Тепловыделяющие сборки и топливные каналы реакторов

7.5. Тепловыделяющие сборки и топливные каналы

Для загрузки в реакторы в большинстве случаев твэлы объединяют в ТВС. Исключение составляют блочковые твэлы, загружаемые в топливные каналы (ТК) поштучно, и шаровые твэлы, которыми заполняют весь объем активной зоны, образуемой боковым и нижним отражателями. Объединение твэлов в ТВС значительно упрощает и удешевляет загрузку и выгрузку топлива в реакторах.

В зависимости от типа реактора твэлы и ТВС устанавливают на опорные конструкции активной зоны или в ТК. ТК закреплены в реакторных конструкциях и представляют собой тракт для теплоносителя, в который помещают и закрепляют блочковые твэлы или ТВС.

К функциям ТВС относятся закрепление и дистанционирование твэлов. Это очень ответственные задачи. Их решение осложняется обычно большой плотностью размещения твэлов, т. е. малыми зазорами между ними. 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. Дистанционирование должно быть выполнено таким образом, чтобы оболочки твэлов не разрушались вследствие их истирания при расширении от нагрева и при вибрации от движения теплоносителя.

Часто с помощью ТВС организуется поток теплоносителя в активной зоне реактора. Под этим следует понимать не только обеспечение требуемого направления потока, но и регулирование его значения и распределения по сечению ТВС.

Конструкции ТВС определяются типом объединяемых в них твэлов. Различают ТВС со стержневыми, кольцевыми, трубчатыми, пластинчатыми, призматическими твэлами.

Наибольшее распространение получили стержневые твэлы с UO₂ в оболочке из циркониевых сплавов. Число твэлов, загружаемых одновременно в активную зону, очень велико. Так в реакторе РБМК помещается около 60 тыс. твэлов.

Для загрузки в реактор стержневые твэлы собирают в пучки, при этом обеспечивается их параллельность между собой. В поперечном сечении твэлы расположены в квадратной или треугольной решетке или по концентрическим окружностям относительно оси ТВС. Между твэлами имеется определенный шаг, размер которого выбирается в зависимости от диаметра твэла и минимально допустимого зазора между ближайшими образующими наружной поверхности двух соседних твэлов. Выбор зазора между твэлами производится, исходя из теплового потока с поверхности твэлов, необходимого расхода теплоносителя и условия отсутствия касания соседних твэлов. Скорость водяного теплоносителя в пучке стержневых твэлов устанавливается обычно в пределах 4—7 м/с, натрия в реакторах на быстрых нейтронах — 4—10 м/с.

Стержневые твэлы крепятся с одной стороны к концевым деталям, представляющим собой обычно решетки с отверстиями для наконечников твэлов, расположение которых соответствует расположению твэлов в поперечном сечении, и для прохода теплоносителя. Заданный шаг обеспечивается чаще всего дистанционирующими решетками, расположенными равномерно по длине ТВС. Решетки крепятся к стержням или трубкам, размещаемым в ТВС параллельно твэлам. Дистанционирующие решетки бывают разных типов, но все они состоят из отдельных ячеек, соединенных в единую конструкцию, в которых твэлы фиксируются или пружинящими элементами, или за счет натяга дистанционирующих выступов ячейки на твэлах. Иногда твэлы дистанционируются с помощью проволоки, навитой спиралью на наружной поверхности оболочки твэлов.

Второй конец твэла должен быть всегда свободен, чтобы была возможность его расширения при нагреве. Дистанционирующие элементы также не должны препятствовать свободному удлинению твэлов.

В зависимости от типа реактора и конструкции активной зоны пучки твэлов могут быть заключены в кожух, образующий тракт теплоносителя в пределах активной зоны, или устанавливаться в реактор без кожуха. В канальных реакторах, где тракт теплоносителя образуется каналом, ТВС выполнены без кожуха В корпусных водо-водяных реакторах ТВС также не всегда имеют кожух. В этом случае они должны располагаться в активной зоне близко друг к другу, так чтобы зазоры между ближайшими твэлами соседних ТВС были сравнимы с зазорами внутри ТВС.

При наличии кожуха в ТВС можно устанавливать дроссельные устройства типа гидравлических шайб для регулирования расхода через ТВС и профилирования его по сечению активной зоны реактора.

Например, кассета РБМК  состоит из двух ТВС, в каждой из которых размещено 18 стержневых твэлов, расположенных по двум окружностям вокруг центрального стержня или центральной трубы. Труба с заглушкой в нижней части применена в кассетах, в которых установлены детекторы энерговыделения. Твэлы набраны из таблеток спеченной UO₂ в оболочке из сплава Zr +-f-1 % Nb (сплав HI) с отверстиями для прохода наконечников твэлов (18 шт.) 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.

К концевой решетке крепится также каркасная труба 0 15X1,25 из сплава H 2,5, которая фиксируется от осевого и азимутального перемещений. К каркасной трубе своей центральной втулкой прикреплены Дистанционирующие решетки так, что, будучи зафиксированы от проворота, они могут перемещаться вдоль оси ТВС. Решетки состоят из фигурных ячеек для каждого твэла, соединенных в единую конструкцию с помощью точечной сварки. В каждой ячейке имеются внутренние выступы, крайние образующие которых расположены на окружности диаметром, меньшим на 0,1—0,2 мм наружного диаметра твэлов. Таким образом, твэлы проходят в ячейки с натягом, что предотвращает их вибрацию, вызываемую потоком теплоносителя.