Твэлы и ТВС — устройство ядерного топлива

Твэл и ТВС — базовые элементы активной зоны ядерного реактора. В них находится ядерное топливо, где выделяется тепло при делении ядер урана или плутония.

Если кратко:

• твэл — тепловыделяющий элемент, отдельная герметичная трубка с топливными таблетками;
• ТВС — тепловыделяющая сборка, пучок твэлов, объединённых в одну конструкцию.

Именно из ТВС собирают активную зону энергетического реактора.

Что такое твэл

Твэл — это металлическая трубка, внутри которой находятся керамические таблетки ядерного топлива. Во время работы реактора в таблетках идёт деление ядер, выделяется тепло, а оболочка передаёт это тепло теплоносителю.

Типичный твэл состоит из:

• топливных таблеток;
• металлической оболочки;
• газового зазора;
• внутреннего газа;
• концевых заглушек;
• иногда пружины или фиксатора топливного столба.

Главная задача твэла — удерживать топливо и продукты деления внутри, а тепло безопасно передавать наружу.

Топливные таблетки

В большинстве энергетических реакторов используют таблетки диоксида урана:

``text UO2 ``

Это керамический материал. Он устойчив при высокой температуре и хорошо удерживает многие продукты деления.

Таблетки имеют цилиндрическую форму. Их спекают из порошка, шлифуют до нужного размера и загружают в оболочку твэла.

Преимущества диоксида урана:

• высокая температура плавления;
• химическая стабильность;
• радиационная стойкость;
• способность удерживать продукты деления;
• развитая технология производства.

Недостаток — сравнительно низкая теплопроводность. Поэтому температура в центре таблетки может быть намного выше, чем на её поверхности.

Обогащение топлива

Для реакторов ВВЭР используют уран, обогащённый по урану-235. Типичные значения зависят от проекта и топливной кампании, но обычно это несколько процентов.

Обогащение нужно, потому что в природном уране урана-235 мало — около 0,7%. Для устойчивой работы теплового реактора этого недостаточно.

Чем выше обогащение и грамотнее схема загрузки, тем дольше топливо может работать в реакторе.

Оболочка твэла

Оболочка отделяет топливо и продукты деления от теплоносителя. В водо-водяных реакторах для оболочек широко используют циркониевые сплавы.

Почему именно цирконий:

• малое поглощение нейтронов;
• хорошая коррозионная стойкость в воде;
• достаточная механическая прочность;
• работоспособность при высоких температурах;
• совместимость с урановым топливом.

Оболочка — один из главных барьеров безопасности. Пока она герметична, продукты деления остаются внутри твэла.

Газовый зазор и гелий

Между топливной таблеткой и оболочкой есть небольшой зазор. Его заполняют газом, обычно гелием.

Гелий нужен потому что:

• хорошо проводит тепло;
• химически инертен;
• помогает передавать тепло от таблетки к оболочке;
• создаёт контролируемые условия внутри твэла.

По мере работы топлива таблетки могут растрескиваться, разбухать, менять форму, а газовый зазор меняется. Это учитывают в расчётах поведения топлива.

Продукты деления внутри твэла

При делении урана образуются продукты деления. Часть из них остаётся в керамической матрице топлива, часть может выходить в газовый зазор.

Особенно важны газообразные продукты деления:

• ксенон;
• криптон.

Они увеличивают внутреннее давление в твэле. Поэтому при проектировании учитывают газовыделение, прочность оболочки и допустимое давление.

Что такое ТВС

ТВС — тепловыделяющая сборка. Это конструкция, которая объединяет множество твэлов в один модуль.

В ТВС входят:

• пучок твэлов;
• дистанционирующие решётки;
• направляющие каналы;
• головка;
• хвостовик;
• элементы крепления;
• иногда каналы для органов регулирования.

ТВС нужна, чтобы топливо можно было удобно загружать, выгружать, охлаждать и удерживать в правильной геометрии.

ТВС реактора ВВЭР

В реакторах ВВЭР топливные сборки имеют характерную шестигранную форму. Это связано с компоновкой активной зоны и плотной упаковкой сборок.

Внутри ТВС находятся сотни твэлов. Точное число зависит от типа реактора и конструкции топлива.

Например, для ВВЭР-1000 типична ТВС с сотнями твэлов, дистанционирующими решётками и направляющими каналами для органов регулирования.

Дистанционирующие решётки

Дистанционирующие решётки удерживают твэлы на нужном расстоянии друг от друга. Они выполняют несколько функций:

• сохраняют геометрию пучка;
• предотвращают соприкосновение твэлов;
• уменьшают вибрации;
• улучшают перемешивание теплоносителя;
• помогают равномерно отводить тепло.

Геометрия решёток влияет на гидравлическое сопротивление и теплообмен.

Направляющие каналы

В некоторых каналах ТВС проходят регулирующие стержни или элементы системы управления и защиты. Эти каналы должны обеспечивать свободное перемещение поглотителей.

Для безопасности важно, чтобы органы аварийной защиты могли войти в активную зону при любых допустимых условиях.

Как тепло уходит из топлива

Путь тепла такой:

``text топливная таблетка -> газовый зазор -> оболочка твэла -> теплоноситель ``

Внутри таблетки тепло выделяется по объёму. Затем оно проходит через материал топлива, газовый зазор и оболочку. После этого тепло забирает поток воды.

Именно поэтому в расчётах важны:

• теплопроводность топлива;
• линейная тепловая нагрузка;
• температура оболочки;
• коэффициент теплоотдачи;
• расход теплоносителя;
• запас до кризиса теплообмена.

Что такое линейная нагрузка твэла

Линейная тепловая нагрузка показывает, сколько тепла выделяется на одном метре длины твэла:

``text q_l = Q_твэл / L ``

где:

• q_l — линейная нагрузка;
• Q_твэл — мощность твэла;
• L — активная длина.

Этот параметр напрямую связан с температурой топлива. Чем выше линейная нагрузка, тем выше температура в центре таблетки.

Требования к ядерному топливу

Ядерное топливо должно:

• эффективно выделять тепло;
• сохранять форму и прочность;
• удерживать продукты деления;
• не разрушаться при облучении;
• быть совместимым с оболочкой;
• выдерживать температурные и механические нагрузки;
• безопасно работать до заданного выгорания.

Топливо проектируют с запасами по температуре, давлению, коррозии, деформации и радиационному повреждению.

Выгорание топлива

Выгорание показывает, сколько энергии получено из единицы массы топлива. Обычно его выражают в:

``text МВт·сут/кгU ``

По мере выгорания:

• уменьшается количество урана-235;
• образуется плутоний;
• накапливаются продукты деления;
• меняется реактивность;
• меняются тепловые и механические свойства топлива.

Когда топливо достигает заданного выгорания, ТВС выгружают из активной зоны.

Почему ТВС перегружают не все сразу

На многих АЭС топливо заменяют частями. Обычно за перегрузку выгружают только часть ТВС, а остальные остаются работать дальше.

Это позволяет:

• эффективнее использовать топливо;
• поддерживать нужное распределение мощности;
• управлять запасом реактивности;
• снизить стоимость топливной кампании.

Свежие, частично выгоревшие и более выгоревшие сборки размещают по определённой схеме.

Что происходит с ТВС после реактора

После выгрузки ТВС становится отработавшим ядерным топливом. Оно продолжает выделять остаточное тепло и остаётся радиоактивным.

Сначала сборки помещают в бассейн выдержки. Вода охлаждает топливо и защищает от излучения. После выдержки ТВС могут отправить на сухое хранение или переработку.

Чем твэл отличается от ТВС

Коротко:

``text твэл = одна топливная трубка ТВС = сборка из многих твэлов активная зона = множество ТВС ``

Твэл — минимальный элемент, где находится топливо. ТВС — конструктивный модуль, с которым работают при загрузке и выгрузке реактора.

Коротко

Твэл — это герметичная трубка с топливными таблетками. ТВС — пучок твэлов, собранных в единую конструкцию для загрузки в реактор.

Главная задача топлива — выделять тепло и удерживать радиоактивные продукты деления внутри установленных барьеров. Поэтому устройство твэла и ТВС напрямую связано с тепловым расчётом, нейтронной физикой, материаловедением и безопасностью АЭС.