Учебное пособие по курсу конструкции ядерных реакторов
 Скачать 6.16 Mb.
|
КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ Так как топливо сосредоточено в твэлах, то они являются главны ми элементами активной зоны ядерного реактора. Только зная типовую конструкцию твэлов, можно понять из каких материалов лучше всего их изготавливать. 3.1.ТИПОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ТВЭЛОВ Основные конструкционные элементы типового твэла схематически изображены на рис. 3.1.  Комментарии к рис. 3.1.
ТИПЫ ТВЭЛОВ
а) если он располагается в отдельном цилиндрическом канале, то это - стержневой твэл; б) если собирается много твэлов в одном канале, то они называются прутковыми, а вся конструкция - ТВС.
 Описание материалов для ядерных реакторов целесообразно вести от энергообразующего места к периферии. При этом всегда будет обра щаться внимание, как на достоинства материалов, так и на их недостат ки. Так устроено природой, что в ней нет ничего идеального. Поэтому нет материалов, идеально подходящих во всех отношениях для ядерных реакторов. 3.2.ТОПЛИВО Топливо работает в жестких условиях облучения, высоких темпе ратур, переменных давлений и тепловых напряжений из-за неравномерно сти тепловых полей. Если не соблюдать условий нормальной работы, мо гут появиться коррозия и эррозия. Поэтому твэлы работают в очень на пряженных условиях и в процессе работы их механические свойства из меняются. Так как топливо облучается, через некоторое время с ним уже нельзя работать в непосредственном контакте, т.е., если твэл почему-то перестал удовлетворять предъявляемым требованиям (напри мер, оболочка потеряла герметичность), то его исправить невозможно. Важным для конструкции твэлов эффектом в топливе является свеллинг (радиационное распухание). Вследствие выделения в топливе газо образных продуктов деления, например, ксенона (см. рис. 1.3), оно распухает (меняет геометрию). В значительной мере этим эффектом определяется допустимое выгорание топлива. При создании ядерных реакторов для определения, наиболее опти мальной конструкции твэлов и подходящих материалов проводят много экспериментов, в результате анализа которых выбирают материалы и ре жимы работы твэлов. С точки зрения проектанта (конструктора, расчет чика) основными лимитирующими параметрами для топлива являются
ЧИСТЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УРАН С нейтронно-физической точки зрения наилучшим материалом, для топлива можно было бы считать чистый металлический уран без примеси ядер каких-либо других элементов. В этом случае необходимо считаться со свойствами (в том числе и отрицательными) только самого деляще гося материала. Однако чистый металлический уран - очень нестойкий материал, т.к. склонен к формоизменению под воздействием высоких температур. Максимальная температура, при которой он может еще рабо тать без существенных формоизменения и распухания, 400°с. Например, при T=500°с распухание достигает 20%. Предельное выгорание для этого топлива может быть не более 1% делящихся ядер. Чистый металлический уран - коррозионно активный материал и взаимодействует почти со всеми материалами, используемыми в реакто рах уже до 400°С. По изложенным причинам чистый металлический уран может приме няться в реакторах, где Tгорючего< 300-400°с. ЛЕГИРОВАННЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УРАН Чтобы улучшить свойства металлического урана, его легируют обычно молибденом (до 10% молибдена). Чем больше молибдена, тем выше предельная температура (до 650-715°С) и предельное выгорание (до 2- 2.5%). Коррозионные свойства также улучшаются. Например, допустимая температура в контакте с нержавеющей сталью становится равной 550°С. Это положительные свойства. Теперь о недостатке. Легирование урана приводит и к отрицатель ным эффектам, т.к. на молибдене происходит паразитный захват нейтро нов в тепловой области энергий и это ухудшает нейтронный баланс. В особенности в реакторах на тепловых нейтронах. МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПЛУТОНИЙ Этот материал ведет себя в реакторе примерно так же, как и металлический уран. Кроме того, его предельные параметры еще ниже. Поэтому металлический плутоний тоже подвергают легированию. ОКИСЛЫ УРАНА И ПЛУТОНИЯ В ядерной энергетике практически используются двуокиси: UO2 и PuO2. Основные параметры этих материалов приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1 |
| Материал | ToC плавления | ToC допустимая | Плотность Теоретич. г/см3 | Плотность Достиж. г/см3 | Теплопровод- ность кк/(м*час*oC) |
| UO2 | 2800 | 2500 | 11 | 8-10 | 1.5-2 |
| PuO2 | 2200 | 2000 | -“- | -“- | -“- |
Недостатки этих материалов в одних отношениях становятся их достоин ствами в других отношениях. Например, относительно малые плотность и теплопроводность приводят к необходимости уменьшать размеры твэлов, чтобы избежать их пережога за счет превышения предельных температур в центре твэла. Однако "пористость" двуокисей и малые размеры твэлов позволяют достичь сравнительно высоких выгораний - до 10% и выше.
Малая плотность и наличие O2 вредно для реакторов на быстрых нейтронах, т.к. смягчается спектр нейтронов и увеличивается размер активной зоны.
КАРБИДЫ U и Pu
Наиболее распространены монокарбиды UC и PuC. Плотность у них несколько выше, чем у двуокисей и составляет 14 г/см3. Теплопровод ность близка к теплопроводности металлического урана и составляет 15-20 ккал/(м час °с), т.е. в 10 раз выше, чем у UO2. Температура плавления также высока (2450°C), что позволяет эксплуатировать это топливо при температурах до 2200°C.
Недостаток - смягчает спектр нейтронов в быстром реакторе из-за наличия ядер углерода.
ДИСПЕРСИОННОЕ ТОПЛИВО
Представляет собой гетерогенную смесь, в которой топливная фаза дисперсно (равномерно) распределена в нетопливном матричном материа ле. При этом, каждая частица ядерного топлива является как бы микро-твэлом, заключенным в оболочку, роль которой выполняет матрица.
В качестве топливной фазы применяют металлические уран и плутоний, и их сплавы, а также различные соединения. В качестве матриц используются металлы, керамические материалы, графит.
3.3.КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Очень ответственной деталью, непосредственно прилегающей к топливу, является оболочка твэла. Оболочки твэлов работают в сложных условиях высоких температур и активных сред. Самый главный вредный фактор - все виды излучения, возникающие в реакторе, проходят через оболочку либо от топлива наружу твэла, либо извне твэла к топливу. Кроме того, оболочки могут изнашиваться от воздействия дистанционирующих и других узлов, с которыми контактируют твэлы, подвергаться коррозии и эррозии (вымыванию) как со стороны теплоносителя, так и со стороны топлива (например, под воздействием продуктов деления).
На наружных поверхностях оболочек могут откладываться продукты кор розии других элементов реактора.
Основные требования к материалам оболочек.
Низкое сечение захвата нейтронов в рабочем спектре реактора.
Коррозионная и эрозионная стойкость в теплоносителях при заданных параметрах, совместимость с топливом и продуктами деления.
Высокая теплопроводность.
Удовлетворительные механические свойства (прочность, пласти чность, ползучесть) с учетом воздействия излучений, вызывающих изменения этих свойств.
Технологичность, т.е. возможность изготовления труб и других требуемых профилей, свариваемость и т.д.
Экономичность и доступность.
В дальнейшем нам понадобятся параметры некоторых конструкцион ных материалов, приведенные в табл. 3.2.
Таблица 3.2
| материал | Плотность г/см3 | Температ. Плавления оС | Коэффиц. Теплопр. Вт/(м,с) | Сечение Поглощ. барн |
| Al | 2.7 | 660 | 210 | 0.215 |
| Mg | 1.74 | 651 | 159 | 0.059 |
| Zr | 6.5 | 1845 | 23.9 | 0.180 |
| Нерж.ст. | 7.95 | 1400 | 14.6 | 2.880 |
| графит | 1.65 | 3650 | 130-170 | 0.0045 |
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий и его сплавы обладают очень высокой теплопроводностью и малым сечением захвата тепловых нейтронов, стойки в воде. Могут использоваться при температурах до 300°С. Поэтому используются в низкотемпературных (например, исследовательских, бассейнового типа) реакторах, в том числе в контакте с металлическим ураном.
МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Магний и его сплавы имеют низкое сечение поглощения нейтронов, высокую теплопроводность, достаточно дешевы и доступны. Например, сплав магнокс (легирование 0.6% Zr, 0.8% Al) имеет неплохие механи ческие и коррозионные свойства. Однако магний и его сплавы нестойки в воде.
Поэтому в водяных реакторах не применяются. Основное приме нение магнокс получил в газоохлаждаемых реакторах, где теплоно ситель - CO2 (английские и французские реакторы с металлическим ураном в качестве топлива). Применяется при температурах до 400°C.
ЦИРКОНИЯ И ЕГО СПЛАВЫ
Цирконий и его сплавы очень хороши для реакторов на тепловых нейтронах. У них достаточно низкое сечение захвата тепловых нейтро нов и неплохая теплопроводность.
Но чистый цирконий не обладает хорошими механическими свойства ми. Поэтому его легируют ванадием и/или ниобием. Сплав циркалой, применяемый в российской ядерной энергетике - это Zr+(1-3)%Nb. Леги рованием добиваются улучшения не только механических, но и коррози онных свойств.
Дело в том, что цирконий имеет большую активность к водороду и
O2. При T-400°с возникает бурная реакция с водородом: Zr растворяет водород и образуются гидриды циркония, в результате чего исходный материал сильно охрупчивается. Специальной технологией эта склон ность снижается. Но этот недостаток устранить полностью практически невозможно. Тем не менее, циркалой широко применяется в реакторах типа ВВЭР и РБМК.
НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ
У сталей хорошие механические свойства, но меньший, чем у дру гих материалов, коэффициент теплопроводности и очень высокое сечение захвата тепловых нейтронов. Они коррозионно стойки в воде до 360°С, а в водяном паре, газах и жидких металлах до 650°С.
Понятно, что для реакторов на быстрых нейтронах больное сечение захвата тепловых нейтронов особого значения не имеет. Поэтому нержа веющие стали - основной конструкционный материал для таких реак торов. Был неплохой опыт их использования и в реакторах на тепловых нейтронах (AM Первой в мире АЭС, АМБ-100 и АМБ-200 Белоярской АЭС).
ГРАФИТ
Графит используется для оболочек паровых твэлов в высокотемпе ратурных газоохлаждаемых реакторах. Высокая теплопроводность и очень низкое сечение захвата тепловых нейтронов - большое достоинство это го материала. Графит технологичен. Из него прессованием можно получать
изделия различной геометрической формы, он легко обрабатывается механически. С топливом графит хорошо совместим. Однако ему требу ется строгое соблюдение газового режима, т.к. графит выгорает.
Для обеспечения герметичности графитовых оболочек твэлов используются покрытия из пироуглерода (PyC) и карбида кремния (SiC). Пироуглерод - форма графита, при которой большинство атомов располо жено в виде параллельных слоев. Он хорошо задерживает газообразные продукты деления - Хe, Сr, а карбид кремния - эффективная преграда для твердых осколков деления.
3.4.ТЕПЛОНОСИТЕЛИ
Здесь имеются в виду теплоносители первого контура охлаждения реактора, т.е. непосредственно охлаждавшие твэлы.
Основные требования к материалам теплоносителей.
Должны иметь малые сечения захвата нейтронов на рабочем спектре реактора.
Должны обладать хорошими теплофизическими свойствами для обеспечения эффективного КПД.
Должны быть такими, чтобы расход энергии на прокачку был
мал.
Не должны быть коррозионно и эрозионно активными.
Должны мало активироваться излучениями реактора.
Должны быть устойчивыми в радиационных и тепловых потоках, т.е. не должны разлагаться под их действием.
Должны обеспечивать безопасную эксплуатацию установок (не взрываться, не быть токсичными и т.д.).
В качестве теплоносителей применяют обычную и тяжелую воду (H2O, D2O), газы (CO2,Не и др.), жидкие металлы (Na, Li, K, Pb, Pb-Bi и др.).
ВОДА
Обычная и тяжелая вода различаются только ядерными свойствами, что важно при использовании их в качестве замедлителей, требования к которым обсуждаются далее. Во всем остальном свойства этих двух материалов абсолютно одинаковы. Поэтому как теплоноситель H2O и D2O совершенно идентичны (за исключением стоимости).
Вода имеет большую теплоемкость, поэтому требует приемлемую энергию на прокачку.
энергию на прокачку. Важное преимущество воды перед другими теплоно сителями то, что она - единственное рабочее тело для турбин в паросиловом цикле. Следовательно, есть возможность создавать пар непосредственно в реакторе и подавать его на турбину.
Недостатки.
Вода очень коррозионно и эрозионно активна. Поэтому очень важно поддерживать водный режим (качество воды).
При возникновении трещины в твэле уран взаимодействует с водой.
Вода имеет (все-таки) низкую температуру кипения. Поэтому требует создания больших давлений в трактах, если требуется иметь хорошие параметры пара на турбине.
Являясь хорошим замедлителем, вода не может быть использова на в реакторах на быстрых нейтронах.
Под воздействием облучения вода может подвергаться радиолизу (разложению на о и н).
Вода активируется в нейтронном потоке.
Обсудим последние два недостатка подробно. При радиолизе выделяются кислород и водород по схеме
2Н2O↔2Н2+О2.
В результате, если не принять соответствующих мер, может образовать ся гремучая смесь. Кроме того, образующийся кислород окисляет акти вированные в активной зоне конструкционные материалы и может выно сить их за пределы активной зоны.
На кислороде и водороде происходят следующие ядерные реакции с образованием радиоактивных изотопов: