Основы технологии и расчета ядерных реакторов (стр. 9 )

Бак аппарата закрывается крышкой, на которой находится гидроуплотнительная система, СУЗ, система перегрузки, контрольно-диагностическая аппаратура.

Наибольшее распространение получили твэлы стержневого типа с внутренней полостью и наружным охлаждением, в качестве материала топливного сердечника могут быть использованы нитрид урана, карбид урана или диоксид урана, иногда металлический уран, диспергированный в металлические матрицы на основе молибдена или циркония.

Материалами для оболочек могут служить любые стали, имеющие хорошую совместимость с топливом и теплоносителем, хорошие теплофизические свойства, высокую радиационную стойкость. В наших реакторах используется сталь Х18Н10Т. В зарубежных реакторах применяются инконель, нимоник. Инконель - жаропрочный сплав никеля с хромом %), железом (до 19%), алюминием (до 3% ) и титаном (до 3% )

В реакторах на быстрых нейтронах температура на выходе может достигать 600 0С, большие флюенсы нейтронов. Практически, оболочка твэла лимитирует время одной кампании.

Для увеличения максимальной энергонапряженности необходимо развивать поверхность теплообмена, что возможно при уменьшении диаметра топливных элементов. Однако, уменьшение диаметра меньше 5 мм нецелесообразно, т. к. уменьшается механическая устойчивость таких твэлов в потоке теплоносителя. С уменьшением диаметра твэлов приходится использовать много дистанционирующих устройств, что приводит к увеличению непроизводительного поглощения нейтронов. Кроме того, развитая поверхность требует большего количества теплоносителя в сечении канала, что также сказывается на поглощении нейтронов и уменьшении их энергии.

С ростом температуры в АЗ изменяется профиль распределения температуры как по радиусу, так по высоте, поэтому в центральной области АЗ наблюдается сближение топливных элементов, т. е. эффективная ядерная плотность топлива с температурой будет расти за счет вытеснения теплоносителя. На периферии АЗ эффективная плотность будет расти в меньшей степени, поэтому локальный коэффициент размножения будет уменьшаться.

Наиболее часто в качестве теплоносителя используют Na, для которого Ткип = 882,9 0С при атмосферном давлении, Тпл = 97,8 0С, плотность g = 968 кг/м3 при 20 0С.

Существует два вида движения теплоносисверху вниз; 2) снизу вверх. Рассмотрим их.

1) При движении теплоносителя по полю силы тяжести:

·  время введения стержней СУЗ уменьшается;

·  в случае аварии ГЦН скорость теплоносителя проходит через ноль и изменяет направление, в результате АЗ не охлаждается и возможен ее выход из строя;

·  в верхней части АЗ появляется свободное пространство для организации контроля за всеми параметрами теплоносителя (температура, расход, давление);

·  усложняется устройство гидрозатворов, отделяющих полость от окружающей среды.

2) При движении теплоносителя снизу вверх:

·  давление газовой подушки больше атмосферного;

·  в случае аварийной остановки ГЦН скорость теплоносителя не проходит через ноль, таким образом, теплосъем не прекращается;

·  необходимо предусмотреть крепление кассет от всплывания.

С учетом всех обстоятельств, в настоящее время используется второй вариант движения теплоносителя.

При больших выгораниях топлива порядка 10%, характерных для реакторов на быстрых нейтронах, большая часть атомов к концу кампании распадается, поэтому нарабатывается значительная доля осколков, в том числе образуется ксенон и др., поэтому необходимо под оболочкой твэла предусмотреть значительный свободный объем.

Жидкометаллические теплоносители должны изолироваться от воздуха, чтобы уменьшить процессы окисления. Важно, что окислы образуют нерастворимые фрагменты, которые осаждаются на элементах технологической схемы, что сужает пропускную способность сечений. Наиболее опасно осаждение на входном участке твэла. Для борьбы с окислами существуют горячие и холодные ловушки. Холодные ловушки – установленные объемы с жидким металлом с температурой ниже, чем в первом контуре. Этот объем заполняется этими окислами. Горячие ловушки заполнены металлом на основе , которые при высокой температуре являются более активными по отношению к кислороду.

5.4.2.2 Однокомпонентный исследовательский реактор БАРС-5

Быстрый апериодический реактор самогасящийся - это исследовательский реактор, аттестован как эталон источников нейтронов. Имеет два режима работы: импульсный и статический при мощности 20 кВт. Назначение – исследование комплексного воздействия поражающих факторов ядерного взрыва на специальные образцы; исследование физических характеристик образцов из делящихся материалов после нейтронного воздействия.

Конструктивные особенности: реактор состоит из двух связанных между собой через нейтронное поле активных зон.

Применяется центральный экспериментальный канал диаметром 60 и 90 мм. Две связанные активные зоны, расстояние между которыми меняется от 337 мм до 1500 мм. Передвижная АЗ позволяет изменять область для размещения исследуемого образца. Импульс нейтронов обеспечивается источником нейтронов 109 н/с, что уменьшает аварийное энерговыделение и исключает взрывные аварии.

,

где - период реактора; - время жизни мгновенных нейтронов.

Время нагрева топлива на один градус:

,

где

,

,

тогда

.

Таким образом, чем больше поток, тем меньше времени требуется для нагрева топлива при одном и том же периоде реактора, следовательно, быстрей сработает отрицательный температурный эффект реактивности и реактивность реактора станет отрицательной, в результате поток нейтронов начнет резко уменьшатся.

Технические характеристики:

·  ;

·  загрузка по U235 – 128 кг;

·  число делений за импульс составляет 1,7∙1017;

·  время импульса 50 мкс;

·  флюенс быстрых нейтронов ;

·  скорость ввода реактивности ;

·  время жизни нейтронов ;

·  температурный коэффициент реактивности .

·  Мощность реактора в импульсе .

·  Энергия импульса Еимп =7000 кДж.

·  В реакторе отсутствует эффект Доплера (мало U238 и жесткиq спектр нейтронов).

·  Температурный коэффициент реактивности обусловлен плотностным эффектом.

·  Изменение температуры топлива составляет , где .

·  Температурный эффект реактивности при изменении температуры блока на 300 0C –

5.5 Реактор БН-600

5.5.1 Основные технические и теплофизические характеристики реактора БН-600

Номинальная тепловая мощность реактора, МВт	1470
Номинальная мощность реакгора электрическая, МВт	600
Время работы на номинальной мощности между перегрузками, сутки	165

Количество ТВС активной зоны (Ак. з.), в том числе шт:
ЗМО	136
ЗСО	94
ЗБО	139

Количество ТВС боковой зоны воспроизводства (БЗВ}, шт. в том числе:
Внутренней	161
Наружной	201

Топливный материал – окись обогащенного урана. Обогащение по урану-235, %вес
ЗМО	17
ЗСО	21
ЗБО	26

Воспроизводящий материал – окись обедненного урана (0,48%) Номинальное количество топлива (окиси) в ТВС Ак. з., кг – 32,8 Номинальное количество воспроизводящего материала {окиси), кг:
в ТВС Ак. 3.	22,5
в ТВС БЗВ	78,8

Кампания ТВС, эффективных суток:
ЗМО	3х160
ЗСО	3х160
ЗБО	3х160
БЗВ	(4..11)х160

Плутониевый коэффициент реактора	0,85
Наработка плутония за год работы реактора с коэффициентом нагрузки 0,8, кг	378
Количество урана-235 и плутония-239 в Ак. з. в начале интервала между перегрузками, кг	2020+110

Максимальное выгорание топлива,% т. а.:
ЗМО	9
ЗСО	9,5
ЗБО	10
внутренняя БЗВ	1,6
наружная БЗВ	1,1

Максимальное накопление плутония, кг/тонну окиси:
внутренняя БЗВ	41
наружная БЗВ	34

Максимальный поток нейтронов, н/см2 с:
полный	6,5 ´ 1015
с Е > 0,1 МэВ	3,9 ´ 1015

Максимальный флюенс нейтронов с Е > 0,1 МэВ, н/см2:
на ТВС ЗМО	1,62´1023
на ТВС ЗСО	1,68´1023
на ТВС ЗБО	1,45´1023

Максимальная повреждающая доза, с/а:
на ТВС ЗМО	75
на ТВС ЗСО	72
на ТВС ЗБО	69

Максимальная мощность ТВС Ак. з. с учетом мощности торцевых экранов, МВт:
для ТВС ЗМО	4,4
для ТВС ЗСО	4,6
для ТВС ЗБО	4,7

Максимальная тепловая нагрузка ТВЭЛа, кВт/м:
на ТВЭЛ Ак. з.	48
на ТВЭЛ БЗВ	48

Количество стержней СУЗ, шт.
АР	2
КС	19
АЗ	5
АЗ-П	1

Эффективность стержней СУЗ, %Dк/к:
1 АР (окись европия)	0,24±0,02
19 КС (карбид бора, естеств.)	7,0±0,3
5 АЗ+АЗ-П (карбид бора 80% В10, естеств.)	9±0,25

Изменение реактивности реактора при разогреве от 230 0С до номинальной мощности, % Dк/к	1,1
Изменение реактивности реактора за время работы между перегрузками, %Dк/к	2,7
Максимальный запас реактивности реактора при номинальной загрузке топлива (после перегрузки, Т=230 0С),%Dк/к	4,3
Расход натрия 1 контура через реактор при n = 970 об/мин, м3/час	29800
Расход натрия на охлаждение корпуса реактора при n = 970 об/мин, м3/час	1300

Температура натрия 1 контура при Nном:
на входе в реактор	377
на выходе из реактора	550
Количество параллельных петель 1 и 2 контуров, шт.	3
Расход натрия на каждой петле 2 контура номинальный, м3/час	8300
Температура натрия 2 контура при Nном и номинальном расходе, 0С:
на выходе из парогенератора	328
на входе в парогенератор	518

Характеристика совместной работы циркуляционных насосов 1 контура при n=970 об/мин
расход, м3/час	29800
напор, м. в.ст.	97
мощность на валу, кВт	2970
обороты плавно регулируются, об/мин	250¸970

Геометрические характеристики Ак. з. (для горячего реактора):
объем Ак. з. с ячейками СУЗ и ФНИ, дм3	3410
площадь ячейки ТВС, СУЗ, ФНИ, см2	84,9
высота Ак. з., см	104,2

Высота торцевой зоны воспроизводства, см:
верхней	30,2
нижней	35,3

Радиус Ак. з., см	103,6
Шаг размещения ТВС, см	9,902
Высота БЗВ, см	159, 0

Характеристики ТВС и ТВЭЛ Ак. з.:
Размер “под ключ” шестигранной трубы, мм	96
Толщина стенки шестигранной трубы, мм	2

Количество ТВЭЛов в ТВС, всего шт.	127
в том числе центральных, шт	91
в том числе периферийных, шт.	36

Диаметр и толщина оболочки ТВЭЛов, мм	6,9х0,4
Диаметр дистанционирующей проволоки, мм	1,05
Размеры дистанционирующей ленты, мм	0,6х1, 3
Диаметр (и количество вытеснителей), мм (шт.)	1,6(36)
Загрузка топлива в один ТВЭЛ, г	258
Эффективная плотность окиси урана, г/см3	8,6
Максимальная температура внутренней поверхности оболочки ТВЭЛа с учетом факторов перегрева, 0С	707
Максимальное давление газа в ТВЭЛе (продукты деления), кгс/см2	40

Скорость натрия максимальная:
– в ТВС, м/с	8,1
– в запиточных отверстиях, м/с	23,0

Максимальный перепад давления на шестигранной трубе ТВС, кг/см2	6,3
Максимальный полный нейтронный поток, н/см2×с	3,0´1015

Характеристики торцевого экрана:
количество ТВЭЛов в ТВС, шт.	127
диаметр и толщина оболочки ТВЭЛов	6,9х0,4
Эффективная плотность обедненной окиси урана, г/см3	9,4
Максимальный полный нейтронный поток, н/см2×с	0,6 ´1015

Теплоноситель в 1 и 2 контурах - натрий по ТУ3.

Инертный газ в реакторе - аргон марки А по ГОСТ .

5.5.2 Принципиальная схема и компоновка реактора

Передача тепла от реактора к турбогенераторам производится по трех-контурной схеме:

·  первый контур обеспечивает съем тепла в реакторе;

·  второй контур является промежуточным;

·  третий контур служит для выработки и транспортировки пара на турбогенераторы.

В качестве теплоносителя в 1 и 2 контурах используется натрий. Циркуляция натрия 1 контура осуществляется тремя параллельными самостоятельными потоками (3 петли); каждая петля включает в себя два промежуточных теплообменника натрий-натрий и циркуляционный насос с управляемым обратным клапаном.

“Горячий” натрий, выходящий из активной зоны и зоны воспроизводства, поступает в верхнюю смесительную часть корпуса реактора. Из верхней части корпуса натрий с температурой 550 0С через промежутки в наборе труб внутрибаковой биологической защиты, окружающей центральную зону реактора, поступает в верхнюю часть межтрубного пространства шести теплообменников.

В теплообменниках натрий 1 контура проходит по межтрубному пространству сверху вниз и отдает тепло натрию 2 контура, поднимающемуся вверх по трубам.

Из теплообменников натрий 1 контура с температурой 365 0С поступает в три сливные камеры, каждая из которых объединяет слив из двух теплообменников, а из сливных камер - на всасывание циркуляционных насосов 1 контура.