Ядерные энергетические реакторы

t max t			А cos П		cos	Пh			Пh
							о В sin		о .
ст		вх		H			H		H
Данное уравнение является расчетной зависимостью для определения
максимальной температуры оболочки ТВЭЛ со стороны теплоносителя.
Значение температуры Т'стmax необходимо сравнивать с температурой
кипения воды при выбранном давлении в первом контуре:									У
				max					Т
				tст	t I tпк ,
где величину tпк 8 с называют допустимым перепадом температуры
стенки оболочки на	пристеночное			кипение.			При tпк		8 с возможно

пристеночное кипение, которое может вызвать рост гидравлического

сопротивления канала и снижение расхода, а следовательноН, возможен перегрев

оболочки ТВЭЛ.

й

Если же t'стmax < t'I, то это указывает наБто, что мощность реактора

может быть больше. Если значение t'стmax

не отвечает рекомендации пересчета,

р

режим теплоотдачи производить не следует. Надо ограничиться только оценкой

полученной величины.

со

ст

Определение температу ыболочки ТВЭЛ со стороны горючего

стенки

rст

Температура

стороны

горючего

определяется в

соответствии с условиями епл пр в дн сти для цилиндрической стенки

и

qh

2П

t

ст tст ,

ln

о

rст

топлива

где λст – к эффициентз

теплопроводности материала оболочки;

е

r'ст, r''ст – наружный и внутренний радиусы оболочки.

Можно получить следующую зависимость для температуры ТВЭЛ со

стороны

П

Пh

Пh

,

А cos

cos

tст tвх

H

В

В sin

H

H

где

Р

max

rст

В

qh

ln

,

2П ст

rст

201

Максимальная температура оболочки со стороны горючего устанавливается в сечении с координатой h''о, которая находится из решения

dt

уравнения (4.44) на максимум (полагая

ст

0 ).

dh

Н

A

arcctg

h о

П

B

. У

B

Таким образом

max

П

Пh

В sin

Пh

tвх А cos

cos

о

о

tст

H

H

В

H

Т

Увеличение

температуры

стенки

ТВЭЛ со стороны

горючего по

Н

сравнению с (t'ст) температурой стенки со стороны теплоносителя для тонких

оболочек составляет небольшую величину, однакоБпри больших тепловых потоках и малой теплопроводности материала оболочки эта разность может достигать нескольких десятков градусов.

Значение максимальной температуры оболочки со стороны горючего

й

должно быть ниже допустимой темпе атуры, которая обусловливается

термической

стойкостью

мате иала

болочки

,

совместимостью

материала

р

оболочки с горючим и другими факт

ами. Таким образом должно соблюдаться

max

доп

д пустимой

температуры материала

оболочки

условие: tст

tмат .

о

доп

600

о

С ).

приводится в нормат вной л ера уре (например, для стали tмат

т

Определение температуры горючего

Расчет температуры горючего (топливного стержня ТВЭЛ)

Значение

з

о

производится при решении уравнения теплопроводности с внутренними

источниками те л ты.

Для стержневого ТВЭЛ это уравнение записывается в виде:

п

2

2

t

1

t

qv

е

t

0 ,

Z2

r r

Z2

г

Р

где r – текущий радиус стержня;

qv – объемное удельное тепловыделение, кДж/м3·с;

λr – коэффициент теплопроводности горючего (υO2), кДж/м·c·К;

202

	Пренебрегая теплопроводностью горючего вдоль стержня (	t	0 ); в
		r

результате решения уравнения, температура горючего по оси стержня при текущей координате h будет равна:

П

Пh

Пh

У

t r tвх А cos

cos

В В

H

H

Д sin

H

,

где

Т

q

max

r

2

q

max

v

h

Д

ст

г

4П г

Б

Из этого следует, что температура горючего по длине ТВЭЛ является

переменной величиной. Для нахождения максимальной температурыН

горючего

Т

max

й

г

необходимо найти координату h о

соответствующей этой температуре.

dtг

и

Полагая

0 из (4.49) получ м

dh

р

Н

А

arcctg

.

ho

т

В В Д

П

Подставляя h

в равенсво, получим

о

з

2

мой

max и

П

cos

Пhо

Д sin

Пhо .

tг

tвх А cos

H

H

В В

H

п

Значение Тгmax должно быть

ниже

допустимой

температуры для

е

рассматрива

топливной композиции (υO ).

Р

t max

t доп .

г

г

Оценка критической тепловой нагрузки.

При

охлаждении реактора

не

кипящей

водой, в

случае

больших

тепловых нагрузок, возможно парообразование у стенок ТВЭЛ, которое может перейти в пленочное кипение. Это явление получило название кипения первого рода.

203

Тепловую нагрузку, при которой происходит переход пузырькового кипения в пленочное, называют критической тепловой нагрузкой первого рода и обозначают qкр.

Надежный отвод теплоты по этому параметру считается обеспеченным тогда, когда при действительной тепловой нагрузке соблюдается условие

q

Т

кр

2,

q

max

У

q

max

q

max

h

,

Пd

Б

где d – диаметр ТВЭЛ, м.

qкр (Вт/м2) – критическая тепловая нагрузка, которуюНв условиях движения

й

недогретой до температуры кипения воды можно определить по формуле:

и

q

0,65 106

w 0,2

1,3

4,6 10 2 1 X 1,2 ,

кр

р

р – давление, МПа;

тепловая

где: qкр – критическая

наг узка, Вт/м2;

w – массовая скорость, кг/м2·с;

т

3

– плотность, кг/м ;

и

з

Х – паросодержан е, ко орое определяется по формуле:

.

Х 0,39 0,16р 2,12 10

р

0,72

р

w 10

о

2

2

3

3

3 0.5

п

е

Р

204

СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Эффективные сечения урана и плутония

Таблица 1

σа, б

σf, б

σs, б

ν, нейтр/дел

U233

У

581±7

527±4

-

2,51

U235

694±8

582±6

10±2

2,47±0,03

U 238

Т

2,71±0,02

-

11,2±0,8

-

Рu239

1026±13

746±8

9,6±0,5

2,9±0,04

Характеристики замедлителей

Н

Б

Таблица 2

Свойства

Н2О

Д2О

Ве

ВеО

С

й

Атомный вес

18

20

9

25

12

Плотность, г/см3

1,0

1,1

1,84

2,8

1,6

Число атомов, ат/см3

3,35·10

3,38·1022

1,2·1023

6,75·1022

8,05·1022

22

р

Сечение захвата σа, барн

0,66

0,92·10-3

10·10-3

9,2·10-3

3,2·10-3

о

и15

Сечение рассеивания, σs,

110

7±1

11,1

4,8±0,2

барн

т

Коэффициент замедления

72

12000

159

180

173

Длина диффузии, м

2,88·10

100·10-2

23,6·10-2

30·10-2

50·10-2

з

-2

Возраст нейтронов, см2

30,4

120±5

95±2

105±10

361±3

о

Макроскопическ е

и22·10-3

85·10-6

1,1·10-3

6·10-4

0,37·10-3

п

сечение захвата а, см-1

Микроско ическ е

1,64

0,35

0,74

1,65

0,39

с ч

расс ивания s,

см-1

ние

Характеристики конструкционных материалов

Р

Таблица 3

Характеристика

Al

Zr

Fe

C

Плотность, г/см3

2,7

6,5

7,85

1,7

Сечение поглощения σа, барн

230

180

2530

3,4

Сечение рассеивания, σs, барн

1,4

8

2,3

4,8

Коэффициент теплопроводности

220

14,5

44,5

130

205

Окончание табл. 3

Теплоемкость Ср, кДж/кг·К	0,871	0,293	0,48	0,72
Температура плавления, оС	933	2123	1450	3650

		Циркониевые сплавы используются в качестве материалов оболочек
	ТВЭЛов из-за их хороших ядерных, физических и механических характеристик.
																													У
	Были разработаны два циркониевых сплава, мало отличающихся друг от друга:
	Циркалой – 2 и Циркалой – 4.																										Т
																													Таблица 4
		Тип															Массовое содержание, %
																								Н
		сплава							Zn						Sn						Fe			Gr					Ni
	Циркалой-2							98,23							1,5					0,12				0,1					0,05
																							Б
	Циркалой-4								98,2						1,5					0,2				0,1					-
																				й
									Теплофизические сво ства циркалой-4
																													Таблица 5
				Пл-ть ,					, Вт/Вт·К							Ср
		Тем-ра,															,			Тем-ра фазового						Тем-ра плавления
		оС				кг/м3									кДж/кг·К						перехода, оС								оС
														о					и800-950
		21				6580					14,1						0,293												1845
											т
		93				-					14,5						0,306					-							-
		204				-					15,4						0,323					-							-
									фи
		427				-					17,3						0,356					-							-
									з
							Тепл					ические свойства ядерного горючего
			п																										Таблица 9
		t, оС				о					λ, Вт/м·К													Ср,кДж/кг·К
						U						UО2					UС2					U				UО2			UС2
	0					19,2							-				-					113,0					-		-
	100					20,3							-				25,1					124,3					-		154,8
		е
		200				23,3							8,0				23,5					133,9			280,0				169,9
	300					24,2							6,9				22,6					143,9			288,7				173,6
	Р
	400					25,8							5,8				22,1					154,8			297,1				179,5
	500							-					5,1				22,6					164,0			309,6				186,2
	600							-					4,2				23,8					188,7			313,8				192,5
	700							-					4,3				25,1					152,3			317,2				199,2
	1000							-					3,9				-					-			326,3				-
																	206

Основные характеристики реактора типа ВВЭР

											Таблица 10
	Характеристика						ВВЭР-				ВВЭР-1000
							400
	Мощность, МВТ, электрическая						440				1000
	Мощность, МВТ, тепловая						1375				3000
											У
	Диаметр корпуса, Двн, м						3,56				3,91
	Толщина корпуса, мм						140				190
										Т
	Высота корпуса (без) крышки), м						11,8				10,8
	Диаметр патрубков, мм						500				850
	Число петель						6	Н				4
	Диаметр активной зоны, м						2,88				3,6
						Б
	Высота активной зоны, м						2,5				3,5
	Средняя энергонапряженность топлива, кВт/кг						33				46,5
	Загрузка урана, т				й		42				80
	Давление в I контуре, МПа						12,5				16,23
	Расход теплоносителя, т/с						8,29				16,23
			р
	Температура теплоносителя на входе,			оК			544				563
	Температура теплоносителя на выходе, оК						573				595
				и
	Размер кассеты под «ключ», мм						144				238
	т
	Шаг расположения кассет						147				241
	Форма тепловыделяющей сб рки							шестигранная
		о
	Диаметр топливной табле	, мм					7,6				7,6
	Размер оболочки ТВЭЛ, мм						9,1				9,1
	о
	Материал таблетки						υО2				υО2
	ки
	Толщина б л чки ТВЭЛ, мм						0,6				0,7
	п
	Материал б лзчки						циркониевый сплав
	Толщина стенки кассет, мм						1,5				1,5
	Эффективная добавка, см						8					8
	Число сборок						349				163
Р
	Число ТВЭЛ в кассете						126				317
	Обогащ ние урана Х5, %						3,5				3,3
	Шаг размещения ТВЭЛов, мм						12,2				12,75
	Давление пара 2-го контура, МПа						4,6				6,0
	Температура насыщенного пара, оК						529				549

207

Основные характеристики реакторов типа РБМК

										Таблица 11
		Характеристика						РБМК-1000		РБМК-1500
		1						2			3
	Мощность, МВТ, электрическая							1000			1500
	Мощность, МВТ, тепловая							3200			4800
										У
	КПД, %							31,3			31,3
	Температура теплоносителя на выходе из реактора,							557	Т		557
	К
	Температура теплоносителя на входе в реактор, К							543			543
	Расход теплоносителя через активную зону, м3/с							Н
								10,4 (37500)		8,9 (32000)
	(м3/ч)
								Б
	Среднее массовое расходное паросодержание на							14,5			30
	выходе из испарительных каналов, %
						й
	Паропроизводительность реактора, кг/с (Т/ч)							1560 (5600)		2450 (8800)
	Давление пера в сепараторах, МПа							6,9			6,9
	Давление пара перед турбиной, МПа							6,4			6,4
	Температура пара перед турбиной, К							553			553
	Размеры активной зоны:		о		и
	- высота, м							7			7
		т		р
	- эквивалентный диаметр, м							11,8			11,8
	Объем активной зоны, м3							760			760
	Объем активной зоны как сумма активных объемов							66,4			6,5
		з
	всех технологическ х каналов Ду = 80 мм и h = 700
	мм
	и
	Число техн л гических (рабочих) каналов, шт.							1693			1661
	п
	Число канал в СУЗ, шт.							179			235
	Число ТВС в техн л гическом канале, шт.							2			2
	о
	Число ТВЭЛ в ТВС, шт.							18			18
	Диам тр (толщина) оболочки ТВЭЛ в							13,6 (0,9)		13,6 (0,9)
	испарит льном канале, мм
	Материал
	оболочки							циркониевый сплав
	Максимальная мощность технологического							3000			4500
Риспарительного канала, кВт
	Коэффициенты неравномерности, тепловыделения:
	- по радиусу реактора							1,2 1,33			1,4
	- по высоте							1,25 1,35			1,4
						208

	Суммарная площадь теплопередающей									9070			8850
	поверхности, м2
	Средние удельные тепловые потоки на единицу									350			540
	поверхности ТВЭЛ в испарительном канале, кВт/ м
	Средняя удельная объемная:											У
	- мощность активной зоны, мВт/м3
										48			74
	- загрузка урана, т									192			189
	Среднее обогащение (стационарная загрузка), %									1,8	Т		1,8
	Число циркуляционных петель, шт.									2			2
										Н
	Число ГЦН, шт.									8			8
	Число барабан-сеператоров, шт.									4			4
									Б
	Паропроизводительность барабан-сеператоров									1450			1450
							й
						и
					р
				о
				т
				и
				з
			о
		п
	е
Р

209

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ

Экзамен проходит в устной форме ответа на вопросы билета. Билетов

30, в каждом по три вопроса из списка:

1.

Изменение состава топлива в течение кампании

2.

Шлаки и яды

У

3.

Влияние стержня на нейтронный поток

4.

Эффективный радиус стержня

Т

5.

Коэффициенты реактивности

6.

Водоурановое отношение

Н

7.

Тесная решетка

8.

Основные нейтронно-физические особенности ВВЭР

9.

Баланс нейтронов в ВВЭР

Б

10.Формула четырех сомножителей

й

11.Компенсация реактивности

12.Борное регулирование

и

13.Основные эффекты реактивности, компенсируемые СУЗ

14.Иодная яма

15.Неравномерность выго ания топл ва

16.Глубина выгорания

топлива

17.Повышение равн мерн сти выго ания топлива

21.Размножен е набыстрых

нейтронах

18.Решетка и ячейка

р

и

19.Гомогенизация

20.Физическ

е особеннос и гетерогенного реактора

з

22.

Резонансное

поглощение

23.Описание ст лкновения нейтрона с ядром

24.Микр ск пическое сечение реакции

е

25.Макроскопическое сечение реакции

Р

26.Коэффициент размножения в бесконечной среде

п27.Диффузия нейтронов

28.Т пловые нейтроны

29.Замедление нейтронов

30.Групповые диффузионные уравнения

31.Выбор количества групп

32.Четырехгрупповой метод

33.Утечка нейтронов

34.Реактор с отражателем

35.Многозонный реактор

210