Структура и материалы активной зоны. Тепловыделение и теплообмен в реакторах. Профилирование реактора

9. Структура и материалы АЗ

9.1 Структура АЗ

Элементарная ячейка. Решетка. Состав. Рис. 9.3 и 9.2, табл. 9.1

9.2   Тепловыделение и теплообмен в реакторах        

Расход теплоносителя. Объемный расход V=P/cDt, с - удельная объемная теплоемкость; Dt - подогрев теплоносителя в реакторе, равный разности температур на выходе и входе реактора; Р - мощность реактора. Газ. теплоноситель Dt ~ 200-350^оС, Na теплоноситель Dt ~ 150-200^оС.

Коэффициент теплоотдачи (a) и поверхностная плотность теплоносителя (q). a [кВт/(м²×К) - хар-ет интенсивность теплообмена и равен количеству тепла, переданного через единичную поверхность за единицу времени, если разность температур поверхности и теплоносителя равна 1^о . Поверхностная плотность теплоносителя q=a(t_ст - t),  t_ст - температура стенки твэла, ^оС; t - температура теплоносителя, ^оС.

В современных реакторах q достигает нескольких МВт/м². a~v^0.8 (v – скорость теплоносителя). V для жидких теплоносителей с приемлемой эрозией поверхности твэла ~ 10 м/с, для газовых теплоносителей v достигает 60 м/с. Максимальная скорость газа выбирается с таким расчетом, чтобы были приемлемы и a и расход мощности на прокачку газа. (t_ст - t) = t_н  - температурный напор в некипящих реакторах ограничен или пленочным кипением или нестойкостью конструкционных материалов. ВВЭР и ГВР - возможно пленочное кипение, Na-е - нестойкость конструкционных материалов.

С увеличением t_н на стенке начинают образовываться пузырьки, которые растут, затем отрываются от пов-ти, улучшая теплообмен за счет дополнительного перемешивания воды – пузырчатое кипение. При дальнейшем увеличении t_н на поверхности образуется пленка из пузырьков пара (пленочное кипение), теплопередача которого хуже, и условия теплообмена резко ухудшаются (возможен перегрев твэла). Такие условия возникаю при выключении некипящих ВВЭР и ГВР при резком падении давления в первом контуре без соответствующего снижения уровня мощности реактора и температуры воды.

В кипящих реакторах происходит пузырчатое кипение воды в активной зоне. Твэлы  в таких реакторах работают в более напряженных условиях.

9.3      Условия в АЗ и особенности конструкции

9.3.1 Распределение потоков нейтронов по радиусу АЗ

Ослабление g-излучения и уменьшение утечки нейтронов за пределы АЗ обеспечивают защитные экраны, расположенные вокруг нее. В зависимости от главной выполняемой функции эти экраны подразделяют на тепловую и биологическую защиты. С внешней стороны тепловой защиты размещают экраны биологической защиты (вода или бетон), рассчитанные так, чтобы с внешней стороны экрана не превышалась нормативная эквивалентная доза.

Рис. 9.1. Расположение слоев материалов тепловой и биологической защиты; уменьшение потока нейтронов и мощности дозы излучения

Огромные потоки нейтронов и гамма-квантов из АЗ обуславливают сильный нагрев, сопровождаемый существенными градиентами температуры в материалах, находящихся с ней в прямом контакте. Помимо этих факторов способ осуществления тепловой защиты зависит также от типа рассматриваемого реактора.

               9.3.2  Распределение нейтронных и тепловых потоков  в элементарной ячейке АЗ

 Рис. 9.3 и 9.4

9.4   Профилирование реактора

      Ядерное профилирование - выравнивание тепловыделения за счет неравномерности числа делений по объему реактора (разное содержание делящегося нуклида в центральных и периферийных сборках)

      Гидравлическое профилирование (на входе каждого ТК устанавливается регулирующая головка. Через нее протекает теплоноситель в объеме, пропорциональном мощности ТК.)

9.5   Замедлитель

9.6   Конструкционные материалы

Допустимая температура стенки ограничивается коррозиционной стойкостью оболочки твэла в теплоносителе, ее механической прочностью и возможностью пленочного кипения воды в некипящих реакторах. Максимальная температура ядерного топлива, а вместе с ней и удельная мощность ограничиваются температурой плавления, распуханием ядерного топлива, совместимостью оболочки твэла с ядерным топливом.

Таблицы 14.3, 9.1, 9.3, 14.2.

Таблица 9.1 - Состав и материалы АЗ