4.3. Теплоноситель

Реакторный теплоноситель - это жидкое или газообразное вещество (или кипящая жидкость), предназначенное для от­вода генерируемого в реакторе тепла с целью его дальнейшего использо­вания.

Поскольку непрерывно циркулирующий через активную зону ЭЯР тепло­носитель является неотъемлемой её частью, к нему предъявляются те же нейтронно-физические требования, что и к замедлителю: минимальные зна­чения макросечений поглощения тепловых и резонансных нейтронов (обус­лавливающие более высокие значения  и ); желательна большая величина замедляющей способности (_s) - для того, чтобы помогать основному за­медлителю интенсивно замедлять нейтроны; радиационная, химическая и термическая стойкость в реакторных рабочих условиях; совместимость те­плоносителя с топливной композицией и всеми конструкционными материа­лами активной зоны, понимая под этим термином отсутствие заметного хи­мического или диффузионного взаимодействия теплоносителя с этими мате­риалами в течение длительного времени работы реактора.

Кроме того, к теплоносителю предъявляются "обычные" теплофизичес­кие требования, как-то:

- высокая удельная теплоёмкость с_р при рабочих температурах (так как отводимая теплоносителем тепловая мощность (Q_p = G_тс_рt_т) прямо­ пропорциональна удельной теплоёмкости с_р и массовому расходу G_т про­качиваемого через активную зону теплоносителя, то с увеличением с_р для отвода той же тепловой мощности Q_р требуется меньший расход теплоноси­теля G_т, а значит - и меньшие энергетические затраты на его циркуляцию через реактор);

- малый коэффициент динамической вязкости теплоносителя _т при рабочих средних температурах в активной зоне, так как с его величиной связана величина гидравлических потерь при прохождении активной зоны, а также величина коэффициента теплоотдачи от поверхности твэлов к теп­лоносителю;

- высокий коэффициент теплопроводности теплоносителя _т при рабо­чих температурах (также связанный с величиной коэффициента теплоотдачи к теплоносителю, определяющей эффективность теплообмена в реакторе);

- неподверженность теплоносителя кризисным явлениям в условиях высоких удельных тепловых нагрузок в активной зоне.

В практике отечественного реакторостроения конкурс на лучший теп­лоноситель для тепловых реакторов АЭС выиграла лёгкая вода: в реакто­рах типа ВВЭР - вода под давлением, в реакторах РБМК - кипящая вода.

Аббревиатура ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) означает, что и замедлителем, и теплоносителем в этом реакторе служит вода.

В реакторе же типа РБМК (реактор большой мощности канальный) кипя­щая вода, являясь теплоносителем, в силу своих приличных замедляющих свойств служит дополнительным внутриканальным замедлителем.

4.4. Параметры структуры активных зон гетерогенных эяр.

Принципиально топ­ливная композиция может быть смешана с замедлителем в виде эмульсии, химического, металлургического соединения или просто тонкодисперсной смеси, образуя в герметичном сосуде критический объём, в котором про­исходит самоподдерживающаяся цепная реакция деления. Такой реактор, однородный по физическим свойствам во всех точках его объёма, называют гомогенным (по латыни гомогенный - однородный).

Логическим антиподом гомогенному является гетерогенный реактор, то есть такой, в активной зоне которого топливная композиция отделена от замедлителя. Побуждением к такому разделению послужило, во-первых, же­лание локализовать топливную композицию, снизить ту часть общего объё­ма активной зоны, где размещено топливо и образуются высокорадиоактивные продукты деления. Более того, важно герметично изолировать топлив­ную композицию от замедлителя и омывающего её теплоносителя для предотвра­щения выноса и распространения радиоактивности из топливной композиции по всему реактору и первому контуру.

Во-вторых, как нам предстоит убедиться далее, такой реактор обла­дает перед гомогенным рядом преимуществ с точки зрения экономии нейт­ронов в нём, а значит, - и экономии ядерного топлива для получения за­данной мощности реактора.

Основным конструктивным элементом гетерогенной структуры активной зоны энергетических реакторов является тепловыделяющий элемент (твэл) - объём топливной композиции определённой формы, заключенной в тонко­стенную герметичную оболочку из металлического материала.

Толщина оболочки твэла выбирается такой, чтобы исключить проникновение радиоактивных продуктов деления из топливной композиции внутри твэла в охлаждающий его снаружи теплоноситель, что продиктова­но стремлением сделать контур циркуляции теплоносителя нерадиоактивным или, по крайней мере, слаборадиоактивным.

Твэлы энергетических реакторов могут иметь различную геометричес­кую форму.

Наиболее распространенными в энергетических реакторах явля­ются гладкостержневые (цилиндрические) твэлы, кольцевые, пластинчатые и крестообразные (см.рис.4.1).

Гладкостержневой Кольцевой Крестообразный (закрученный)

Пластинчатый

Рис.4.1. Твэлы различной геометрической формы.

Форма твэлов выбирается из соображений простоты и технологичности их изготовления, стремления при заданном объёме топливной композиции получить наибольшую поверхность теплоотдачи их и желания сделать твэлы теплотехнически надёжными, то есть способными сохранять свою герметич­ность и теплоотдающие свойства в течение длительного времени работы в реакторе.

Известно, например, что в процессе работы реактора в топливе его твэлов накапливаются самые разнообразные продукты деления, в том числе и газообразные, отчего топливная композиция с их накоплением постепен­но вспухает (увеличивает свой объём), из-за чего внутри твэла возника­ет большое избыточное давление, создающее угрозу разрыва оболочки твэла. С точки зрения такой возможности цилиндрические твэлы явно уступа­ют твэлам любой другой формы: повышение давления внутри цилиндрическо­го твэла всегда и неизбежно создаёт разрывные напряжения в его оболоч­ке, а в твэлах другой формы увеличение объёма и внутреннего давления приводит к возникновению напряжений изгиба в их оболочках. Крестообраз­ные твэлы в этом смысле выглядят лучшими среди других типов твэ­лов. В транспортных морских реакторах именно крестообразные твэлы за­воевали право на существование, показав достаточно высокую теплотехни­ческую надежность в пятилетнем цикле эксплуатации реакторов.

Цикл использования твэлов в энергетических реакторах АЭС с учётом частичных перегрузок значительно короче; кроме того, на АЭС стоимость твэлов, входящая в конечном счёте в стоимость отпускаемой электроэнер­гии, имеет значительно большее значение, чем на атомоходах, при созда­нии которых мысли о рентабельности топливного цикла отходили на задний план; по этой причине на АЭС отдано предпочтение самым простым и дешёвым твэлам гладкостержневой формы.

Для удобства транспортировки, загрузки и выгрузки твэлов в реактор определённые (как правило, равночисленные) группы твэлов объединяют в более крупные конструктивные узлы - тепловыделяющие сборки (ТВС).

Каждая ТВС представляет собой некоторое определённое количество твэлов, ди­станционированных, то есть расположенных на равных расстояниях друг от друга, что предотвращает их взаимное касание (грозящее локальным перегревом) и способствует равномерному омыванию всех твэлов теплоносителем. Пучок твэлов надежно скрепляется, образуя единый конструктивный узел с при­способлением в верхней его части (головкой ТВС), за которую удобно за­хватывать ТВС специальным захватом разгрузочно-загрузочной машины при выгрузке ТВС из активной зоны или загрузки их в неё.

ТВС энергетических реакторов могут быть кожуховыми и бескожуховыми. Кожух ТВС - это тонкостенная металлическая труба (цилиндрической, квадратной или шестигранной формы), в которой размещается и скрепляет­ся ТВС с учётом компенсации различных температурных удлинений твэлов в ТВС и самой кожуховой трубы из-за неодинаковости их нагрева в работаю­щем реакторе.

Кожуховая труба имеет двойное назначение: защита поверх­ностей наружных твэлов ТВС от возможных повреждений при транспортиров­ке, загрузке и выгрузке ТВС и организация распределения расходов теплоносителя по различным ТВС в соответствии с различными тепловыми мощ­ностями ТВС (кожуховые трубы при этом играют роль стенок каналов, по которым пропускаются требуемые расходы теплоносителя, а требуемого со­отношения расходов через отдельные ТВС в согласии с их тепловыми мощ­ностями добиваются путём постановки на входе в нижней части каждой ТВС дроссельных шайб с разными диаметрами проходных отверстий по принципу: чем выше мощность ТВС, тем больший расход теплоносителя нужен для ох­лаждения этой ТВС и тем, следовательно, больше должен быть диаметр от­верстия дроссельной шайбы на входе в эту ТВС).

Активные зоны отечественных реакторов типа ВВЭР на АЭС первых двух поколений (включая ВВЭР-440) состоят из кожуховых ТВС.

Теплотехнические исследования 70-х годов показали, что поперечные перетечки теплоносителя из одной ТВС в соседние в работающем на любом уровне мощности реакторе почти не снижают теплотехнической надежности ни ТВС, ни отдельных их твэлов. Поэтому, если снять кожуховые трубы со всех ТВС, теплотехническая надежность активной зоны сохра­нится на приемлемом уровне.

ТВС первых и последующих серийных активных зон реакторов ВВЭР-1000 выполнены бескожуховыми, а выбор их шестиугольной (в поперечном сече­нии) формы позволил реализовать практически беззазорный переход от одной ТВС к соседним. Активная зона ВВЭР-1000 от этого стала более одно­родной, состоящей из твэлов, образующих единую регулярную структуру в пределах всего поперечного сечения активной зоны; эта структура харак­терна тем, что расстояния между осями симметрии непосред

Элементарная ячейка

Диаметр твэла (d_т) Шаг треугольной решётки твэлов (а_т)

Рис.4.2. Регулярная структура треугольной решётки твэлов в ТВС и её характеристики.

ственно соседствующих твэлов равны, и оси симметрии любых трёх соседних твэлов, будучи соединёнными в поперечном сечении, образуют одинаковые равносторонние треугольники.

Вот почему такое размещение твэлов называют структурой треугольной решётки, а одинаковое расстояние между осями симметрии соседних твэлов - шагом треугольной решетки (а_т) (рис.4.2).

Регулярным (повторяющимся) объёмным элементом структуры треуголь­ной решётки является одиночный твэл вместе с относящимся к нему объёмом замедлителя. Этот элемент имеет форму прямой шестиугольной призмы, (а в поперечном сечении - форму правильного шестиугольника), и называ­ется элементарной ячейкой активной зоны (на рис.4.2 элементарные ячей­ки обведены штриховыми линиями).

Заметим, что размер "под ключ" гексагональной ячейки равен шагу треугольной решётки твэлов, и это помогает легко вычислять часто тре­бующуюся в расчётах величину площади поперечного сечения ячейки S_я:

S_я =  0.866 а_т² (4.4.1)

Такую же структуру треугольной решётки образуют и тепловыделяющие сборки в активной зоне реактора ВВЭР-440.

В практике эксплуатации реакторов АЭС беско­жуховые тепловыделяющие сборки, в отличие от кожуховых, часто назы­вают тепловыделяющими кассетами (ТВК).

Фиксация положения твэлов в ТВС (ТВК), устанавливающая структуру треугольной решётки заданного шага, выполняется с помощью разных конс­труктивных устройств, носящих общее название дистанционизаторов твэлов. Это могут быть ленточные дистанционирующие решётки, дистанционирующие трубчатые вытеснители, дистанционирующие пружины или даже дистанционирующие проволоки, служащие для удержания твэлов на требуемом отстоянии друг от друга и предотвращения взаимных касаний твэлов и касаний пери­ферийными твэлами в ТВС стенок кожуховой трубы, и в то же время не ме­шающими твэлам свободно удлиняться с повышением их температуры или за счёт необратимых изменений длины вследствие радиационных воздействий.

Структура треугольной решётки является наиболее плотной из объём­ных структур цилиндрических твэлов, позволяющей разместить в заданном объёме наибольшее количество твэлов, а, значит, при заданном количест­ве топливной композиции в активной зоне реактора - создать наибольшую поверхность теплоотдачи от твэлов, а при заданной номинальной мощности энергетического реактора - уместить активную зону в меньших габаритах.

В реакторах типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 по принципу треугольной решётки разме­щаются не только твэлы в каждой ТВС, но и сами ТВС в активной зоне, и решётка ТВС характеризуется своим значением шага.

В реакторах РБМК-1000 структура активной зоны строится на несколь­ко иных принципах. 18 цилиндрических твэлов каждой ТВС образуют не ре­гулярную структуру постоянного шага, а равномерно размещаются на двух концентрических окружностях разного диаметра (с центром на оси симмет­рии ТВС). ТВС в реакторе РБМК бескожуховые, но в ином смысле, чем в ВВЭР-1000: в РБМК роль кожухов ТВС выполняют цир­кониевые трубы технологических каналов, вставленные в вертикальные от­верстия в графитовой кладке активной зоны. В этих трубах и размещаются бескожуховые тепловыделяющие кассеты вместе с дистанционирующими элементами и элементами крепления. Поперечное сечение ТВС реактора РБМК-1000 представлено на рис.4.3.

решётка Вытеснитель

Рис.4.3. Поперечное сечение ТВС реактора РБМК-1000.

Большая высота активной зоны РБМК-1000 - 7 м - (у ВВЭР-1000 она 3.55 м) и обусловленные этим большие величины температурных расширений твэлов вынудили конструкторов каждую ТВС делить на две тепловыделяющих кассеты, располагающихся одна над другой с 20-миллиметровым зазором и скрепленных между собой шарнирно (по каркасной трубе). Каркасная труба служит, во-первых, как силовой элемент: на ней крепятся и дистанционируются твэлы. Во-вторых, внутри каркасных труб довольно большого числа ТВС располагаются датчики каналов нейтронных измерений, от которых поступают сигналы в систему контроля нейтронного поля и мощности реактора. В тех же технологических каналах, где нет измерительных элементов, каркасная труба заполнена силуминовыми вытеснителями, которые, замещая вытесняемые ими объёмы воды в центральной части ТВС, позволяют исключить возникновение «всплесков» плотности потока тепловых нейтронов, а, значит, - и перегревов твэлов внутреннего кольца ТВС.

Ячейки активной зоны РБМК, под которыми понимаются одиночные технологические каналы с прилегающими к ним объёмами графитовых столбов, образуют в реакторе регулярную структуру квадратной решётки с постоян­ным для всей активной зоны и отражателя шагом А_тк = 250 мм. Это значит, что и сами ячейки в поперечном сечении имеют форму квадрата со сторо­ной 250 мм (см. рис 4.4).

Рис. 4.4. Участок поперечного сечения активной зоны реактора РБМК-1000.

Тонкими сплошными линиями обведены контуры ячеек активной зоны (графитовый блок со вставленным в него технологическим каналом). Белые кружки в ячейках – тепловыделяющие сборки с ядерным топливом. Тёмные кружки в ячейках – каналы с подвижными поглотителями. Кружки с крестиками – каналы с дополнительными (неподвижными) поглотителями. Шестнадцать ячеек (4´4) образуют так называемую полиячейку (выделена более толстыми линиями в левом верхнем углу). В каждой полиячейке по две ячейки с подвижными поглотителями и по две ячейки – с дополнительными поглотителями. Обратите внимание: и ячейки, и полиячейки собраны в структуру квадратной решётки. Более того, ячейки с подвижными поглотителями и ячейки с дополнительными поглотителями образуют свои квадратные решётки, повёрнутые относительно основной решётки активной зоны на 45^о.

Всё это вместе взятое образует так называемую полирешётку активной зоны.

По возможностям размещения в заданном объёме активной зоны наи­большего количества топлива (определяемого числом размещаемых в актив­ной зоне ТВС) квадратная решётка уступает треугольной, но является бо­лее подходящей для уран-графитового реактора, т.к. графит, уступая во­де по замедляющей способности (_s), для обеспечения теплового спектра в реакторе должен использоваться в активной зоне в большем количестве на единицу массы загружаемого топлива, чем вода.

*) Подсчитано, например, что для получения теплового спектра ней­тронов в гомогенной уран-графитовой смеси на каждое ядро урана требуется 80 - 120 ядер углерода, тогда как в уран-водных гомо­генных смесях для этого надо всего 12 - 15 молекул воды. Прибли­зительно такие же соотношения распространяются и на гетероген­ные критические композиции.

В реакторе РБМК-1000 стройная структура квадратной решётки ТВС в активной зоне нарушается из-за необходимости размещения органов управ­ления реактора (подвижных и неподвижных стержней-поглотителей): часть ячеек активной зоны освобождается от ТВС, а их места в пустых техноло­гических каналах замещаются органами СУЗ. Ячейки, занятые органами СУЗ, в активной зоне реактора образуют свою квадратную решётку, повернутую относительно квадратной решётки ТВС на угол в 45^о (рис.4.4). Таким образом, получается, что действительно повторяющимся компонентом структу­ры активной зоны РБМК является не одна ячейка, а шестнадцать их, кото­рые образуют полиячейку активной зоны.

Таблица 4.1. Некоторые характеристики гетерогенных структур реакторов типа ВВЭР и РБМК.

Характеристики	Значения характеристик для реакторов
	ВВЭР-440	ВВЭР-1000	РБМК-1000
Тип твэлов 2 Наружный диаметр твэла, мм Толщина оболочки твэла, мм 4 Материал оболочки твэлов 5 Топливная композиция 6 Диаметр топливной таблетки, мм 7 Обогащение топлива, % 8 Тип решётки твэлов в ТВС 9 Шаг решётки твэлов в ТВС, мм 10. Число твэлов в одной ТВС, шт.	Цилиндрический 9.1 0.65 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 7.6 3.3 Треугольная 12.2 126	Цилиндрический 9.1 0.65 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 7.6 4.4 Треугольная 12.75 312	Цилиндрический 13.6 0.85 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 11.5 1.8 – 2.3 - - 18
Тип решётки ТВС в активной зоне Шаг решётки ТВС, мм Тип ТВС Форма кожуха Число ТВС в активной зоне	Треугольная 147 Кожуховая Шестигранная 349	Треугольная 236 Бескожуховая - 163	Квадратная 250 Бескожуховая - 1693

Итак, мы познакомились с основными характеристиками, определяющи­ми гетерогенную структуру активных зон тепловых реакторов отечествен­ных АЭС. Разумеется, сказанное не может претендовать на полноту описа­ния конструкции активных зон; с детальным изучением конструкции реак­торов ещё предстоит иметь дело по окончании изучения теории реакторов; сейчас же, наоборот, важно получить самые общие представления об уст­ройстве активных зон реакторов ради понимания теоретических построений, касающихся гетерогенности структур реакторов.