Материал: Лескин С.Т., Шелегов А.С., Слободчук В.И. Физические особенности и конструкция реактора ВВЭР-1000

Рис. 2.20. Общий вид ПС СУЗ

Головка представляет собой центральную втулку, от которой отходят консольные ребра с отверстиями для установки пэлов. Внутри втулки имеются два выступа для зацепления со штангой привода СУЗ и паз для фиксатора, препятствующего самопроизвольному развороту головки относительно штанги привода.

Пэлы, закрепленные в головке с помощью гаек и сварки, состоят из герметичной оболочки диаметром 8,2×0,6 мм из стали 06Х18Н10Т, заполненной виброуплотненным поглощающим материалом зафиксированным от перемещений пробками. Общий вид

76

пэла, содержащего поглощающий материал из карбида бора (В4С), представлен на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Конструкция ПС СУЗ

Герметизация оболочки произведена посредством сварки с конусом и наконечником. Конусом пэл входит в канал кассеты, а наконечником присоединяется к головке ПС СУЗ. Шайба служит опорой для пружины ПС СУЗ.

Пружины предназначены для демпфирования пэла во время удара ПС СУЗ об элементы головки кассеты при срабатывании аварийной защиты, а также при перемещениях ПС СУЗ в процессе регулирования мощности реактора.

На блоках ВВЭР имелись случаи превышения проектного времени падения ПС СУЗ (более 4 с). Для повышения надежности срабатывания аварийной защиты (АЗ) на блоках были внедрены утяжеленные ПС СУЗ с пэлом, проведена доработка штанг приводов СУЗ в части увеличения массы и улучшения гидродинамики.

Центральная труба используется в качестве канала для размещения в активной зоне реактора датчиков замера энерговыделения. Конструкция центральной трубы имеет вид, представленный на рис. 2.22.

Центральная труба состоит из наконечника и собственно трубы, соединенных между собой с помощью вальцовки.

Наконечник, предназначенный для крепления центральной трубы к нижней решетке, имеет калиброванные отверстия для протока теплоносителя.

77

Рис. 2.22. Труба центральная:

1 – труба; 2 – наконечник

Труба имеет пазы для фиксации положения дистанционирующих решеток.

Твэл предназначен для генерирования тепловой, энергии и передачи ее теплоносителю. Общий вид твэла, применяемого в кассете, показан на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Тепловыделяющий элемент реактора ВВЭР-1000:

1 – заглушка верхняя; 2 – оболочка; 3 – фиксатор; 4 – топливная таблетка; 5 – заглушка нижняя

Твэл представляет собой оболочку, герметизированную с обоих концов с помощью заглушек и сварки. Внутренний объем оболочки заполнен топливными таблетками из двуокиси урана и гелием под давлением. Столб топливных таблеток зафиксирован от перемещений двумя фиксаторами, представляющими собой цилиндрические пружинные втулки. Над столбом топливных таблеток имеется свободный объем, используемый в качестве газосборника для газообразных продуктов деления, выделяющихся в процессе эксплуатации.

Работу твэлов характеризуют весьма высокие тепловые нагрузки (примерно 450 Вт/см) и значительные температурные перепады

78

по поперечному сечению топлива, которые могут составлять несколько сотен градусов.

Топливные таблетки имеют центральное осевое отверстие для снижения средней объемной температуры топлива и увеличения объема газосборника.

Несмотря на то, что при делении урана образуется много радиоактивных продуктов, диоксид урана при нормальных рабочих температурах удерживает более 98 % этих продуктов. Около 1–2 % продуктов, в основном газообразные и летучие – криптон (Kr), ксенон (Xe), иод (I), диффундируют в газовый объем между топливной композицией и оболочкой, при этом герметичная оболочка препятствует их выходу в теплоноситель.

Поведение топлива как «барьера», удерживающего продукты деления, зависит от температуры и степени выгорания. При температурах ниже 1000 °С диоксид урана удерживает всё, даже газовые продукты деления. С ростом температуры и выгорания картина существенно меняется. Продукты деления становятся более подвижными.

При температуре выше 1600 °С большая доза газов выходит из топлива под оболочку, заметно возрастает также выход иода и других летучих нуклидов. Чтобы топливо выполняло свои «барьерные» функции, важно, чтобы взаимодействие топлива с теплоносителем было минимальным. Один из важнейших критериев, характеризующих условия работы топливной композиции, – достижение температуры плавления. Этот параметр особенно важен при быстром повышении мощности, когда температура оболочки повышается незначительно. Плавление топлива должно рассматриваться как потеря барьерных функций не только топливом, но и твэлом в целом.

Оболочка обеспечивает передачу тепла от топливных таблеток к теплоносителю и сохранность формы твэла в процессе эксплуатации, а также исключает контакт топливных таблеток и продуктов деления с окружающей средой.

Наличие гелия под оболочкой способствует сохранению формы твэла при эксплуатации и обеспечивает надежную передачу тепла от топливных таблеток к оболочке. Основное требование к оболочке состоит в обеспечении прочности и герметичности во всем спектре нормальных и аварийных воздействий в течение многолет-

79

него «жизненного цикла» и радиационную стойкость при длительном облучении. Герметичность оболочек должна сохраняться в течение всего срока работы твэла и последующего хранения отработавшего топлива. В процессе «жизненного цикла» оболочка твэла подвергается воздействию совокупности факторов, создающих сложные условия работы оболочки. Это коррозионное и силовое воздействие как со стороны теплоносителя, так и со стороны топлива, термоциклирование при изменениях режимов работы (пуск, останов, маневрирование), радиационное охрупчивание при облучении потоком быстрых нейтронов, наконец, перегревы в аварийных ситуациях. При «распухании» топлива, а также под воздействием выходящих под оболочку газовых и летучих продуктов деления увеличиваются нагрузки, действующие изнутри на оболочку твэлов.

Для материалов оболочек первостепенное значение имеют радиационное упрочнение, охрупчивание, распухание, радиационная ползучесть, коррозионная стойкость. При медленном увеличении мощности или уменьшении расхода теплоносителя через реактор основным параметром, характеризующим целостность твэла, будет температура оболочки. Разрушение оболочки начинается, когда напряжения превышают предел прочности, определяемый в зависимости от температуры. При определении максимально допустимых значений параметров, характеризующих состояние активной зоны, в первую очередь должны рассматриваться оболочки твэлов, от состояния которых во многом зависит развитие аварийного процесса. Предельно допустимые значения параметров устанавливаются на основе экспериментальных данных по поведению оболочки и твэлов в целом в стационарных и переходных режимах.

Допустимые пределы повреждения твэлов при нормальной эксплуатации для ВВЭР следующие:

•число твэлов с микродефектами не должно превышать 1 %;

•число твэлов с прямым контактом топлива и теплоносителя не должно превышать 0,1 % их общего количества в активной зоне.

В сложных аварийных условиях допускается превышение проектного предела повреждения твэлов для нормальной эксплуатации. Максимальный проектный предел повреждения твэлов для

80