Диссертация (Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения), страница 2

Работа содержит 155 страниц основного текста,17 таблиц, 86 рисунков. Список использованной литературы включает 88наименований.БлагодарностиАвтора выражает благодарность научному руководителю чл.-корр. РАНДедову Алексею Викторовичу за руководство исследованиями и помощь приподготовке работы.Автор благодарит коллектив кафедры ОФиЯС МЭИ, всех членов научнойгруппы и лично профессора Комова Александра Тимофеевича за всестороннююподдержку и ценные замечания.

Автор признателен профессору кафедры ИТФМЭИ Янькову Георгию Глебовичу за консультирование по численномумоделированию.Особую благодарность автор выражает сотруднику НИЦ «Курчатовскийинститут» Ильину Александру Валентиновичу за неоценимую помощь приподготовке эксперимента.12ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ1.1. МикротвэлыРазвитие технологии высокотемпературных газовых реакторов (ВТГР)обусловило разработку микротвэлов – сферических микротопливных частиц,состоящих из сердечника с ядерным топливом и многослойной оболочки изпироуглерода и карбида кремния, обеспечивающей надежное удержание твердыхи газообразных продуктов деления.

Размер микротвэлов колеблется от несколькихсот микронов до нескольких миллиметров [1].Многослойное керамическое покрытие решает несколько задач [15]:- максимально уменьшает выход твердых и газообразных продуктовделения из топливного сердечника в окружающую среду;- уменьшает диффузию и миграцию собственно делящегося материала,имеющих место при высоких температурах (так называемый «амебный» эффектпри температуре более 1500°С);- не препятствует объемному изменению топливного керна, происходящемукак вследствие глубокого выгорания тяжелых ядер, так и под воздействиеминтегрального потока быстрых нейтронов деления;- позволяет сочетать различные по температурным коэффициентамлинейного расширения материалы в многослойном покрытии;- защищает ядерное керамическое топливо от взаимодействия с примесямив гелии при работе в реакторе.На рис.

1.1 схематически показана модель керамического микротвэла стрехслойным покрытием.13Рис. 1.1. Схема микротвэла:1 – топливный сердечник; 2 – пористый PyC; 3 – плотный PyC; 4 – слой SiCПринципиальносуществуетследующее разделение функциймеждузащитными слоями микротвэла [15]:первый (внутренний) пористый слой из пиролитического графита (PyC)(пористость40—60%,толщина40—60мкм,плотность1—1,1г/см3)располагается непосредственно на топливном сердечнике; этот слой за счетбольшой пористости как бы впитывает в себя продукты деления.

Посколькумеханическая прочность пористого слоя невелика и намного меньше, чем прочность сердечника, это позволяет последнему за счет разрушения пористого слояизменять свои размеры. Таким образом, первый пористый слой выполняет рольбуфера между топливным сердечником и прочным покрытием;второй слой из изотропного пиролитического углерода является силовойоболочкой, выдерживающей давление газообразных продуктов деления в порахбуферного слоя.

Этот слой также уменьшает диффузию твердых продуктов,таких, как йод, теллур, цезий, цирконий и рутений. Последние практически полностью задерживаются в слое пироуглерода, а диффузия бария, цезия и стронцияуменьшается. Второй слой имеет плотность 1,9—2,1 г/см3, т. е. плотность,близкую к теоретической плотности кристалла графита. Толщина плотногоизотропного покрытия колеблется от 40 до 120 мкм. Оно наносится непосредственно на буферный пористый слой.

Слой пироуглерода уменьшает и диффузиюгазообразных продуктов деления, таких, как ксенон и криптон. В некоторыхслучаях ограничиваются лишь двумя слоями. Однако чаще всего для лучшего14удержания продуктов деления и более глубокого выгорания наносят третий ичетвертый защитные слои;третий слой состоит из плотного карбида кремния (SiC).

Между вторым итретьим слоем располагается так называемый разгрузочный слой из пористогопироуглерода толщиной 2—4 мкм (на рис. 1.1 не показан) для компенсациитермических расширений пироуглеродного слоя и покрытия из SiC и измененияразмеров при облучении. Покрытие из SiC практически непроницаемо длятвердых продуктов деления, таких, как стронций, цезий и барий, и значительноуменьшает утечку газообразных продуктов деления, т. е. дополняет в этомотношении второе пироуглеродное покрытие.

Кроме того, механическиехарактеристики покрытия из SiC более высокие. В частности, предел прочностивыше, чем у изотропного пироуглерода, что обеспечивает возможность болееглубокого выгорания ядерного топлива. Толщина покрытия из SiC колеблется от30 до 50 мкм. Плотность этого покрытия (3 г/см3) близка к теоретической [15, 16].ВреакторахВТГРмикротвэлыобычнонеиспользуются,каксамостоятельные топливные элементы. Из них компонуются более крупныечастицы – шаровые твэлы (диаметром ~60 мм). Сами шаровые твэлы, также как иактивнаязона,изготавливаютсяизграфита,чтоснижаетколичествоконструкционных материалов в активной зоне, поглощающих нейтроны, ипозволяет достигать рабочих температур порядка 1300 оС и даже выше [15].В России запатентованы технологии создания микротвэлов [17, 18], а такжепроведены комплексы испытаний по определению коррозионной стойкости ицелостности оболочек микротвэлов с покрытиями из карбида кремния ипироуглерода применительно к условиям работы легководных реакторов АЭСпри нормальных и аварийных режимах [19-21].

Эти исследования подтвердиливозможность длительной эксплуатации микротвэлов с наружными защитнымипокрытиями из SiC и РуС в легководных реакторах при температуретеплоносителя до 600 – 650 ºС соответственно. При аварийных режимахтемпература1200ºСможетсчитатьсяпроектнымпределомприменениямикротопливных элементов для реакторов с легководным теплоносителем.151.2. Активные зоны водоохлаждаемых реакторов с микротвэламиИсследования, проведенные в НИЦ «Курчатовский институт» и ВНИИАМпоказали, что микротвэлы, подобные используемым в ВТГР, могут найтиприменение и в других реакторах, в частности, водоохлаждаемых.

В работе [2],применительно к параметрам ВВЭР были рассмотрены шаровые твэлы диаметром20÷30ммсмикротвэлами.экспериментальныеПоследующиеисследованияпоказали,расчетно-теоретическиечтонаиболееисущественныепреимущества как по безопасности, так и по экономичности достигаются принепосредственном охлаждении микротвэлов малого размера легководнымтеплоносителем – замедлителем [1]. В этом случае размеры покрытий микротвэлабудут отличаться от описанных выше, для реактора ВТГР, хотя функции иназначения слоев сохраняются.Микротвэл выполняетсясердечникомизв виде шара диаметром 1.8 мм – 2.0 мм сдвуокисиуранаитрехслойнойоболочкойизвысокотемпературных керамических материалов.

Сердечник имеет диаметр1.5мм. Первое покрытие - из пористого пиролитического графита (PyC) сплотностью порядка 1 г/см3. Толщина этого слоя ~ 60 мкм. Второй слой выполнениз плотного PyC (плотность порядка 1.8 г/см3). Толщина этого слоя ~ 5 мкм.Третий наружный слой выполнен из карбида кремния (SiC).

Толщина этого слоя ~85 мкм. Такая конструктивная схема обусловлена тем, что в активной зоне ВВЭРпоток быстрых нейтронов примерно в 20 раз больше, чем в активной зоне ВТГР.Ввиду сильного распухания плотного РуС толщина его слояминимальнойдлятоголишь,чтобыуменьшитьзагрязнениявыбранаураномпоследующих слоев SiC. Суммарная толщина покрытия составляет 150 мкм, т.е.равна 0,1 диаметра сердечника, что обеспечивает необходимую загрузку урана вактивнойзонеиодновременнообеспечиваетработоспособностьМТ внормальных и аварийных условиях при выгорании порядка 5% тяжелых ядер.Диаметр МТ выбран максимально возможнымс точки зрения технологииизготовления и достаточно малым, чтобы среднее время передачи тепла от МТ16теплоносителю было достаточно малым, (~ 0,03 секунды), чтобы эффективнокомпенсировать положительную реактивность за счет нагрева и испарениятеплоносителя – замедлителя [22].Основным преимуществом реакторов с топливом из микротвэлов являетсято, что при любых тяжелых авариях и при любых диверсиях, включая падениетяжелого самолета, радиационные последствия очень малы.

Активные зоны наоснове таких ТВС МТ имеют следующие преимущества [1]: достигается высокая температурная стойкость, высокая герметичность ихорошее удержание продуктов деления вплоть до температур порядка1600оС; при потере теплоносителя такая активная зона надежно удерживаетпродукты деления; активные зоны на основе микротвэлов могут размещаться в корпусе реакторабез изменения конструкции и мощности; конструкции ТВС с микротвэлами могут быть разнообразными, чтопозволяет оптимизировать их под нужды конкретного проекта илиприспособить к традиционным сборкам; в активной зоне не используется цирконий, а значит, нет опасностиобразования взрывоопасного водорода в результате пароциркониевойреакции; топливные композиции с микротвэлами обеспечивают отрицательныетемпературный и мощностной коэффициенты реактивности, что делаетработу реактора в номинальном режиме устойчивой и безопасной; повышенная прочность микротвэлов позволяет отказаться от некоторыхстраховочных систем или понизить требования к ним, что может снизитьсебестоимость ядерной энергии.Таким образом, активная зона водоохлаждаемого реактора с микротвэламизащищена от любых реактивностных аварий и аварий с нарушением теплоотводаили потерей теплоносителя.17Тепловыделяющая сборка с микротвэламиВкачествепроектныхтепловыделяющеймикротвэламиосновсборкидляс(ТВС)принято,(МТ)чтометаллоконструкция ТВС обеспечивает:-размещение МТ в ТВС;-организациютеплоносителяпоперечногоотносительнодвиженияслояМТсприемлемым гидравлическим сопротивлением;-приемлемую неравномерность подогреватеплоносителя на выходе засыпки МТ;-размещениерегулирующихнаправляющихстержнейитрубдлявыгорающегопоглотителя в количестве, необходимом дляобеспечения требуемых правилами ядернойбезопасностихарактеристикнейтронно-физическихи заявляемых характеристиктопливного цикла;-неподвижность МТ в ТВС под действиемтеплоносителя;-исключениеконструкционныхРис.

1.2. ТВС с микротвэлами1 - головка; 2 - втулка; 3 пружина; 4 – подпружиненноеднище; 5 - входной коллектор; 6– наружный чехол; 7 направляющие трубки органоврегулирования; 8 – засыпка МТ;9 – днище опорное; 10хвостовиквзаимодействияматериаловТВС,работающих в контакте с МТ, с их наружнымпокрытием в нормальных режимах в течение неменее 20000 часов и в аварийных режимах втечение нескольких часов;-сохранение геометрии ТВС и активнойзоны в аварийных режимах;18- исключение химических реакций с интенсивным выделением водорода ваварийных режимах;- сохранение свойств материалов ТВС в нейтронном потоке.Крометого,технико-экономическиехарактеристикиТВСдлякрупносерийного производства должны быть не хуже, чем для традиционныхТВС со стержневыми твэлами.Необходимость применение ТВС с поперечным течением теплоносителяобусловлена тем, что сопротивление засыпки МТ в продольном направленииочень велико.На рис.