Требования к конструкции активной зоны Активная зона реактора является самым важным элементом ядерного реактора. Она предназначена для генерации тепла и передачи его с поверхности тепловыделяющих элементов (твэлов) теплоносителю. Именно здесь выделяется энергия за счет деления ядер топлива. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Поглощающий стержень; Радиационная защита; Корпус; Замедлитель; Ядерное топливо; Теплоноситель.
Согласно нормативно-технической документации к активной зоне предъявляются следующие требования: 1) активная зона должна быть спроектирована таким образом, чтобы при нормальной эксплуатации и проектных авариях обеспечивались: а) механическая устойчивость; б) отсутствие деформаций; следствие: нарушение нормального функционирования средств воздействия на реактивность и аварийного останова реактора или препятствие охлаждению твэлов. 2) активная зона должна быть спроектирована так, чтобы любые изменения реактивности с помощью органов регулирования и эффектов реактивности в эксплуатационных состояниях при проектных авариях не вызывали неуправляемого роста энерговыделения. следствие: повреждение твэлов сверх установленных проектных пределов.
3) характеристики ядерного топлива, конструкция реактора и другого оборудования первого контура с учетом работы других систем не должны допускать при тяжелых запроектных авариях, в том числе с расплавлением топлива, образования вторичных критических масс. пояснение: практически безопасность ядерной энергетической установки обеспечивается, с одной стороны, устойчивостью реактора (уменьшением коэффициента размножения с ростом температуры и мощности активной зоны), а с другой – надежностью системы автоматического регулирования и защиты. 4) при конструировании активной зоны должна быть предусмотрена возможность введения поглотителя нейтронов для прекращения цепной реакции в любых случаях, связанных с нарушением охлаждения активной зоны. 5) средства компенсации реактивности должны размещаться в активной зоне таким образом, чтобы исключить возможность возникновения «локальных критических масс» . 6) активная зона должна быть спроектирована так, чтобы исключать возможность непредусмотренного перемещения ее составляющих, приводящего к увеличению реактивности.
7) конструкция а. з. должна обеспечивать проектную геометрию размещения твэлов и необходимое с точки зрения температурных условий распределение теплоносителя (надежный теплоотвод и недопущение кризиса теплообмена). 8) а. з. должна быть оснащена датчиками внутриреакторного контроля, которые дают информацию о распределении мощности, нейтронного потока, температурных условиях твэлов и расходе теплоносителя. 9) Стойкость СУЗ в пpеделах пpоектного pесуpса от воздействия нейтpонного потока, темпеpатуpы, пеpепада и изменения давления, износа и удаpов, связанных с пеpемещениями
Твэл – основная конструктивная деталь гетерогенной активной зоны, которая в значительной мере определяет ее надежность, размеры и стоимость. В современных энергетических реакторах, как правило, используются стерженьковые твэлы с топливом, заключенным в оболочку из стали (быстрые реакторы) или циркониевого сплава (тепловые реакторы). Твэлы для удобства собираются в тепловыделяющие сборки (ТВС), которые устанавливаются в активной зоне реактора. Более 90% всей энергии, освобождающейся при делении ядер, выделяется внутри твэлов и отводится обтекающим твэлы теплоносителем.
Условия работы твэлов: 1. Тяжелые тепловые режимы; максимальная плотность теплового потока от твэла к теплоносителю достигает (1÷ 2) 106 Вт/м 2, в то время как в современных паровых котлах – (2÷ 3) 105 Вт/м 2. 2. Высокая энергонапряженность ядерного топлива; Удельное тепловыделение в активной зоне достигает 108 ÷ 109 Вт/м 3, в современных паровых котлах -около 107 Вт/м 3. Высокая рабочая температура оболочки; достигает 300÷ 6000 С на поверхности. 4. Возможность тепловых ударов; 5. Вибрация; 6. Наличие потока нейтронов; 7. Большое внутреннее давление на оболочку из-за распухания топлива.
Требования предъявляемые к твэлам: 1)механическая устойчивость и прочность в потоке теплоносителя, обеспечивающая сохранение размеров и герметичности; 2)малое поглощение нейтронов конструкционным материалом твэла и минимум конструкционного материала в активной зоне; 3)отсутствие взаимодействия ядерного топлива и продуктов деления с оболочкой твэла, теплоносителем и замедлителем при рабочих температурах. 4)геометрическая форма твэла должна обеспечивать требуемое соотношение площади поверхности и объема и максимальную интенсивность отвода теплоносителем от всей поверхности твэла. 5)обеспечение большой глубины выгорания топлива; 6)высокая степень удержания продуктов деления; 7)радиационная стойкость; 8)простота и низкая стоимость конструкции; 9)возможность быстрого проведения перегрузочных операций; 10)простота и экономичность регенерации ядерного топлива.
В целях безопасности надежная герметичность оболочек твэлов должна сохраняться в течение всего срока работы в активной зоне (3÷ 5 лет) и последующего хранения (выдержки) отработавших твэлов до отправки на переработку (1÷ 3 года). Оперативный контроль за герметичностью оболочек твэлов осуществляется по общей удельной радиоактивности теплоносителя. Радионуклиды: J-131, J-132, J-133, Cs-138 и т. д. При герметичных оболочках твэлов: 1. 1*10+6 – 3. 7*10+6 Бк/дм 3 общая удельная активность теплоносителя (для ВВЭР-1000). Различают два вида нарушения герметичности оболочек отдельных твэлов: 1) газовая неплотность (гн) - образование микротрещин, через которые газообразные продукты деления выходят из твэла в теплоноситель; 2) прямой контакт (пк) топлива с теплоносителем.
При проектировании активной зоны необходимо заранее установить и обосновать допустимые пределы повреждения твэлов: 1) Эксплуатационный предел (нормальная эксплуатация): ВВЭР и РБМК: гн 0. 2% (от общего количества твэлов); пк 0. 02% (3. 7*10+7 Бк/дм 3). БН: гн 0. 05% , пк 0. 005%. АСТ(АС теплоснабжения): устанавливается техническим проектом. 2) Предел безопасной эксплуатации (превышение может привести к последствиям): ВВЭР и РБМК: гн 1%, пк 0. 1% (1. 85*10+8 Бк/дм 3) БН: гн 0. 1%, пк 0. 01% , Ттвэл < 800 C АСТ: гн 0. 1%, пк 0. 01% примечание: при нарушении ВХР в 1 -ом контуре возможно увеличение радиоактивности в десятки раз (3. 7*10+7 Бк/дм 3). Происходит растворение отложений со стенок труб 1 ого контура.
3) Максимальный (аварийный) проектный предел повреждения твэлов соответствует непревышению следующих предельных параметров: ВВЭР, РБМК и АСТ: - температура оболочек твэлов - не более 1200 о. С; - локальная глубина окисления оболочек твэлов – не более 18% первоначальной толщины стенки; - доля прореагировавшего циркония – не более 1% его массы в оболочках твэлов. БН: - разрушение всех твэлов семи ТВС в локальном объеме активной зоны с непревышением пределов безопасности эксплуатации по повреждению твэлов во всем остальном объеме активной зоны.
Скачать презентацию Требования к конструкции активной зоны Активная зона реактора
6 Требования к конструкции активной зоны.pptx