tvel (859138), страница 3
Текст из файла (страница 3)
3), имеющими практически одинаковую конструкцию и являющимися модулями, набор которых в принципе позволяет составить активную зону реактора заданной тепловой мощности (рис. 4), притом что ТВС можетбыть отработана автономно.Рис. 3В основу конструкции ТВС (см. рис. 3) положен корпус, образованный связаннымикоаксиальными цилиндрическими металлическими оболочками 3 и 4 с продольным илиОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»14винтовым оребрением в зазоре для протекания охладителя (рабочего тела), и снабженныйвнутренней теплоизоляцией 2 (так называемым «тепловым пакетом»).Содержащие делящийся изотоп235U ТВЭЛ объединены в нагревные секции (блоки) 6(или 7, 8), размещенные внутри теплоизоляционного пакета 2 последовательно междувходной дроссельно-распределительной решеткой 11 и выходной опорной решеткой 10,которая установлена перед выходным индивидуальным соплом, например, соплом Лаваля 5,вместо которого может устанавливаться сужающееся сопло или выходной диффузор.Нагревные секции могут быть установлены друг за другом как непоредственно с касаниемторцев, так и с зазором между ними, выполняющим функции камер смешения струекрабочего тела, вытекающих из различных каналов проточной части нагревных секций.При этом усилия, возникающие при обтекании ТВЭЛ и теплоизоляционного пакетарабочим телом, воспринимаютсявыходной опорной решеткой 10 и передаются насвязанные силовые оболочки 3,4 корпуса ТВС.Форма ТВЭЛ определяет конструкцию нагревной секции (блока): 6 − вариант нагревной секции из пластинчатых ТВЭЛ; 7 − вариант для стерженьковых витых ТВЭЛ крестоо бразного сечения; 8 − вариант для двухлопастных (двухзаходных) стерженьковых витыхТВЭЛ.
Необходимыми элементами конструкции нагревной секции из стерженьковых ТВЭЛ,вписывающими их в круглое проходное сечение теплоизоляционного пакета или обоймы,являются вкладыши-вытеснители 9, форма и количество которых зависит от количестваТВЭЛ и соотношения радиальных размеров всех элементов проточной части ТВС, что в целом однозначно определяет соотношение между сечениями для протекания рабочего тела(площадь «на свету») Fг и суммарным поперечным сечением всех ТВЭЛFƩТВЭЛ, называе-мое степенью пористости «на свету» ɛ = Fг / FТВС = Fг /( Fг + FƩТВЭЛ).В собранном из ТВС с индивидуальными соплами Лаваля гетерогенном реактореЯРД (рис.
4) создающий тягу сопловой блок включает сопло-решетку 6, образованную сочетанием индивидуальных сопл Лаваля ТВС 2, и дорасширительный насадок 7. Если ТВС 2 неимеет индивидуальных сопл, то ЯРД снабжается единым моносоплом Лаваля 5. В активнойзоне (АЗ) делящийся изотоп входит в материал ТВЭЛ, а замедлитель нейтронов выполнен ввиде набора теплоизолированных от ТВС блоков 3.ОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»15Рис.
4Вне зависимости от вида выходного устройства ТВС 2 элементы торцевого отражателя нейтронов 1, с каналами для протока охладителя (рабочего тела), могут устанавливатьсяперед дроссельно-распределительной решеткой в ТВС как выполненная из хорошо замедляющего нейтроны металла, например, бериллия, деталь или сборочная единица с обязательно непрямолинейными трактами для прохождения рабочего тела.В каждом шестигранном охлаждаемом блоке замедлителя нейтронов 3, например, изгидрида циркония, выполнены отверстия: Д − для размещения ТВС; С − для размещенияпоглотителя нейтронов системы управления и защиты (СУЗ) и В − для протока охладителя.Радиальный (боковой) отражатель нейтронов 4 также снабжен системой проточного охлаждения и может частично или полностью находиться вне корпуса реактора.ОглавлениеДорофеев А.А.
«Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»16Реакторам с гетерогенной активной зоной (АЗ) свойственна пространственная осевая,радиальная и азимутальная несимметричная неравномерность нейтронного потока.Тенденция снижения плотности нейтронного потока с удалением от оси симметрииприводит к тому, что идентичные ТВС, установленные на разном расстоянии от оси симметрии активной зоны, развивают разные тепловые мощности и для нагрева рабочего теладо одной и той же максимальной температуры рабочего тела требуется пропускать через нихразные его расходы (так называемое гидравлическое профилирование активной зоны). Приодинаковом давлении рабочего тела это реализуется, например, установкой на входе разноудаленных от оси симметрии ТВС разных по гидравлическому сопротивлению дроссельнораспределительных решеток.На оси симметрии ТВС из-за значительных поглощающих способностей урана, находящегося в ТВЭЛ, плотность нейтронного потока значительно ниже, чем вблизи теплоизоляционного пакета (так называемый блок-эффект), и, если ТВЭЛ одинаковы по форме и составу, то тепловая мощность, а, следовательно, и температура, до которой нагреется охлаждающее их рабочее тело, снижаются с приближением к оси симметрии (так называемая радиальная температурная неравномерность), что снижает удельный импульс тяги – основнуюхарактеристику тяговой эффективности ЯРД.В значительной мере это проявление негативных особенностей гетерогенной активной зоны может быть снижено так называемым концентрационным профилированием – размещением в нагревной секции ТВЭЛ, у которых концентрация делящегося изотопа возрастает от периферии к оси симметрии секции (блока), что реализуется, например, укомплектацией нагревной секции стерженьковыми ТВЭЛ с одинаковыми размерами, но с различнымсодержанием изотопа 235U.Частичная компенсация блок-эффекта возможна и при одинаковом содержании делящегося изотопа во всех ТВЭЛ, которые при этом должны иметь различные размеры, числоребер или шаг их закрутки по винтовой линии так, чтобы образовывать каналы с возрастающим эквивалентным (гидравлическим) диаметром при приближении к периферийнойчасти нагревной секции (блока), так называемое гидравлическое профилирование – заданноераспределение расхода рабочего тела (охладителя) по сечению ТВС.
Очевидно, что компенсация блок-эффекта, проявляющегося почти осесимметрично, невозможна для нагревныхсекций ТВЭЛ, набранных, например, из пластин.Выбор того или иного способа выравни-вания поля температур рабочего тела по сечению ТВС определяется конкретным соотношением стоимостно-технологических характеристик производства.ОглавлениеДорофеев А.А.
«Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»17Во всех вариантах ЯРДУ самыми энергонасыщенными элементами по удельнойтепловой мощности, достигающей 33 кВт/см3, и плотности тепловых потоков до 8,5 МВт/м2при температурах от 600 К до 3300 К, являются ТВЭЛ, число которых в реакторе составляетнесколько тысяч.ТВЭЛ обтекается эрозионно и химически активным рабочим телом,приведенная скорость которого λ может достигать значений 0,45…0,55.
При этом могут возникать вибрации с частотами до нескольких кГц, знакопеременные механические напряжения и трение на поверхности контактирующих элементов конструкции.Предельные, могущие вызвать разрушение медленно меняющиеся механическиенапряжения возникают в местах высоких, доходящих до 1000 К/мм, градиентов температурыи накопления радиационных дефектов в малопластичном тугоплавком материале ТВЭЛ, покомплексу свойств аналогичном керамике. При этом радиоактивные газообразные продуктыделения (ГПД), должны удерживаться внутри, т.е.
граница ТВЭЛ как детали должна бытьнегазопроницаемой, а для снижения градиентов температуры тугоплавкий материал долженбыть высокотеплопроводным.Материала, удовлетворящего таким противоречивым требованиям, не существует (см.Приложение Б. Характерные значения теплофизических характеристик твердых материалови газов). Поэтому ТВЭЛ и другие работающие в аналогичных по напряженности элементыконструкции,входящие в ТВС ЯРД как сборочные единицы,композиционных тугоплавких материалов на основе углерода,выполняются изтугоплавких композицийZrCx–NbCy, ZrC–С и NbC–С, требуемые свойства которых достигаются оптимизациейсочетания кристаллической структуры, пористости, состава матрицы и наполнителя, а такжеспециальных покрытий, выполняющих технологические и эксплуатационные функции.
Вчастности, толщина покрытия, призванного задержать осколки деления ядра235U, должнаболее чем в 2 раза превышать длину пробега осколка до поглощения, т.е. быть не менее 40мкм.В основе многих тугоплавких материалов находится углерод в его различныхаллотропическихмакро, микро и наноформах, соответствующих нужным свойствам:эрозионностойкий, антифрикционный, рекристаллизованный или/и силицированный графит,пирографит, стеклоуглерод, графен, фуллерены С60, С70 и С540, односторонние идвухсторонние нанотрубки и их технологически интегрированные комбинации в одномкомпозите с требуемой анизатропией свойств.Получение материала с требуемыми, вытекающими из выполняемой функциисвойствами задается технологией, которая совмещает послойное образвание материала сОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»18разными свойствами в слоях и одновременно идущее при этом формообразование, т.е.
с«выращиванием» конструкции детали, в чем и состоит прямое системное единство тетрады«функция-конструкция-материал-технология»(Ф-К-М-Т)придиалектическомвзаимодействии и равнозначности её компонентов. В основе современных технологийизготовленияТВЭЛлежатметодыпорошковойметаллургиивсочетаниистермобаропроцессами по специальным циклограммам в химически активных газовых средахсложного состава.Существенным для материаловедческих вопросов фактором является совместимостьв композите всех компонентов с материалами, содержащими делящиеся изотопы (делящиесяматериалы) (см. Приложение Б.
Таблица 1. Зависимость теплопроводности λ оттемпературы), в условиях работы при плотности нейтронного потока до 1016…1018 1/(с·см2)и набором флюенса до (3…5)·1018…21 см−2, с соответствующими не вполне прогнозируемымирадиационными эффектами, тем более, что распределение нейтронного потока впространствеивовременитакжеимеетсущественнуюнедетерминированнуюсоставляющую.Включение в состав ТВЭЛ непосредственно металлического урана невозможно из-заего низкой температуры плавления 1405 К (1132 Со), высокой химической активности ипирофорности. Поэтому в основу выбора состава ТВЭЛ кладутся свойства материала,содержащего в виде тугоплавких химических соединений делящийся изотоп (см.Приложение Б.
Таблица 2. Основные теплофизические свойства тугоплавких соединенийурана).Действие на многочисленные (от нескольких сотен до тысяч) ТВЭЛ совкупностимножества факторов со случайными составляющими, задающими размеры, прочностныесвойства материалов и приближающееся к предельному напряженное состояние, приводит ктому, что некоторое количество ТВЭЛ будет обязательно разрушено, что и показанопроведенными испытаниями [3, 10]. Однако при этом техническое устройство в целом,например, ЯРДУ, должно сохранить безопасное состояние в заданных допустимых приделахи выполнить поставленную задачу, пусть и с допустимым снижением показателейэффективности.Такое свойство технического устройства можно назвать живучестью, достижениекоторой должно входить в целевую функцию проектирования ТВС как основного модуляЯРДУ.Из допустимости разрушения части ТВЭЛ вытекает целесообразность установки вОглавлениеДорофеев А.А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
