Конструкции реакторов, тепловыделяющие сборки и схемы охлаждения активной зоны

Корпусные реакторы.

Важнейшим элементом конструкции реакторов данного типа является массивный цилиндрический корпус достаточно большого диаметра. Внутри него расположены собственно активная зона с топливными сборками, а также ряд опорных и других внутрикорпусных устройств, обеспечивающих нормальное функционирование реакторной установки. Цилиндрическая обечайка корпуса, эллиптические (или полусферические) днище и крышка изготавливаются из высокопрочной радиационно-стойкой стали и имеют значительную толщину стенок. Состав и конструкции активных зон корпусных ВВЭР СКД могут быть сформированы в двух вариантах: один из них для работы реактора на тепловых нейтронах, другой — на быстрых или быстро резонансных нейтронах. Система каналов охлаждения активных зон таких реакторов может иметь несколько (от одного до трех) заходов для основного потока теплоносителя.

На рис. 2.7 схематически изображена типичная конструкция прямоточного корпусного реактора SCWR на тепловых нейтронах с однозаходной схемой движения теплоносителя [6].

Рис. 2.7. Проект корпусного реактора SCWR мощностью 1600 МВт (эл.) с тепловым спектром нейтронов и однозаходной схемой движения теплоносителя [6] (<�а — продольный разрез корпуса реактора, б — поперечное сечение): 1 — активная зона; 2 — водяные элементы; 3 — верхняя опорная плита активной зоны; 4 — холодный патрубок; 5 — верхняя опорная направляющая плита; 6 — направляющие трубы регулирующих стержней; 7 — опорное кольцо корзины активной зоны; 8 — трубы каландра; 9- горячий патрубок; 10- паропровод; 11- верхняя граница активной части топлива; 12 — нижняя граница активной части топлива; 13 — нижняя плита активной зоны; 14 — корзина активной зоны; 15 — топливные сборки; 16 — обечайка корпуса реактора; 17 — опускной канал Питательная вода при давлении 25 МПа и температуре 280 °C поступает в два входных патрубка 4 реактора и затем разделяется на два потока. Небольшая часть общего расхода холодной воды (около 10%) опускается по кольцевому зазору 17 между обечайкой корпуса реактора 16 и корзиной активной зоны 14, поддерживая тем самым стенки корпуса при температуре, близкой к 280 °C. Основная часть потока (90% общего расхода воды) поднимается в верхнюю камеру реактора и из нее направляется вниз по трубам каландра 8 в водяные элементы 2. Вследствие незначительного нагрева в этих элементах вода остается плотной и поэтому может использоваться как эффективный замедлитель нейтронов. В нижней камере реактора потоки воды из кольцевого зазора и водяных элементов смешиваются и затем поступают в активную зону 1. Поднимаясь вверх по каналам сборок 15 с тепловыделяющими элементами, потоки воды нагреваются до 500 °C и на выходе из ТВС собираются в промежуточной смесительной камере. Из нее рабочая среда в виде перегретого пара сверхкритических параметров через два выходных патрубка 9 направляется в паропроводы 10.

Каждая топливная сборка реактора (рис. 2.8) представляет собой кассету с квадратным кожухом, внутри которого расположены цилиндрические тепловыделяющие элементы 1 из низкообогащенного диоксида урана и водяные «стержни» 2 квадратного поперечного сечения. В центре кассеты имеется специальный канал 3 для помещения в нем измерительных приборов. Для регулирования цепной реакции деления используются стержни 4 из поглощающих материалов.

Рис. 2.8. Топливная сборка с водяными элементами реактора SCWR: I — топливный стержень; 2 — водяной элемент; 3 — измерительный канал; 4 — регулирующий стержень Основные технические характеристики корпуса и активной зоны рассмотренного типа реактора приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2.

Основные технические характеристики корпуса и активной зоны SCWR [6].

В проекте корпусного реактора HPLWR [10, 11, 24], также с водяными элементами и тепловым спектром нейтронов, предусматривается трехходовая схема движения потока теплоносителя в активной зоне.

Активная зона реактора состоит из 156 топливных кластеров, каждый из которых объединяет 9 сборок с цилиндрическими тепловыделяющими элементами и квадратными каналами для замедляющей нейтроны воды. Внешний вид топливного кластера показан на рис. 2.9 [п], а его поперечное сечение с органами регулирования цепной ядерной реакции на рис. 2.10 [24].

Рис. 2.9. Топливный кластер реактора HPLWR с 9-ю сборками твэлов и водяных элементов: 1 — дистанционирующие устройства; 2 — нижний концевик с диффузором и поршневыми кольцами; 3 — нижняя пластина; 4 — опорная пластина; 5 — верхняя головка с диффузором, стопорным и уплотняющим кольцами; 6 — окно; 7 — уплотняющее кольцо; 8- втулка; 9- пружина; 10- регулирующий стержень; 11- входная камера для замедлителя; 12 — вход/выход теплоносителя; 13 — выходная камера для замедлителя; 14 — вход/выход теплоносителя.

Рис. 2.10. Поперечное сечение топливного кластера реактора HPLWR с органами регулирования цепной ядерной реакции: 1 — канал замедлителя; 2 — регулирующие стержни; 3 — амортизатор; 4 — кожух топливной сборки; 5 — водяной зазор; 6 — тепловыделяющий элемент Активная зона по ходу теплоносителя разделена на три одинаковых по количеству топливных кластеров участка: «испаритель», «пароперегреватель 1» и «пароперегреватель 2» (рис. 2.11). Прежде чем попасть в активную зону, питательная вода, поступающая в корпус реактора через 4 входных патрубка 9 (рис. 2.12) и имеющая температуру 280 ^ЭС, разделяется на два потока. Одна часть расхода воды (приблизительно 50%) направляется в нижнюю камеру реактора 1. Двигаясь по опускному кольцевому каналу 11 между обечайкой корпуса 12 и корзиной активной зоны 3, этот поток воды поддерживает стенки корпуса при температуре, близкой к 280 °C. Остальная часть расхода холодной воды поступает в верхнюю камеру реактора 6 и первоначально играет роль замедлителя нейтронов. Вода-замедлитель из верхней камеры проходит вниз по квадратным каналам в топливных сборках, затем вверх по зазорам между сборками и далее опять вниз по каналам отражателя нейтронов. После этого она также попадает в нижнюю смесительную камеру 1. В результате смешения потоков в этой камере вода, поступающая в тепловыделяющие сборки центральной части активной зоны («испаритель»), имеет температуру 310 °C. Дальнейшее движение теплоносителя и его нагрев в активной зоне происходит согласно схеме, представленной на рис. 2.13.

Рис. 2.11. Поперечное сечение активной зоны реактора HPLWR.

Рис. 2.12. Продольный разрез реактора HPLWR: 1 — нижняя камера реактора; 2 — смесительная камера; 3 — корзина активной зоны; 4 — активная зона; 5 — паровая камера; 6 — верхняя камера реактора; 7 — регулирующие стержни; 8 — крышка реактора; 9 — питательная вода; 10- пар к турбине; 11 — опускной канал; 72- обечайка корпуса; 13 — днище.

Рис. 2.13. Трехходовая схема движения теплоносителя в активной зоне

Основные геометрические характеристики реактора HPLWR и его активной зоны приведены в табл. 2.3.

Примечания: «предполагается увеличить до 1,18; ⁴⁴ с учетом изоляции из оксида алюминия или циркония предполагается увеличить до 2,5 мм [10].

В качестве одного из примеров корпусных реакторных установок с водой СКД и быстрым (или быстро резонансным) спектром нейтронов рассмотрим результаты расчетных исследований и конструкторских проработок, представленные в работах [16,25,26]. На рис. 2.14 схематически изображена возможная конструкция такой установки с двухходовой схемой охлаждения ТВС. Активная зона 8 разделена по радиусу на центральную 10 и периферийную 11 зоны с примерно одинаковым числом ТВС. В ТВС периферийной зоны теплоноситель движется сверху вниз. Выходящие из этих ТВС потоки смешиваются в нижней камере с поступающими в нее потоками питательной воды, охлаждающими весь корпус реактора. Далее объединенный поток теплоносителя входит в тепловыделяющие сборки центральной зоны, двигаясь в них снизу вверх, нагревается, а затем из верхнего теплоизолированного парового бокса, уже как рабочее тело, направляется через выходные патрубки 6 реактора в турбину для совершения работы в паросиловом цикле.

Рис. 2.14. Двухходовая схема охлаждения ТВС ядерного реактора СКД с быстро резонансным спектром нейтронов: 1 — стержни СУЗ; 2 — крышка реактора; 3 — внутренняя крышка; 4 — корпус; 5 — теплоизоляция; 6 — выходной патрубок; 7 — входной патрубок; 8 — активная зона; 9 — шахта; 10 — ТВС опускного участка; 11- ТВС подъемного участка; 12 — разделительная обечайка Основные технические характеристики реактора приведены в табл. 2.4.

При выбранных в проекте параметрах теплоносителя в быстро резонансном реакторе из-за сильного уменьшения плотности воды в окрестности псевдокритической температуры (385 °С) спектр нейтронов изменяется от теплового спектра до быстрого. С учетом этого предлагается разбить подогрев теплоносителя в активной зоне на два интервала: 280 — 395 °C на опускном участке и 395 — 530 °C на подъемном. В результате спектр нейтронов не будет значительно изменяться по высоте активной зоны, а будет изменяться по ее радиусу. В этом случае не потребуется применять сложную схему профилирования обогащения топлива для выравнивания энерговыделения по объему активной зоны, в течение всего топливного цикла обеспечивается отрицательное значение пустотного коэффициента реактивности без введения бланкета или твердого замедлителя.

Деление активной зоны на два участка по ходу теплоносителя имеет определенные преимущества при сравнении двухходовой схемы с одноходовой. В случае двухходовой схемы площадь проходного сечения для теплоносителя может быть уменьшена в два раза, что при постоянном расходе воды приводит к увеличению ее скорости также в два раза, а, следовательно, и к существенному.

росту (в 1,7 раза) коэффициента теплоотдачи и понижению температуры оболочек тепловыделяющих элементов. В установках СКД расход воды примерно в 10 раз ниже, чем в обычных ВВЭР, поэтому несмотря на увеличение скорости затраты мощности на прокачку теплоносителя по-прежнему будут сравнительно малы. Применяя двухходовую схему, можно сместить область потока с температурой теплоносителя вблизи псевдокритического значения в нижнюю часть активной зоны с относительно низкими тепловыми нагрузками. В результате снижается риск значительного увеличения температуры оболочек твэлов из-за возможного ухудшения теплоотдачи.

Активная зона реактора содержит 241 топливную сборку шестигранной формы (рис. 2.15) с размером «под ключ» 205 мм. Внутри кожуха 2 сборки толщиной 2,25 мм находятся 252 стержневых твэла 4 диаметром 10,7 мм, расположенные в тесной треугольной решетке с шагом 12 мм. Твэлы покрыты оболочкой толщиной 0,55 мм. Топливная композиция представляет собой смесь оксидов урана и плутония. Кроме твэлов в сборке размещены центральная трубка 3 диаметром 10,7×1 мм и 18 направляющих каналов под пэл 6 диаметром 10,7×0,55 мм. Конструкционным материалом для всех элементов является сталь ЭП-172.