Топлива помещенного в твэл

Как уже упоминалось, при рассмотрении способов теплообмена, чем больше разность температур между горячей и холодной точками, тем больше тепловой поток. Однако температуру нельзя поднимать до бесконечности, максимальная температура таблетки топлива ограничена температурой плавления, для UO₂ она составляет приблизительно 1800°С. Для оболочки твэла из циркония, максимальная температура составляет 320–350°С. При большей температуре ухудшаются его прочностные характеристики, повышается его коррозия в воде до недопустимых значений (доля прореагировавшего циркония должна быть не более 1 % от его массы в АЗ). Также необходимо учитывать ограничение температуры внешней поверхности оболочки для создания запаса до кризиса теплообмена. В процессе эксплуатации реактора необходимо не допускать превышение предельных температур, поскольку возможное в этом случае разрушение твэла, ведет к выходу сильно радиоактивных продуктов деления в теплоноситель и их переносу по трубопроводам в другие элементы ЯУ.

Распределение температуры в канале с тепловыделением. Топливо в реакторе находится внутри тепловыделяющих элементов, которые как правило, собраны в конструкцию, называемую тепловыделяющей сборкой (ТВС). Твэлы или ТВС размещаются в канале, через который прокачивается теплоноситель.

Для того, чтобы оценить значения температур теплоносителя, оболочки твэла, топлива и др., необходимо знать, как изменяется температура теплоносителя вдоль канала. Рассмотрим канал, внутри которого расположен твэл (рис. 7.2). Дифференциальное уравнение баланса тепла для элемента канала длиной dz для случая охлаждения однофазным потоком имеет вид: q_l×(z)dz = G×C_p×dt, здесь q_l – тепловой поток на единицу длины твэла, Вт/м², G – массовый расход теплоносителя через канал, кг/с, Сp – теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг×К), которую полагаем постоянной. Выражение для средней температуры теплоносителя выглядит следующим образом:

(7.4)

Проинтегрировав это выражение получим и учтя, что:

, (7.5, 7.6)

получим:

(7.7)

Если температура в канале достигает температуры насыщения и начинается кипение, то в дальнейшем температура теплоносителя остается практически постоянной и равной температуре насыщения t_s. Некоторый спад t_s к выходу происходит за счет падения давления вдоль канала.

Рассмотрим распределение температуры в цилиндрическом твэле (рис. 7.2). Перепад температуры между поверхностью оболочки твэла и теплоносителем составит:

, (7.8)

где a - коэффициент теплообмена, Вт/(м²×К), П_см – периметр оболочки твэла. Таким образом, температура наружной поверхности оболочки твэла равна:

(7.9)

В первом приближении перепад температур в оболочке твэла и газовом зазоре составит:

, (7.10)

, (7.11)

Здесь: d_об – толщина оболочки твэла; d_з – толщина газового зазора; l_об – теплопроводность материала оболочки твэла; l_з – теплопроводность газа в зазоре.

Перепад температуры в топливе цилиндрического твэла радиуса R с постоянной по сечению теплопроводностью может быть оценен по соотношению:

, где q_V – Вт/м³. (7.12)

Таким образом, температура в центре твэла определяется температурой теплоносителя на входе в АЗ реактора плюс сумма перечисленных выше перепадов температуры:

. (7.13)