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

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

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.