твэлов, организация потока в активной зоне (обеспечение требуемого направления потока, его величины и распределения), облегчение транспортно-технологических операций с ядерным топливом.

Классификация ТВС по типу объединяемых в них твэлов – со стержневыми, кольцевыми, трубчатыми, пластинчатыми, призматическими твэлами. Пучки стержневых твэлов могут быть установлены в кожух (корпусные реакторы ВВЭР), либо загружаться в активную зону без кожуха (канальные реакторы РБМК). В ТВС с трубчатыми твэлами последние одновременно являются и трактами теплоносителя.

Во многих реакторах принята шестигранная правильная геометрия кожуха пучка. Как правило, в ТВС насчитывается десятки и даже сотни твэлов. Конструкции ТВС отечественных энергетических ядерных реакторов показаны на рис. 3.5.7 –3.5.9 [1,4]. ТВС нового поколения показаны для ВВЭР-1000 на рис. 1 [5] и для РБМК-1000 на рис. 2 [6].