Назначение, состав и устройство комплекса кассет и его составных частей

Комплекс ТВС реактора ВВЭР-1000 предназначен для генерирования тепловой энергии, обеспечения теплосъема и управления процессом энерговыделения в активной зоне реактора. Комплекс ТВС, в общем случае, представляет собой совокупность различных кассет, ПС СУЗ и пучков СВП, предназначенных для выполнения в активной зоне реактора взаимосвязанных эксплуатационных функций.

Тепловыделяющая сборка предназначена для генерирования тепловой энергии и передачи ее потоку теплоносителя в активной зоне реактора. ТВС осуществляет дистанционирование тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), формирует поток теплоносителя вблизи элементов, обеспечивая необходимое охлаждение. ТВС обеспечивает механическую целостность сборки ТВЭЛов, препятствует возникновению и распространению локальной аварии, связанной с уменьшением потока теплоносителя в отдельные ячейки и разрушением части ТВЭЛов.

Общий вид ТВС реактора ВВЭР-1000 проекта В-320 представлен на рисунке 2.16.

В состав кассеты входят:

· головка;

· 18 каналов (направляющих);

· труба центральная;

· 312 ТВЭЛов;

· 15 дистанционирующих решеток;

· решетка нижняя;

· хвостовик;

· 21 шплинт.

Рис. 2.15. Картограмма активной зоны реактора

1 – головка; 2 – направляющий канал (18 шт.); 3 – труба центральная; 4 – элемент тепловыделяющий; 5 – решетка дистнционирующая (15 шт.); 6 – решетка нижняя; 7 – хвостовик

Рис. 2.16. Тепловыделяющая сборка

Головка обеспечивает взаимодействие кассеты с плитой БЗТ реактора и представляет собой конструкцию, в состав которой входят:

- обечайка верхняя;

- обечайка нижняя;

- шток;

- 3 болта;

- 16 пружин;

- шайба.

Общий вид головки приведен на следующем рисунке:

1 – обечайка верхняя; 2 – обечайка нижняя; 3 – шток;

4 – болт (3 шт.); 5 – пружина (16 шт.); 6 –шайба

Рис. 2.17. Головка ТВС

Верхняя обечайка представляет собой трубу, на наружной поверхности которой имеются два ребра, а внутренний объем разделен плитой на две полости. Одна полость предназначена для размещения головки ПС СУЗ или пучка СВП. В другой полости расположены пружины.

Труба обеспечивает взаимодействие головки кассеты с гнездом в плите БЗТ, а с помощью ребер осуществляется взаимодействие кассеты с транспортно-технологическим оборудованием и ориентация ее в реакторе.

Плита имеет отверстия для прохода втулки штока, труб нижней обечайки, болтов и служит упором для пружин и втулки штока.

Нижняя обечайка представляет собой полый усеченный конус с плитами в обоих основаниях, через которые проходят трубы. Конус и плита в нижнем основании имеют отверстия для протока теплоносителя и служат для защиты ТВЭЛов от механических повреждений при перегрузках кассет в активной зоне, а также для стабилизации потока теплоносителя на выходе из кассеты. Плита в верхнем основании конуса имеет резьбовые отверстия для болтов и служит опорой для пружин. Трубы закреплены с помощью сварки в нижнем основании конуса и используются в качестве направляющих для пружин, а также в качестве связующих элементов головки с каналами.

Шток представляет собой сварную конструкцию из втулки и трубы. Втулка служит упором для пружины и воспринимает нагрузки от удара ПС СУЗ со штангой привода при срабатывании аварийной защиты реактора. Труба является направляющей для пружины и для датчика замера энерговыделения при его установке в центральную трубу кассеты. Болты связывают части головки в единую конструкцию.

Пружины выполняют следующие функции:

- обеспечивают необходимое усилие для удержания кассет от всплытия в активной зоне;

- компенсируют допуска и разность температурных расширений элементов кассеты и внутрикорпусных устройств реактора;

- компенсируют динамические нагрузки на кассету при аварийных ситуациях разуплотнения первого контура реактора;

- компенсируют динамические нагрузки на поглощающие элементы ПС СУЗ при срабатывании аварийной защиты реактора.

Шайба предназначена для стопорения болтов. Головка крепится к каналам с помощью сварки и образует с ними неразъемное соединение.

Канал (направляющий) является несущим элементом конструкции кассеты и состоит из трубы и наконечника. Общий вид канала представлен на следующем рисунке:

1 – труба; 2 – наконечник

Рис. 2.18. Направляющий канал

Труба обеспечивает условия для прохождения ПС СУЗ и пучка СВП внутри пучка ТВЭЛов. Наконечник имеет выступ, которым канал крепится с помощью сварки в нижней решетке и калиброванные отверстия для протока теплоносителя, которые позволяют:

- организовать надежное охлаждение ПС СУЗ и пучка СВП;

- обеспечить приемлемую скорость и время падения ПС СУЗ при срабатывании аварийной защиты реактора;

- исключить попадание в канал вместе с теплоносителем посторонних частиц, способных воспрепятствовать падению ПС СУЗ.

Центральная труба используется в качестве канала для размещения в активной зоне реактора датчиков замера энерговыделения. Конструкция центральной трубы имеет следующий вид, представленный на рис. 2.19.

1 – труба; 2 – наконечник

Рис. 2.19. Труба центральная

Центральная труба состоит из наконечника и собственно трубы, соединенных между собой с помощью вальцовки.

Наконечник предназначен для крепления центральной трубы к нижней решетке и имеет калиброванные отверстия для протока теплоносителя.

Труба имеет пазы для фиксации положения дистанционирующих решеток.

ТВЭЛ предназначен для генерирования тепловой, энергии и передачи ее теплоносителю. Общий вид ТВЭЛа, применяемого в кассете, показан на рисунке 2.20.

1 – заглушка верхняя; 2 – оболочка; 3 – фиксатор;

4 – топливная таблетка; 5 – заглушка нижняя

Рис. 2.20. Тепловыделяющий элемент реактора ВВЭР-1000

ТВЭЛ представляет собой оболочку, герметизированную с обоих концов с помощью заглушек и сварки. Внутренний объем оболочки заполнен топливными таблетками из двуокиси урана и гелием под давлением. Столб топливных таблеток зафиксирован от перемещений двумя фиксаторами, представляющими собой цилиндрические пружинные втулки. Над столбом топливных таблеток имеется свободный объем, используемый в качестве газосборника для газообразных продуктов деления, выделяющихся в процессе эксплуатации.

Работа ТВЭЛов характеризуется весьма высокими тепловыми нагрузками (примерно 450 Вт/см) и значительными температурными перепадами по поперечному сечению топлива, которые могут составлять несколько сотен градусов.

Топливные таблетки имеют центральное осевое отверстие для снижения средней объемной температуры топлива и увеличения объема газосборника. Более подробно конструкция топливной таблетки показана на следующем рисунке внизу слева:

Несмотря на то, что при делении урана образуется много радиоактивных продуктов, диоксид урана при нормальных рабочих температурах удерживает более 98 % этих продуктов. Около 1 - 2 % продуктов, в основном газообразные и летучие - криптон (Kr), ксенон (Xe) и йод (I), диффундируют в газовый объем между топливной композицией и оболочкой, при этом герметичная оболочка препятствует их выходу в теплоноситель.

Поведение топлива как "барьера", удерживающего продукты деления, зависит от температуры и степени выгорания. При температурах ниже 1000°С диоксид урана удерживает всё, даже газовые продукты деления. С ростом температуры и выгорания картина существенно меняется. Продукты деления становятся более подвижными.

При температуре выше 1600°С большая доза газов выходит из топлива под оболочку, заметно возрастает также выход йода и других летучих нуклидов. Чтобы топливо выполняло свои "барьерные" функции, важно, чтобы взаимодействие топлива с теплоносителем было минимальным. Один из важнейших критериев, характеризующих условия работы топливной композиции, - это достижение температуры плавления. Этот параметр особенно важен при быстром повышении мощности, когда температура оболочки повышается еще незначительно. Плавление топлива должно рассматриваться как потеря барьерных функций не только топливом, но и ТВЭЛом в целом.

Оболочка обеспечивает передачу тепла от топливных таблеток к теплоносителю и сохранность формы ТВЭЛа в процессе эксплуатации, а также исключает контакт топливных таблеток и продуктов деления с окружающей средой.

Наличие гелия под оболочкой способствует сохранению формы ТВЭЛа при эксплуатации и обеспечивает надежную передачу тепла от топливных таблеток к оболочке. Основное требование к оболочке состоит в обеспечении прочности и герметичности во всем спектре нормальных и аварийных воздействий в течение многолетнего "жизненного цикла" и радиационную стойкость при длительном облучении. Герметичность оболочек должна сохраняться в течении всего срока работы ТВЭЛа и последующего хранения отработавшего топлива. В процессе "жизненного цикла" оболочка ТВЭЛа подвергается воздействию совокупности факторов, создающих сложные условия работы оболочки. Это коррозионное и силовое воздействие как со стороны теплоносителя, так и со стороны топлива, термоциклирование при изменениях режимов работы (пуск, остановка, маневрирование), радиационное охрупчивание при облучении потоком быстрых нейтронов, наконец, перегревы в аварийных ситуациях. При "распухании" топлива, а также под действием выходящих под оболочку газовых и летучих продуктов деления увеличиваются нагрузки, действующие изнутри на оболочку ТВЭЛов.

Для материалов оболочек первостепенное значение имеют следующие свойства: радиационное упрочнение, охрупчивание, распухание, радиационная ползучесть, коррозионная стойкость. При медленном увеличении мощности или уменьшении расхода теплоносителя через реактор основным параметром, характеризующим целостность ТВЭЛа, будет температура оболочки. Разрушение оболочки начинается, когда напряжения превышают предел прочности, определяемый в зависимости от температуры. При определении максимально допустимых значений параметров, характеризующих состояние активной зоны., в первую очередь должны рассматриваться оболочки ТВЭЛов, от состояния которых во многом зависит развитие аварийного процесса. Предельно допустимые значения параметров устанавливаются на основе экспериментальных данных по поведению оболочки и ТВЭЛов в целом в стационарных и переходных режимах.

Допустимые пределы повреждения ТВЭЛов при нормальной эксплуатации для ВВЭР следующие:

- число ТВЭЛов с микродефектами не должно превышать 0.2-1%,

- число ТВЭЛов с прямым контактом топлива и теплоносителя не должно превышать 0.02-0.1% общего количества ТВЭЛов в активной зоне.

В сложных аварийных условиях допускается превышение проектного предела повреждения ТВЭЛов для нормальной эксплуатации. Максимальный проектный предел повреждения ТВЭЛов для ВВЭР обусловлен ограничением развития пароциркониевой реакции:

- температура оболочек ТВЭЛов не более 1200˚С;

- локальная глубина окисления оболочек ТВЭЛов не более 18 % от первоначальной толщины стенки;

- доля прореагировавшего циркония не более 1 % его массы в оболочках ТВЭЛов.

В процессе эксплуатации осуществляется непрерывный контроль за состоянием оболочек ТВЭЛов, целостность которых является важнейшим условием обеспечения безопасности. Состояние оболочек оценивается системой контроля герметичности оболочек (системой КГО). Для обеспечения целостности первого основного барьера безопасности необходимо поддержание заданного температурного режима работы ТВЭЛов и предотвращение механического и коррозионного воздействий на оболочку, выходящих за допустимые по условиям прочности пределы.

Нижняя заглушка позволяет закреплять ТВЭЛ в нижней решетке.

Дистанционирующая решетка служит для обеспечения заданного расположения ТВЭЛов в кассете и представляет собой сварную конструкцию из обода, ячеек и центральной втулки. Общий вид дистанционирующей решетки, примененной в кассете, показан на рисунке 2.21.

1 – обод; 2 – ячейка типа 1; 3 – ячейка типа 2; 4 – втулка

Рис. 2.21. Дистанционирующая решетка

Рис. 2.22. Нижняя решетка ТВС

Следующим элементом рассматриваемой конструкции является хвостовик, который обеспечивает взаимодействие кассеты с опорным стаканом в днище шахты реактора и состоит из корпуса, системы ребер, соединенных с помощью сварки между собой и с корпусом, а также фиксатора. Общий вид хвостовика, примененного в кассете, приведен на очередном рисунке 2.23.

1 – корпус; 2 – ребро; 3, 4, 5 – ребро; 5 – фиксатор

Рис. 2.23.Хвостовик ТВС

Корпус имеет внутри полость, через которую подводится теплоноситель, а снаружи - сферу, переходящую в цилиндр. Сферой хвостовик опирается на коническую часть опорного стакана, а цилиндром взаимодействует с его цилиндром, удерживая кассету в вертикальном положении в активной зоне.

Ребра служат опорой для нижней решетки. Фиксатор хвостовика предназначен для ориентации кассеты в реакторе. Шплинтпредставляет собой отрезок проволоки и служит для крепления ТВЭЛов в кассете.

Данная ТВС имеет несколько вариантов исполнения, различающихся между собой схемой размещения ТВЭЛов в поперечном сечении кассеты и степенью обогащения топлива по ²³⁵U.