Активная зона

Активная зона реактора является непосредственным источником тепловой энергии, которая генерируется в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) и передается омывающему их теплоносителю.

Сборочная единица активной зоны – тепловыделяющая сборка (ТВС). Формируя активную зону, ТВС устанавливаются хвостовиками в опорные трубы, практически вплотную друг к другу в плане и жестким допуском по высоте.

ТВС – это пучок ТВЭЛ, собранных по треугольной решетке и зафиксированных в несущей конструкции, которая обеспечивает возможность транспортных операций с ТВС и сборки активной зоны. Как правило, ТВС набирается из ТВЭЛ с одинаковым обогащением. Исключение составляет незначительное количество ТВС ВВЭР-1000, применяемых в некоторых загрузках, у которых 2 периферийных ряда ТВЭЛ имеют несколько меньшее обогащение. Устройство ТВС для ВВЭР-1000^* и ВВЭР-440 показано на рис.3, 4 соответственно.

* - На рис.3 изображена унифицированная ТВС (УТВС). В настоящее время прошла испытания и внедряется ТВСА – альтернативная, с усиленной несущей конструкцией: головка и хвостовик ТВСА соединены дополнительно шестью уголками

Ниже, в табл.2 приведены основные геометрические и физические характеристики ТВС и ТВЭЛ.

Табл. 2.

№ п/п	Параметр	Значение ВВЭР-1000	Значение ВВЭР-440
ТВС
	Количество ТВС в зоне	163	349*
1.	Высота, м	4,57	3,22
2.	Размер «под ключ», мм	235,1	145
3.	Форма кассеты	Шестигранная призма	Шестигранная призма
4.	Количество ТВЭЛ в ТВС, шт.	312	126
5.	Шаг между ТВЭЛ, мм	12,75	12,2
6.	Количество дистанционирующих решеток	15	11
7.	Направляющий канал Количество, шт Диаметр наружный, мм Диаметр внутренний, мм	18 12,6 11	- - -
8.	Центральная трубка Диаметр наружный, мм Диаметр внутренний, мм	12,6 11	10,3 8.8
9.	Масса топлива, кг	491,4+ 4,5	136+2,5
ТВЭЛ
10.	Топливо	Таблетки UO2	Таблетки UO2
11.	Обогащение топлива изотопом U235%	1,6 - 4,4	1,6 – 4,4
12.	Плотность таблетки, г/см3	10,4 – 10,7	10,4 – 10,7
13.	Давление гелия под оболочкой, мПа	2,0	0,5-0,7
14.	Диаметр оболочки наружный,мм внутренний,мм	9,1 7,73	9,1 7,73
15.	Диаметр таблетки наружный,мм	7,57	7,6
16.	Диаметр внутреннего отверстия в таблетке, мм	1,5	1,2
17.	Высота таблетки, мм	9 -12	8 -14
18.	Длина ТВЭЛ, м	3,84	2,54
19.	Высота топливного столба в холодном состоянии, м	3,53	2,42

Принципиальным различием в конструкции ТВС ВВЭР-1000 и ВВЭР-440 является то, что в ТВС-440 несущей конструкцией является шестигранный чехол с головкой и хвостовиком, а в ТВС-1000** таковой отсутствует. Функцию несущей конструкции в последней выполняют жестко скрепленные хвостовик - направляющие каналы и центральная трубка-головка. Безусловно отказ от чехла делает ТВС более уязвимой при проведении транспортно-технологических операций и эксплуатации в зоне, но он необходим при повышении единичной мощности ТВС. Дело в том, что чехол изолирует поток теплоносителя в конкретной ТВС, а гидравлическое сопротивление для такого потока связано положительной обратной связью с мощностью ТВС: больше мощность – больше гидравлическое сопротивление, поскольку средняя плотность теплоносителя в ТВС уменьшается.

* - на периферии активных зон ВВЭР-440 вместо ТВС могут быть установлены 36 имитаторов ТВС для уменьшения нейтронного инфлюенса на корпус реактора.

** - За исключением ТВС для головного блока ВВЭР-1000, НВАЭС-5.

В результате, при фиксированном перепаде давления на активной зоне, в наиболее энергонапряженных ТВС будет наименьшим расход. Отсутствие чехла в ТВС обеспечивает возможность поперечного перемешивания струй теплоносителя, омывающих ТВЭЛы разной энергонапряженности, что увеличивает коэффициент теплопередачи и сводит к минимуму негативное влияние положительной связи мощности и гидравлического сопротивления.

ТВЭЛы в ТВСах фиксируются в плане дистанцирующими решетками. Профиль ячеек решеток и их упругопластические свойства обеспечивают безлюфтовое поджатие ТВЭЛ в решетке и вместе с тем не препятствуют температурному удлинению ТВЭЛ. В нижней дистанцирующей решетке, которая является опорной и сваркой жестко соединена с хвостовиком, ТВЭЛы фиксируются в аксиальном направлении. Это соединение обеспечивает невсплытие ТВЭЛ при наличии перепада давления на активной зоне. Верхние концы ТВЭЛ свободны, что обеспечивает возможность безопасного температурного удлинения.

ТВЭЛ конструктивно выполнен в виде стержня: трубка - обечайка, уплотненная с обоих концов, наполненная таблетками топлива из спеченной двуокиси урана. Пространство между топливом и обечайкой заполнено гелием для обеспечения высокого коэффициента теплопроводности. В центре таблеток топлива имеется отверстие для уменьшения максимальной температуры топлива. В верхней части ТВЭЛ существует свободное пространство - газовая полость, для приема газов, появляющихся при делении урана. Давление указанных газов может приводить к подъему внутреннего давления ТВЭЛ.

Для уменьшения паразитного захвата нейтронов все конструкционные элементы ТВС и ТВЭЛ, расположенные в активной части зоны изготавливаются из сплавов Zr + 1% Nb и Zr + 2,5% Nb. Для ТВС-440 – это шестигранник чехла, дистанционирующие решетки, оболочки ТВЭЛ; для ТВС-1000 – направляющие каналы, центральная трубка, дистанционирующие решетки, оболочки ТВЭЛ. Остальные элементы изготавливаются из различных сталей и сплавов, в соответствии с технологическими требованиями.