Компоновка активной зоны реактора

При компоновки активная зона определяется её геометрическими размерами с учётом максимального теплового потока q _max, который выбирают по справочной литературе для данного типа реактора, или по экспериментальным данным, если создаётся реактор нового типа.

Зная q _max определяют средний тепловой поток:

;

где K_v– коэффициент неравномерности энерговыделения по объёму активной зоны;

К_п – коэффициент перегрева, учитывающий отклонение конструктивных параметров активной зоны, влияющих на её надёжность в худшую сторону;

К_твс – коэффициент неравномерности энерговыделения по поперечному сечению ТВС.

Эти коэффициенты приводятся в справочной литературе и принимаются предварительно, а затем уточняются. Ø 9,1 0,65 есть допуск (отл. в худшую сторону ≈ 0,64)

Зная q, определяют поверхность теплосъёма, которая обеспечивает надёжный теплоотвод от твэлов к теплоносителю:

;

где N_т - тепловая мощность реактора равная:

;

где , η _t - учитывает тепловые потери в конденсаторе турбины в соответствии со 2 законом термодинамики.

- (1) 1 закон термодинамики. Произведённая энергия расходуется на изменение энергии и совершение работы.

- (2) , если Р = const

Принципиальное отличие между формулой (1) и (2) состоит в том, что q и l зависят от процесса, и от аргумента состояния (Р или t).

Из формулы следует, что с увеличением их число в активной зоне снижается, а поэтому меньше стоимость активной зоны. Однако диаметр твэлов ограничивается по теплофизическим условиям:

1. С ростом увеличивается диаметр активной зоны.

2. Увеличивается толщина стенки твэла, а вследствие этого ухудшается теплообмен (возрастает термическое сопротивление) и в итоге увеличивается температура топливного сердечника и температура оболочки твэла.

Если растёт, то растёт при одинаковом тепловом потоке.

3. Снижается глубина выгорания топлива – важный технико-экономический параметр, показывающий эффективность использования топлива. При работе реактора образуются газообразные продукты деления, вследствие чего давление внутри твэла растёт.

Если же увеличить толщину стенки оболочки, чтобы она выдержала большой прирост давления, то увеличится ядерная концентрация материалов, и поэтому паразитический захват n и необходимо будет увеличить обогащение топлива, т.е. стоимость загрузки.

Поэтому определяют с помощью технико-экономического анализа.

Профилирование энерговыделения

Для оптимизации конструкции активной зоны используют профилирование энерговыделения:

Из формулы следует, что при снижении коэффициентов неравномерности снижается F при заданной N_т или увеличивается N_т при данном значении F, т.е. можно в прежних габаритах активной зоны увеличить тепловую мощность реактора или при прежней мощности N_т уменьшить F и как следствие габариты активной зоны.

Для профилирования энерговыделения применяются следующие способы:

1.Частичные перегрузки топлива или профилирование обогащением топлива (рис.18).

(применяется в реакторе ВВЭР-1000)

В центре – обогащение минимальное, а на периферии 1 -

максимально. Разное обогащение топлива в зонах 1,2,3

достигается с помощью частичных перегрузок, т.е.

выгружается по истечению компании реактора, только

часть топлива (топливо зоны 3). В центре 3 перемещается

топливо из зоны 2, в зону 2 перемещается топливо из

зоны 1, а в зону 1 загружается свежее топливо. Т.о.

выравнивается нейтронный поток по радиусу активной

зоны, т.е. снижается K_v.

Рис.18. Обогащение топлива по зонам

2. Применение самоэкранируемого выгорающего поглотителя.

При таком способе устанавливают в центре активной зоны кассеты, в которых часть стержней выполнена из СВП, например, гадолиния. СВП отличается тем, что он выгорает послойно от периферии к центру, т.к. периферийные слои экранируют внутренние от нейтронов. По мере выгорания топлива выгорает и поглотитель, что увеличивает компанию реактора.

3. Применение отражателя нейтронов.

Отражатель нейтронов образует плата на кривой Ф(r) или Ф(z). Плата на кривой Ф(r) даёт боковой отражатель, а Ф(z) – торцевые верхний и нижний.

4. Твёрдые поглощающие стержни, перемещающиеся в активной зоне.

Такие стержни могут вводиться и выводиться из активной зоны. Укороченные стержни регулируют реактивность на высоте активной зоны, а стержни более длинные профилируют энерговыделения по радиусу активной зоны. Такой способ применяется в РБМК – 1000, а стержни называются УСП – укороченный стержень поглотитель, РР – стержень радиального профилирования.

5.Изменение шага твэла. При малых обогащениях топливо (3-5%) зависимость материального параметра от шага имеет максимум (рис.19):

С увеличением относительно æ² снижается вследствие уменьшения

коэффициента θ из-за увеличения паразитического захвата нейтронов теплоносителя, а при < æ² снижается из-за снижения φ, т.к. замедлителя на достаточно для

быстрого проскока резонансного диапазона энергии.

Для профилирования энерговыделения в центре активной зоны следует устанавливать

кассеты с больше или меньше . Недостаток этого способа – снижается эффективность использования топлива.