Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Условия работы твэлов реакторов на быстрых нейтронах и предъявляемые к ним требования

Из рассмотренных особенностей энергетических реакторов на быстрых нейтронах следует, что для полной реализации их экономических возможностей высокая плотность энерговыделения в активной зоне должна сочетаться с глубоким выгоранием топлива и высоким уровнем рабочих температур, который необходим для достижения современных параметров паросиловых установок. Именно это обстоятельство и определяет сложность проблемы разработки твэлов для реакторов на быстрых нейтронах. Как видно из таблиц ниже, параметры эксплуатации твэлов в активных зонах реакторов на быстрых нейтронах являются существенно более напряженными, чем реакторов на тепловых нейтронах.

Необходимо отметить еще ряд принципиальных отличий в условиях эксплуатации твэлов реакторов на быстрых нейтронах. Из-за низкого давления натриевого теплоносителя оболочки твэлов на протяжении всей кампании подвержены воздействию растягивающих напряжений, возникающих от постепенно растущего давления ГПД, которое может достигать 7 МПа и более.

Из-за высоких тепловых нагрузок в оболочках твэлов возникают и термические напряжения, которые могут достигать значений, превышающих 0,5-0,6 предела текучести. При расчетах напряженно-деформированного состояния твэла необходимо учитывать также и термомеханическое воздействие со стороны топливного сердечника при переходных режимах эксплуатации и напряжения, возникающие от распухания топливного сердечника. Из-за высокой интенсивности нейтронного поля и большого флюенса нейтронов в конструкционных материалах происходят глубокие структурные изменения, являющиеся причиной резкого ухудшения всех их основных механических характеристик: происходит снижение длительной прочности материалов, их охрупчивание, распухание. Все эти явления очень существенно сказываются на ресурсных характеристиках твэлов и ТВС. При этом их отрицательное воздействие усложняется еще и физико-химическим взаимодействием продуктов деления с оболочкой твэла.

Основные эксплуатационные параметры твэлов энергетических реакторов на быстрых нейтронах

Параметр

БН-600, Россия

БН-800, Россия

«Феникс», Франция

PFR, Великобритания

Максимальная тепловая нагрузка, снимаемая с твэла, Вт/см

475

475

450

480

Максимальная температура оболочки твэла, °С:

в «горячих» точках с учетом факторов перегрева

700

690

700

700

номинальное значение

657

650

650

650

Максимальное выгорание топлива, % тяжелых атомов

10,0

10,0

13,0

10,0

Максимальная плотность нейтронного потока (примерно), см-2с-1

1016

1016

1016

1016

Максимальная повреждающая доза, с.н.а.

75

90

100

75

Максимальная скорость натрия в активной зоне, м/с

8,0

8,0

7,5

7,0

Условия эксплуатации являются не единственным критерием, определяющим требования к конструкции твэла. При разработке твэлов приходится учитывать также и физические особенности активных зон реакторов на быстрых нейтронах, их теплотехнические и гидродинамические характеристики, безопасность и экономические показатели топливного цикла.

Эксплуатационные параметры твэлов реакторов БН-600  и БН-800

Параметр

БН-600

БН-800

ЗМО

ЗСО

ЗБО

ЗМО

ЗСО

ЗБО

Максимальная температура оболочки, °С:

начало кампании

695

695

695

690

687

687

конец кампании

660

655

640

663

664

647

Максимальная тепловая нагрузка, Вт/см:

начало кампании

424

443

471

451

451

473

конец кампании

357

379

400

396

411

406

Максимальное выгорание топлива, % тяжелых атомов

9,0

9,5

10,0

9,7

9,8

10,0

Максимальная повреждающая доза нейтронов, с.н.а.

75,0

72,0

69,0

90,0

85,5

78,0

Интервал между перегрузками топлива, эф. сут

165

165

165

110

110

110

Максимальное давление ГПД в конце кампании, МПа

2,9

3,0

3,6

4,75

4,8

4,9

Параметры указаны для режимов эксплуатации, реализуемые со второй половины 1990 г.

ЗМО — зона малого обогащения; ЗСО — зона среднего обогащения; ЗБО — зона большого обогащения.

Среди основных требований, которым должна отвечать конструкция твэла современного энергетического реактора на быстрых нейтронах, можно отметить следующие:

  1. Топливные и конструкционные материалы должны быть совместимы между собой и с натриевым теплоносителем в течение (12—15)*103 ч во всем диапазоне рабочих температур (300-700 °С) и в условиях нейтронного потока до 1016 см-2с-2. Под совместимостью в данном случае подразумевается или полное отсутствие химического и металлургического взаимодействия материалов, находящихся в контакте друг с другом, или, при наличии такого взаимодействия, оно не должно приводить к заметному снижению конструкционной прочности оболочки и ресурса работы твэла.
  2. Коррозия и эрозия материала оболочки в натрии реакторной чистоты допустимы в пределах, не приводящих к существенному уменьшению толщины стенки оболочки твэла и к заметному ухудшению свойств конструкционного материала.
  3. Топливный материал, используемый в твэлах, должен обеспечить энерговыработку не менее 120 МВт*сут/кг при высоких тепловых нагрузках (до 200 Вт/г) и в условиях высоких температур. При этом увеличение объема топлива за счет продуктов деления (твердых и газообразных) должно быть минимальным и ограничено пределами, позволяющими конструкционно устранить (полностью или частично) механическое воздействие сердечника на оболочку без существенного снижения экономических характеристик реактора. Топливный материал не должен также иметь фазовых превращений с большими объемными изменениями в интервале рабочих температур.
  4. Конструкция твэла должна быть достаточно емкой по топливному материалу, с тем, чтобы разместить во внутритвэльном объеме как можно больше сырьевого материала (238U или 232Th) для получения максимального КВ и минимального изменения реактивности по кампании.
  5. Для обеспечения высоких плотностей энерговыделения в активной зоне конструкция твэла при достаточной емкости по топливу должна иметь хорошо развитую поверхность теплосъема, т.е. требуется нахождение оптимального соотношения между поверхностью теплосъема и объемом топлива.
  6. Содержание кислорода, углерода и других подобных замедлителей в используемых материалах должно быть минимальным, чтобы существенно не смягчать спектр нейтронов в реакторе.
  7. Конструкционный материал, используемый для оболочек, должен обладать достаточной жаропрочностью, иметь высокую пластичность, быть устойчивым к распуханию, охрупчиванию и снижению прочностных характеристик в нейтронном поле, и в то же время он должен минимально поглощать нейтроны.
  8. Перераспределение топливной массы в объеме твэла в процессе его эксплуатации не должно заметно влиять на реактивность и приводить к недопустимому уровню (выше проектного) энерговыделения в отдельных участках по длине твэла.
  9. При эксплуатации твэла топливный материал должен иметь достаточную структурную стабильность
  10. Изменение геометрических размеров твэла в процессе его работы при сохранении целостности оболочки допустимо лишь в пределах, не приводящих к существенному изменению гидравлических характеристик ТВС.
  11. Конструкция твэлов должна обеспечить их надежное дистанционирование в ТВС на протяжении всей кампании.
  12. Конструкция твэла должна быть простой в технологическом отношении. Конструкторские решения, эакладываемые в проекты, должны обеспечивать надежное и недорогое изготовление и регенерацию твэлов и ТВС.

Нужна качественная светотехника и электрооборудование в Белгороде? Купите всё в одном месте — интернет магазине 3А Энергия — www.3a.org.ru.

Читайте также:

Updated: 25.08.2015 — 12:43
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.
Adblock detector