Использование в качестве теплоносителя ЯЭУ газа является перспективным направлением судовой энергетики, так как позволяет реализовать тепловые схемы судовых ЯЭУ с максимальными термодинамическими КПД при приемлемых толщинах корпусных конструкций газоохлаждаемых реакторов. Ядерные ГТУ по сравнению с ядерными паротурбинными установками имеют следующие преимущества:
- более высокий КПД преобразования тепловой энергии в механическую;
- возможность использования различных газов в одноконтурных установках в качестве теплоносителя и одновременно рабочего тела;
- незначительная потребность в охлаждающей воде и отсутствие необходимости использования специальной водоподготовки;
- легкость запуска турбоустановки при любой температуре и быстрое принятие нагрузки;
- простой способ регулирования мощности в широком интервале нагрузок с сохранением высокого КПД за счет изменения расхода газа через газовую турбину;
- относительно малые массогабаритные показатели.
Так как газ, являющийся теплоносителем, не обладает замедляющими свойствами, газоохлаждаемые реакторы имеют свои конструктивные особенности, отличающие их от других типов реакторов.
В качестве топлива в газовых реакторах используют: карбиды урана –UC и тория – ThC или их двуокиси, размещаемые в шаровых или моноблочных перфорированных ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент). К преимуществам шаровых ТВЭЛ относятся простота их изготовления, легкость перегрузки, низкая стоимость, хорошие механические характеристики.
Конструктивно шаровые ТВЭЛ (рис. 36) выполняются в виде полого шара из электрографита с внутренним сферическим или цилиндрическим сердечником из ядерного топлива или со сферическим слоем топлива, а также прессованными со сплошным шаровым сердечником. Графит является хорошим замедлителем, работоспособен при высоких температурах (температура плавления графита – 3650 °C, температура сублимации – свыше 2000 °C), обладает достаточно высокими прочностными свойствами, высокой теплопроводностью и наименьшим среди твердых замедлителей сечением поглощения нейтронов.
Моноблочные перфорированные ТВЭЛ (рис. 36) объединяют функции тепловыделяющего элемента и кассеты в одной конструкции. Для интенсификации отвода теплоты в моноблочных перфорированных ТВЭЛ предусматривают большое число близко расположенных отверстий. В газоохлаждаемых реакторах применяют моноблочные перфорированные ТВЭЛ как с гетерогенным, так и с гомогенным расположением горючего в моноблоке. В гетерогенных ТВЭЛ стерженьки горючего могут располагаться в графитовом моноблоке вперемежку с каналами для прохода теплоносителя, или устанавливаться непосредственно в каналах. В гомогенных ТВЭЛ ядерное топливо диспергировано по всему объему графитовой матрицы моноблока, перфорированного каналами для движения теплоносителя. Топливо отсутствует только на наружной поверхности ТВЭЛ и поверхностях каналов для прохода теплоносителя.
Типы ТВЭЛ определяют конструктивные особенности и разновидность топливного цикла ВТГР. При использовании гомогенных активных зон используется цикл U − Th с высокообогащенным топливом. Эффективными для ВТГР также являются топливные циклы 235U− 238U , Pu − Th и 238U − Pu . ВТГР характеризуются высокой степенью безопасности при эксплуатации, отрицательным температурным эффектом реактивности, а графитовый замедлитель, обладающий высокой теплоемкостью, обеспечивает поглощение значительной доли остаточных тепловыделений активной зоны после остановки реактора.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
