GOSy_teoria_2013

108. Основные требования к ТВЭЛ и их типы.

Выбор формы и размеров твэлов определяется необходимыми для реактора объемом делящегося вещества и площадью теплопередающей поверхности. От конструкции твэлов во многом зависит также радиационная стойкость и технологичность изготовления. Радиационную стойкость твэлов в известной мере можно улучшить усложнением их формы, но при этом возникают существенные технологические трудности. Твэлы изготовляют в большом количестве, поэтому их форма должна позволять использование наиболее производительных методов изготовления, обеспечивающих одновременно и высокое качество изделий. При высокой энергонапряженности ядерного топлива из-за ограничений, связанных с допустимой температурой топлива и теплопередачей, стремятся к увеличению отношения поверхности твэла к его объему, при котором обеспечивается уменьшение теплового потока на единицу поверхности за счет увеличения поверхности. Увеличение отношения поверхности твэла к объему может быть получено при использовании стержневых твэлов малого диаметра или тонких пластин, объединяемых в соответствующие сборки. Но для улучшения условий деления ядер (для уменьшения захвата нейтронов без деления 238U) твэлы должны иметь наименьшее возможное отношение поверхности твэла к его объему, иначе потребуется дополнительно обогащать горючее 235U. Это противоречие может быть в некоторой степени согласовано при использовании твэлов с оребренной оболочкой, в которых увеличивается поверхность теплопередачи без увеличения поверхности топлива. Как правило, коэффициент теплоотдачи оребренных твэлов в 3 — 5 раз выше, чем неоребренных.

Практически твэлы, используемые в ядерных реакторах, по геометрическим формам можно разделить на следующие основные типы: блочковые, трубчатые (с металлическим топливом и оребрением под газ), контейнерные (трубка с таблетками UO2 или сферическим порошком), групповые, шаровые, стержневые (содержат металлическое дисперсионное топливо), пластинчатые.

109. Алюминиевые магниевые сплавы. Их применение в ядерной энергетике.

Al – наиболее широко распространённый конструкционный элемент, решётка КГЦ до ТПЛАВ, используется в реакторах с водой под давлением. Сечение поглощения тепловых нейтронов 2,15*10-29 м2, плотность 2,7 г/см3, ТПЛАВ = 933 К, ТКИП = 2600 К, коэффициент линейного расширения при температуре 293-873 К= 5,8*10-6 К-1,коэффициент теплопроводности при температуре 373473 К = 23,7 Вт/(м*К), малое сечение захвата тепловых нейтронов, низкая плотность, позволяют использовать его в реакторе на природном уране. Из алюминия делают оболочки твэл, канальные трубы, трубопроводы. Чистый

161

алюминий очень пластичен и непрочен, обладает низкой коррозионной стойкостью при Т = 523-573 К.

Обладает хорошей тепло и электропроводностью. Из-за плохих механических свойств и низкой ТПЛАВ в ядерной энергетике используют сплавы алюминия. Алюминий способен создавать интерметаллические соединения UAl2, UAl3, UAl4. Al хороший утилизатор, хорошо растворяется и перемалывается. Особо важным свойством Al-сплавов является их высокая коррозионная стойкость.

Сплавы из Al (Al технический, Al-Mn, Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg) способны выдержать 360-380 0С при давлении 150 атмосфер.

Магний дёшев и доступен. Сечение поглощения тепловых нейтронов 5,9*10-30

м2, плотность 1,74 г/см3, ТПЛАВ = 924 К, ТКИП = 1393 К, коэффициент линейного расширения 26*10-6 К-1,коэффициент теплопроводности 158,3

Вт/(м*К). Магний обладает малой коррозионной стойкостью, склонностью к самовоспламенению, низкой температурой плавления, низкими механическими свойствами при высокой температуре. Используется как материал оболочек твэл. Чистый магний малопластичен при температуре ниже 373 К. Облучение не существенно изменяет свойства магния и его сплавов. Магний и его сплавы нестойки к атмосферной коррозии.

Mg – один из самых лёгких металлов, решётка ГПУ, ТПЛАВ = 651 0С, ТРЕКРИСТ = 250 0С, = 1,74 г/см3, при Т=200-300 0С горит на воздухе, образует

взрывоопасные соединения, А = 0,054 барна. В отличие от бериллия менее дорогой. Имеет плохие механические свойства (хрупкость, низкая пластичность), высокую химическую активность.

Сплавы: Магнокс Mg(0.8% Al, 0.01% Be), используется на английских

газовых ЯР, ТРАБ = 400 0С. МБ-3 (0.04% Be, 0.5% Si, 0.01% Fe, Ni, Mn). МБ-4 (0.08% Be, 0.7% Si, 0.01% Fe, Ni, Mn).

Магниевые сплавы нашли широкое применение в низкотемпературных газовых реакторах.

110. Основные виды ядерного топлива и требования к нему.

Из всех видов ядерного горючего U получил наибольшее распространение в силу наибольшей распространенности в природе.

Возможность использования чистого урана для изготовления металлических сердечников твэлов ограничены из-за изменения свойств урана при облучении. Повышение устойчивости ядерного горючего в твэлах с металлическим сердечником может быть достигнуто применением сплавов урана.

Сплавы с железом. Легирование урана небольшим количеством железа улучшает эксплуатационную надежность сердечников твэлов.

162

После закалки у такого урана измельчается зерно и повышаются механические характеристики. Это ослабляет радиационное огрубение поверхности твэлов.

Сплавы с алюминием. Такие сплавы обладают высоким сопротивлением термической усталости и значительно более устойчив к изменению формы при цилиндрических нагреваниях и облучении, чем чистый уран.

Возможно использование сплавов с кремнием, хромом, молибденом, цирконием.

Сплавы должны отвечать определенным требованиям:

1.Минимальный паразитный захват нейтронов.

2.Должны сохранять размеры и форму при воздействии облучения и температуры.

3.Совместимость с оболочкой твэла.

4.Хорошие теплофизические свойства.

Так же в качестве топлива возможно применение сплавов плутония и тория. Соединение урана, плутония, тория с неметаллами (кислородом, углеродом, азотом и др.), имеющие высокую температуру плавления, значительную плотность горючего материала, низкое сечение захвата, стойкость в условиях облучения, обычно обьединяют в одну группу-керамическое ядерное

горючее.

Двуокись урана. Из окисных материалов самое широкое распределение нашла двуокись урана. Она допускает высокие степени выгорания без заметного распухания.

Закись-окись урана. По сравнению с двуокисью имеет ограниченое применение. Она применяется в твэлах дисперсионного типа.

Монокарбид урана. Считают одним из самых перспективных ядерных материалов в связи с высоким содержанием в них горючего.

Соединения плутония,тория обладают практически аналогичными свойствами и являются топливом будущего.

В дисперсионном ядерном горючем топливная фаза распределена в неактивной матрице. Каждую частицу горючего можно рассматривать как микроэлеиент, в котором роль оболочки играет матрица.

требования к этим видам топлива такие же.

111.Классификация и области применения реакторов.

1.По энергии нейтронов (тепловые, промежуточные и быстрые).

2.По назначению (энергетические, исследовательские, транспортные и промышленные).

3.По структуре А.З. (гомогенные и гетерогенные).

4.По изотопному составу ядерного топлива

163

а) на природном уране- U235-0.72 .

б) на обогащенном уране- U235-1 -90-95 . в) на вторичном топливе- U233,Pu239.

5. По химическому и агрегатному состоянию топлива.

а) металлическое топливо с легирующими добавками(Ni, Mo, Zr, Fe и тд.). б) керамическое топливо (оксиды UO2, U3O8,, карбиды UC, UC2 и тд и их

соединения UO2+ PuO2).

в) металлокерамическое топливо.

г) жидкое топливо (растворы или расплавы). д) газообразное (UF6).

6.По элементам воспринимающим давление (корпусные, канальные).

7.По материалу замедлителя (H2O, Д2О, графит).

8.По принципу компоновки (петлевая, интегральная).

9.По типу теплоносителя (водный, газовый, жидкометаллический)

Области применения ядерных реакторов:

1.Электроэнергия.

2.Транспорт.

3.Тепло высокого потенциала.

4.Тепло низкого потенциала.

5.Источники нейтронного излучения в исследовательских целях.

112.Нейтронно-физические особенности водо-водяных реакторов.

1.)Относительно большая жесткость спектра нейтронов и заметная доля

делений надтепловыми нейтронами;

2.)Большая доля делений U238 надпороговыми нейтронами;

3.)Взаимное «затенение» блоков для нейтронов резонансных энергий; 4.)Малые значения длин замедления и диффузии тепловых нейтронов а

решетке; 5.)Большой диапазон изменения температурного, плотностного и

мощностного эффектов реактивности в процессе разогрева реактора и вывода его на мощность;

6.)Большой начальный запас реактивности;

7.)Динамическая устойчивость и безопасность в эксплуотации;

8.)Возможность появления в реакторе локальных критических масс.

Нейтронно-физические особенности ВВЭР.

В реакторах ВВЭР в качестве теплоносителя и замедлителя используется вода, отсюда появляются особенности ВВЭР.

Компактность, т.е. наименьшие критические размеры по сравнению с другими ректорами на тепловых нейтронах.

164

Компактность обуславливается тем, что длина замедления нейтронов вводе наименьшая (5-7 см), по сравнению с другими замедлителями. Необходимость использования обогащенного урана. Это связано с большими

сечениями поглощения тепловых нейтронов в воде.

165

113. Конструкции водо-водяных реакторов.

Все ВВЭР подразделяются на 3 вида.

1.Легко водные под давлением ВВЭР.

2.Легководные кипящие ВК.

3.Тяжеловодные (HWR). Современные ВВЭР делятся:

1.Средней мощности (2 петли охлаждения до 500 МВт).

2.Повышенной мощности (3 петли до 900 МВт).

3.Большой мощности (4 петли 1200 МВт и выше).

ВВЭР являются корпусными ЯР, т.е. А.З. реактора расположена в корпусе представляющем цилиндрический сосуд, внутри корпуса находится теплоноситель который в тоже время является замедлителем. Теплоноситель подается снизу вверх под давлением и таким образом проходит через все кассеты А.З.

ВВЭР состоят из следующих основных конструктивных узлов:

1.Корзины, в которой размещаются кассеты с ТВЭЛами, замедлителем и теплоносителем.

2.ЖВЗ.

3.БЗТ (блок защитных труб).

4.Отражателя нейтронов.

5.СУЗ с приводами.

6.Корпуса реактора с крышкой и уплотнительными элементами.

7.Тепловой и биологической защиты.

В ВВЭР применяется обогащенное топливо 2.5-3 , которое расположено в стержневых ТВЭЛах в виде таблеток (UO2, U3O8, металлический уран с Mo). Из ТВЭЛов компонуются кассеты. Корпус и крышка реактора сделаны из корпусной нержавеющей стали. Реактор помещен в шахту изнутри стальную,

аснаружи бетонную толщиной 3м.

114.Тенденции развития и перспективные типы ВВЭР.

Направлены в сторону увеличения КВ, а т.ж. безопасности.

1. Создание более мощного, современного и экономичного оборудования, в частности освоени новых ГЦН с лучшими массовыми характеристиками. Создание новых , более компактных и удобных в обслуживании схем размещения оборудования АЭС.

2. Повышение параметров пара.

3. Снижение стали в реакторе, поиск новых перспективных материалов.

4. Более плотная компоновка ТВЭЛ (обезвоженная решетка) шаг решетки 1.1

dТВЭЛ .

5. Введение урановых бланкетов, т.е. зоны естественного урана.

166

6.Увеличение времени м/д перегрузками (до 18 мес.), что снизит затраты ЯТЦ.

7.Замена UO2 на металлический уран легированный Si, Zr.

8.Совершенствование конструкции ТВЭЛ и ТВС.

Перспективными являются кипящие ВВЭР т.к. пар подается непосредственно на турбину, но приходиться использовать более коррозионно стойкие материалы что ведет к увеличению стоимости установки.

115. Физические и конструктивные особенности канальных графитовых реакторов.

Это безкорпусные реакторы, теплоноситель в которых циркулирует по отдельным рабочим каналам, куда помещена ТВС. А.З такого реактора собирается из графитовых колонн, которые являются замедлителем.

Особенности канальных реакторов.

1.Возможность применения любого теплоносителя.

2.КВ графитовых реакторов выше чем корпусных.

Вграфитовых реакторах возможна перегрузка на мощности.

Если теплоноситель СО2 то возможно применение безтрубных каналов. Увеличения мощности мощности таких реакторов можно добиться

увеличением числа каналов.

Возможность ядерного перегрева пара, исключает использование парогенератора.

Малая замедляющая способность графита приводи к увеличению размеров ЯР.

В графите накапливается энергия Вигнера. Возникает проблема стойкости графита. Пористость графита.

Хе волны.

Возможность поканального расхода тн-ля.

116. Конструктивные особенности графитовых реакторов с водяным охлаждением.

В случае использования воды в качестве теплоносителя кладка заключается в герметичный двустенный кожух внутри которого закачен инертный газ (40% Не и 60%N2). При такой конструкции требуется контроль воды в кладке осушка и дренаж. М/д трубой канала и кладкой т.ж. закачен инертный газ и вставлены графитовые втулки двух диаметров которые обеспечивают теплоотвод от кладки и выступают в роли радиационной защиты.

Реактор с водяным охлаждением имеет 998 рабочих каналов из которых 730 испарительных и 268 перегревательных .

167

168

117. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы их общая характеристика и конструктивные схемы.

Ядерное топливо таких реакторов керамическое т.к. только керамика способна выдерживать высокие температуры.

ТВЭЛы таких реакторов имеют оребрение которое обеспечивает лучший теплосъем но в тоже время делает их дорогими. Охлаждение производится газом (Не или СО2) который прокачивается с большой скоростью порядка 60 м/ч для обеспечения необходимого охлаждения т.к. газ имеет низкую теплоемкость и требуются большие объемы газа.

Если реактор охлаждается СО2 то ненужна труба ТК.

118. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы их общая характеристика и конструктивные схемы.

Ядерное топливо таких реакторов керамическое т.к. только керамика способна выдерживать высокие температуры.

ТВЭЛы таких реакторов имеют оребрение которое обеспечивает лучший теплосъем но в тоже время делает их дорогими. Охлаждение производится газом (Не или СО2) который прокачивается с большой скоростью порядка 60 м/ч для обеспечения необходимого охлаждения т.к. газ имеет низкую теплоемкость и требуются большие объемы газа.

Если реактор охлаждается СО2 то ненужна труба ТК.

119. Понятие термодинамического цикла. Цикл Карно, цикл Ренкена, регенеративный цикл. Оптимальная температура подвода тепла к циклу.

Термодинамический цикл – это есть совокупность процессов (рабочих) в энергетических контурах АЭС.

Цикл Карно:

=(Т1-Т2)/ Т1

Для поровой установки в качестве идеального применяется цикл Ренкена , в этом цикле удален недостаток цикла Карно (вода конденсируется в (.) 3 и ее сжимают простым насосом , а не компрессором)

Недостаток: КПД меньше чем в цикле Карно.

S

Регенеративный циклэто инженерный прием позволяющий получить цикл КПД которого одинаково с КПД цикла Карно (приближенно).

q1

A В

Оптимальную температуру подвода тепла к циклу находят из выражения:

170