В с шаровыми твэлами используется одноразовое или многократное прохождение твэлов через активную зону, при этом в обоих случаях реализуется непрерывная перегрузка топлива. Шаровые твэлы в виде свободной засыпки загружаются сверху и движутся вниз. В нижней части активной зоны они через одно или несколько конических отверстий выгружаются из реактора. В этих реакторах замедлитель находится вместе с топливом в шаровых твэлах и выводится с ними в процессе непрерывной перегрузки.
При одноразовом прохождении шаровых твэлов в верхнем слое практически всегда находи гея свежее топливо. Топливо проходит активную зону за время, соответствующее камлании реактора, что составляет обычно несколько лет. По мере движения топлива вниз концентрация делящегося нуклида уменьшается, что определяет существенно неравномерный профиль энерговыделения по высоте активной зоны реактора: в верхней части энерговыделение во много раз выше, чем в нижней. Соответственно температура теплоносителя быстро возрастает в зоне высокого энерговыделения с последующим сравнительно небольшим и все уменьшающимся приращением. Указанное распределение энерговыделения и температуры является некоторым достоинством этой схемы движения, так как максимальная температура теплоносителя находится в зоне минимального энерговыделения.
При многократном прохождении шаровых твэлов через активную зону необходимо иметь измерительное устройство для определения глубины выгорания топлива. Шаровые твэлы, достигшие номинальной глубины выгорания, выводятся из цикла, а остальные вместе с добавкой свежих твэлов возвращаются в реактор. Это заметно выравнивает профиль энерговыделения по высоте реактора, причем более свежие шаровые твэлы можно засыпать по периферии, что позволяет выравнять энерговыделение и в радиальном направлении. При большой скорости движения и высокой кратности возврата шаровых твэлов в реактор профиль энерговыделения по высоте активной зоны практически близок к косинусоидальному. Соответственно изменяется и профиль распределения температуры теплоносителя по высоте реактора по сравнению со схемой одноразового прохождения шаровых твэлов через реактор. К недостаткам многократного прохождения шаровых твэлов через активную зону следует отнести трудности обеспечения надежной сортировки твэлов по глубине выгорания; кроме того, работа осложняется в связи с высокой радиоактивностью всего тракта возврата топлива.
В реакторах с шаровыми твэлами профиль энерговыделения в радиальном направлении может оказаться существенно неравномерным, если не предпринять соответствующих мер но его выравниванию. Это обусловлено тем, что шаровые твэлы на периферии движутся медленнее, чем в центральной части, что неблагоприятно сказывается на величине коэффициенте неравномерности энерговыделения. Для обеспечения более равномерного движения шаровых твэлов по всему сечению идут на устройство с несколькими каналами выгрузки со специальным профилированием их в нижнем графитовом поде.
При равномерном движении и одинаковом обогащении шаровых твэлов в радиальном направлении коэффициент неравномерности kг = 1,8. Как уже упоминалось, при многократном использовании шаровых твэлов для выравнивания энерговыделения в радиальном направлении свежее топливо следует вводить в периферийные слои. При одноразовом прохождении шаровых твэлов в центральную часть наряду со свежим топливом можно подавать «ложные» шары. Они могут состоять либо из одного графита, либо из графита с присадкой поглотителя тепловых нейтронов; возможны и другие комбинации, например с содержанием воспроизводящего материала. Использование тех или иных мер позволяет заметно выравнять энерговыделение по радиусу и иметь kг = 1,2 — 1,3.
Для проведения теплогидравлического расчета активной зоны с засыпкой шаровыми твэлами необходимо знать объемную пористость. При засыпке в большой объем шаровых твэлов одинаковых размеров в зависимости от геометрии укладки их пористость может колебаться от 0,26 до 0,68. При свободной засыпке они укладываются хаотично, в одних местах с большей пористостью, в других—с меньшей. Многочисленные эксперименты показываю т, что в этом случае пористость е соответствует более плотной упаковке. В расчетной практике ее принимают E = 0,39.