Материал: Нейтронно-физический расчет реактора на тепловых нейтронах

Для ядерных реакторов с газовым и жидкометаллическим теплоносителем могут быть использованы карбид урана UC2 и монокарбид урана UC. Особенно перспективным является монокарбид урана, имеющий высокую температуру плавления, большую плотность атомов делящегося вещества, хорошую стабильность и достаточно высокую теплопроводность по сравнению с UC2.

Недостатком монокарбида урана является высокая хрупкость и меньшая химическая устойчивотсть особенно при повышенных температурах. Перспективным ядерным топливом для высокотемператуных реакторов является мононитрид урана, который по своим ядерно-физическим свойствам превосходит UО2 и UC[2].

Нитрид урана и другие нитридные соединения обладают большей, чем диоксид урана, теплопроводностью, и это существенно благоприятнее повлияет на работу твэлов и всю активную зону реактора. А значит, позволит увеличить мощность и КПД реактора без серьезных конструктивных изменений.

.5 Материалы оболочек ТВЭЛов

Так как оболочки ТВЭЛов работают в наиболее трудных условиях при одновременном длительном воздействии высоких температур и полей облучения, тепловых потоков, давления, коррозионного действия теплоносителя, топлива и продуктов деления, к ним предъявляют жесткие требования:

малое сечение поглощения нейтронов;

механическая прочность и неизменность формы под действием температурного и радиационного воздействия;

высокая теплопроводность;

коррозионная и эрозионная стойкость в теплоносителе и совместимость с ядерным топливом.

Толщину оболочки выбирают, исходя из условий обеспечения достаточной прочности. Она составляет от 0,2 до 0,4 мм для стальных и от 0,4 до 0,8 мм для циркониевых и алюминиевых оболочек.

Цирконий имеет малое сечение поглощения тепловых нейтронов, высокую температуру плавления, малую плотность, невысокий коэффициент расширения и хорошие пластические свойства. К недостаткам следует отнести трудность его получения в чистом виде, малую коррозионную стойкость в воде при температурах от 300 до 400оС.

Широкое распространение получил циркалой-2. Данный сплав содержит олово, железо, хром и никель. Циркалой-2 коррозионностоек в воде при температурах от 320 до 360оС.

В отечественном реакторостроении используется сплав циркония с 1% ниобия, сплав циркония с 2,5% ниобия, сплав циркония с 0,5% вольфрама.

Нержавеющие стали обладают высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью, хорошими технологическими свойствами. Наибольшее распространение получили хромоникелевые нержавеющие стали ОХ18Н9Т и 1Х18Н9Т. Нержавеющая сталь надежно и длительно работает в воде при температурах до 400оС.

Стали показали хорошую совместимость с различными видами ядерного топлива [2].

.6 Топливные кассеты и сборки

Для загрузки в реакторы в большинстве случаев ТВЭЛы объединяют в ТВС. Объединение ТВЭЛов в ТВС значительно упрощает и удешевляет загрузку и выгрузку топлива в реакторах.

К функциям ТВС относятся закрепление и дистанцированиеТВЭЛов. При конструировании ТВС необходимо обеспечить надежное крепление ТВЭЛов, сохранение требуемых зазоров между ними и в то же время возможность расширения при нагреве в любых заданных режимах работы реактора.

Кассета РБМК, изображенная на рисунке 3, состоит из двух ТВС, в каждой из которых размещено 18 стержневых ТВЭЛов, расположенных по двум окружностям вокруг центрального стержня.

Рисунок 3 - ТВС реактора РБМК: 1 - подвеска, 2 - штифт, 3 - переходник, 4 - хвостовик, 5 - ТВЭЛ, 6 - несущий стержень, 7 - втулка, 8 - наконечник, 9 - гайки

ТВЭЛы набраны из таблеток двуокиси урана в оболочке из сплава циркония с ниобием с отверстиями для прохода наконечников ТВЭЛов и для прохода теплоносителя. Второй конец ТВЭЛов имеет возможность свободно расширяться при нагреве и необратимом росте при облучении в реакторе. ТВЭЛы крепятся с помощью втулок, обжимаемых на фигурном наконечнике ТВЭЛа.

. НЕЙТРОННО ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ КРИТИЧЕСКОГО СТАЦИОНАРНОГО РЕАКТОРА

.1 Предварительный расчет

Схема расчёта реактора на тепловых нейтронах начинается с предварительной оценки размеров активной зоны, которые обеспечили бы нужный теплосъём при заданной мощности аппарата.

Перед расчётом реактора необходимо выбрать рабочие параметры:

. Шаг решетки - a = 25 см.

. Внешний радиус ТВЭЛ - RТВЭЛ = 0,68 см.

. Толщина оболочки - dоб = 0,09 см.

. Радиус ТК - RТК = 4,4 см.

. Количество ТВЭЛ - n = 18.

. Размер ячейки под ключ - 28 см.

. Материал оболочки Zr +Nb2%

Исходя из требуемой мощности реактора, размеры активной зоны можно оценить следующим образом:

где- заданная мощность реактора, кВт. По заданию составляет 2200 МВт;

 - средняя объемная нагрузка заданного типа реактора, кВт/л. Для уран-графитового реактора с водяным теплоносителем выбрана равной 4 кВт/л;

 - коэффициент, учитывающий увеличение объема реактора вследствие размещения регулирующих стержней. Принят равным 1,2.

Подставляя численные значения, получим:

.

Диаметр активной зоны можно оценить по следующей формуле:

где- отношение высоты к диаметру, выбранное равным 0,9.    

Высота активной зоны при этом составит:

В данном случае, получаем следующие значения размеров:

,

.

Оценим максимальную удельную объемную нагрузку активной зоны по формуле:

где

 - объемный коэффициент неравномерности тепловыделения, принятый равным 2.

То есть получаем:

.

Максимально допустимая тепловая нагрузка может быть оценена по следующей формуле:

где

 - площадь сечения ячейки;

- размер ячейки «под ключ».

 - периметр тепловыделяющей поверхности одного ТВЭЛа

где  - радиус ТВЭЛ.- число ТВЭЛов в кассете.

Поставляя численные значения, получим:

.

Необходимая для отвода тепла скорость теплоносителя в максимально напряженном ТВЭЛе определится при этом следующим образом:

где

 - осевой коэффициент неравномерности, выбранный равным 1,5;

 - удельный вес теплоносителя (воды) при рабочих параметрах и давлении, составляет 0,87 г/см3;- площадь сечения прохода теплоносителя, приходящаяся на один элемент;

 - разность теплосодержания теплоносителя на выходе, определяемая выражением:

где

 - теплоемкость воды (в заданных условиях средней температуры 280˚С и давления 7,5 МПа), равная1,37 ккал/(кг˚С);

 - температура теплоносителя на выходе из активной зоны, равная по заданию 290˚С;

 - температура теплоносителя на входе в активную зону, равная по заданию 255˚С.

Подставляя заданные значения температур и теплоемкости, получим:

,

тогда,

.

Полученное значение скорости прокачки теплоносителя не превосходит предельного допустимого значения в 10 м/с.

.2 Ядерно-физические характеристики «холодного» реактора

Поскольку ячейка реактора состоит из нескольких зон с различными ядерными свойствами, необходимо рассчитать нейтронно-физические характеристики (сечения взаимодействия, замедляющие свойства) для каждой зоны (горючее - UN, оболочка - Zr+2% Nb, теплоноситель/замедлитель - H2O).

Вычисление ядерных концентраций производят для каждого элемента активной зоны и отражателя.

Ядерная концентрация i-го элемента находится по формуле:

 - весовая концентрация i-го элемента, г/см3;- атомный вес i-го элемента.

Расчет концентрации топлива

,

 - молярная масса молекулы UN.

12.9 г/см3 (по заданию).

,

Расчет концентрации отдельных элементов, входящих в состав топлива, осуществляется следующим образом:

-величина обогащения изотопом U235 (по заданию С5 = 2.3 %);

Расчет концентрации оболочки

Состав оболочки ТВЭл следующий: цирконий 98 %, ниобий 2 %. Соответственно произведен расчет концентрации каждой компоненты, входящей в состав сплава:

 = 6,4 г/см3- плотность оболочки (по заданию).

Расчет концентрации теплоносителяи замедлителя

Теплоносителемв данном ядерном реакторе служит вода. Замедлителем - графит.

.3 Расчет микро- и макросечений для «холодного» реактора

Необходимость обработки сечений связана с тем, чтоих значения, приведенные в справочниках, относятся к энергии нейтронов E = 0,0253 эВ соответствующей при распределении нейтронов по спектру Максвелла наиболее вероятной скорости v= 2200 м/с.

При физико-нейтронных расчетах все поперечные сечения должны быть отнесены к средней скорости нейтронов. Следует отметить, что Максвелловский спектр тепловых нейтронов постепенно переходит в спектр замедляющихся нейтронов при температуре 293 К при энергии примерно равной E = 0,2 эВ, которая называется "энергией сшивки".

В реальных средах распределение тепловых нейтронов не совпадает в точности с распределением Максвелла, поскольку имеет место поглощение тепловых нейтронов (спектр сдвинут в область больших энергий).

Для удобства расчетов в теории реакторов принято, что тепловые нейтроны распределены по спектру Максвелла, но имеют более высокую эффективную температуру (температура нейтронного газа - ТНГ), которая превышает температуру замедлителя. Поперечные сечения поглощения и деления, отнесенные к средней скорости тепловых нейтронов, определяются по формуле:

,

,

где  - табличные значения сечений;, ff - поправочный коэффициент f , учитывающий отклонение сечения поглощения и деления от закона 1/v2.

Микроскопические сечения рассеяния практически не зависят от энергии тепловых нейтронов, поэтому непосредственно можно воспользоваться для них табличными данными. Макроскопические поперечные сечения вычисляются следующим образом:

Σi=; причем ;

Замедляющую способность вещества можно оценить по соотношению

ξΣsi=,

где ξi- логарифмический декремент, .

В тепловых реакторах температура нейтронного газа превышает температуру среды на 50-100°C. При расчете холодного реактора можно принимать температуру нейтронного газа в пределах от 350 до 400 К.

Примем температуру нейтронного газа: