Реакторы на быстрых нейтронах с гелиевым теплоносителем

6.3. РЕАКТОРЫ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ С ГЕЛИЕВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

6.3.1. Общая характеристика и конструктивные исполнения

Реакторы на быстрых нейтронах с гелиевым охлаждением имеют ряд преимуществ по сравнению с натриевыми. Это прежде всего возможность увеличения KB за счет лучших нейтронно-физических свойств; практическое отсутствие активации теплоносителя, что существенно упрощает обслуживание и ремонт оборудования первого контура; хорошая совместимость с конструкционными материалами и топливом; более

. Наружная оболочка ТВС может быть выполнена из сетки или перфорированной трубы. Материал внутренней гильзы— высокотемпературная керамика (карбид кремния). В хвостовике сборки установлен замок, закрепляющий ее в опорной плите. Гелий подводится к ТВС в пространство между наружными оболочками соседних сборок, проходит, двигаясь вдоль радиуса, наружную оболочку, слой топлива, пористую гильзу и отводится через центральный канал. Керамические кольцевые перегородки между оболочками препятствуют возникновению осевого тока теплоносителя в слое топливавысокие параметры термического цикла и т. п. Реакторы на быстрых нейтронах имеют два контура отвода тепла: первый —с гелием, второй —с водой и •водяным паром. В принципе возможно создание одноконтурной установки с газовой турбиной. Все это значительно снижает капитальные затраты на создание установки с таким реактором. Однако использование гелия в реакторах на быстрых нейтронах, характеризующихся большой энергонапряженностью, требует значительного повышения  давления теплоносителя (до 10,0— 15,0 МПа), что усложняет проблему создания металлического корпуса для реактора и задачу аварийного охлаждения при потере теплоносителя. Проблема создания корпуса была решена использованием корпусов из ПНЖБ. Вероятность внезапного разрушения бетонного корпуса и разрыва герметизирующей оболочки ничтожно мала. Поэтому такую аварию утечки гелия из корпуса можно не рассматривать с учетом динамики развития трещин в железобетонном корпусе.

Более вероятны нарушения теплоотвода, связанные с выходом из строя газодувок и их обесточиванием. Для сниженияпоследствий таких нарушений в гелиевых реакторах на быстрых нейтронах предусмотрены как минимум две независимые системы охлаждения: основная и вспомогательная. Основная система охлаждения выполнена из нескольких параллельных петель. Каждая петля подключена к узлам, подводящим и отводящим теплоноситель от активной зоны, параллельно с другими, что (позволяет обеспечить съем тепла с зоны даже при одной работающей петле. Обычно число петель выбирается большим или равным трем.

Вспомогательная система охлаждения обеспечивает отвод тепла из реактора к парогенератору, охлаждаемому технической водой, за счет естественной циркуляции гелия или с помощью газодувки с независимым приводом. Вспомогательная система охлаждения имеет обычно две-три петли.

Для реакторов на быстрых нейтронах с гелиевым теплоносителем рассматриваются в основном два типа твэлов: стержневые и микротвэлы — небольшие сферические топливные частицы с покрытием. Стержневые твэлы имеют шероховатость на наружной поверхности оболочки. Шероховатость в виде кольцевых выступов высотой до 0,15 мм, шириной 0,3 мм с шагом 1—1,2 мм увеличивает коэффициент теплоотдачи вдвое. При этом одновременно растет гидравлическое сопротивление шероховатого участка (в 3 раза). Тем не менее такое решение оказывается энергетически более выгодным, чем увеличение коэффициента теплоотдачи за счет форсирования скорости. Шероховатость наносится примерно на 2/3 длины активной части твэла со стороны выхода теплоносителя.

Для снижения давления газообразных осколков деления может быть рассмотрен вариант твэла с отсосом газа по специальному каналу, так как использование негерметичного твэла в гелиевом реакторе приводит к существенному повышению активности контура. В таких твэлах продукты деления из оболочки твэла через каналы в торцевых заглушках и опорной решетке направляются в фильтр, затем в отсосные каналы опорной решетки (рис. 6.13). При переходе из хвостовика кассеты в опорную плиту продукты деления разбавляются гелием, что обеспечивает их быстрый вывод из активной зоны и предотвращает выпадение конденсирующихся компонентов в тракте отсоса. Наряду с разгрузкой оболочки от разности давлений это позволяет избежать утечки продуктов деления из твэлов даже при разгерметизации оболочки.

Микротвэлы охлаждаются протекающим через их слой потоком, теплоносителя, что приближает температуру теплоносителя к допустимой температуре микротвэла. Ограничение гидравлического сопротивления уменьшает толщину слоя микротвэлов до-нескольких десятков сфер по ходу теплоносителя.

Применение микротвэлов в охлаждаемых гелием реакторах на быстрых нейтронах возможно при использовании ТВС канальной геометрии (рис. 6.14), которая состоит из наружной металлической оболочки, внутренней пористой гильзы и концевых деталей.

Рис. 6.13. Схема отсоса газообразных продуктов деления из вентилируемых твэлов:

1—опорная плита; 2— хвостовик; 3—фильтр; 4— канал в опорной решетке; 5 — каналы в опорной плите

Рис. 6.14. Схема ТВС с радиальным течением гелия через слой микротвэлов:

1 — уплотняющие кольцевые прокладки; 2 — кольцевые перегородки; 3 — засыпка микротвэлов; 4—внутренняя оболочка (гильза); 5 — наружная  оболочка; 6—узел крепления ТВС; 7, 11 — огражатели, 8, 10 — торцевые зоны воспоризводства, 9 — активная часть

Рис. 6.15. Схема ТВС с осевым течением гелия через слой микротвэлов:

.1 — опорные  конструкции;

2 — кожух слоя микротвэлов; 3 — подводящий коллектор, 4 — засыпка микротвэлов; 5 — отводящий коллектор, 6 — центральный канал

Другая возможная конструкция ТВС с микротвэлами приведена на рис. 6.15. Здесь микротвэлы, расположенные в кольцевых разделенных слоях, омываются движущимся вдоль оси сборки теплоносителем. Гелий подводится к слою топлива и отводится в центральный канал коническими коллекторами, расположенными между слоями топлива.