Твэл ядерного реактора

Устройство относится к ядерной энергетике, в частности, к конструкции твэла с гранулированным виброуплотненным оксидным топливом, и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов для ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем типа БН. Устройство представляет собой герметичную трубчатую оболочку, в которой размещена топливная навеска из механической смеси гранул оксидного топлива и гранул геттера, причем геттер выполнен из гранулированного сплава урана с цирконием. С целью обеспечения равномерности распределения геттера в топливном столбе, используют сплав с содержанием циркония от 32 до 42 масс %. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности твэла. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство относится к ядерной энергетике, в частности, к конструкции твэла с гранулированным виброуплотненным оксидным топливом, и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов для ядерного реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем типа БН.

Известен твэл ядерного реактора, представляющий собой герметизированную с торцов трубчатую оболочку, внутри которой размещено гранулированное оксидное ядерное топливо, механически смешанное с гранулами металла, выбранного из группы металлов Zr, V, Ti, Nb [Патент 2207655 ФРГ, G21C. Твэл ядерного реактора, 1970].

Результатом добавления гранул металла Zr, (V, Ti, Nb), обладающих высокой химической активностью по отношению к кислороду, путем его химического взаимодействия с металлами - геттерами с образованием соответствующих окислов (ZrO₂, TiO₂ и т.п.). Это позволяет уменьшить глубину коррозионного повреждения оболочки и, тем самым, увеличивает надежность твэла (работоспособность, значение безопасного выгорания, эффективность использование топлива).

Недостатком известного устройства является возможность неравномерного распределения в объеме топливного столба компонентов топлива из-за явлений сегрегации по удельному весу (плотности) частиц (гранул) в процессе их смешивания в смесителе, засыпке в оболочку, при виброуплотнении и транспортировке [T. Shinbrot and F.J. Muzzio. Nonequlibrium Patterns in Granular Mixing and Segregation. Physics Today, March 2000]. Возможно, именно по этой причине рассмотренное техническое решение не было реализовано в ядерной энергетике.

Указанный недостаток обусловлен существенным различием в плотностях компонентов механической смеси гранулятов: плотность рассматриваемых металлов-геттеров (Zr, Ti, V, Nb) равна 4,5-8,4 г/см3, а плотность оксидного топлива много больше-она равна 11 г/см3..

Известен твэл ядерного реактора, взятый за прототип (А.А. Маершин. Тепловыделяющие элементы с виброуплотненным оксидным топливом. Димитровград: ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР», 2007), представляющий собой герметизированную с торцов трубчатую оболочку, внутри которой размещено гранулированное оксидное ядерное топливо, механически смешанное с гранулированным металлическим ураном, выполняющим функции геттера (поглотителя)

Недостатком известного устройства является возможность сегрегации урана на стадиях механического смешивания в смесителе, при засыпке смеси в оболочку, при виброуплотнении топливной навески в оболочке твэла и транспортировке Эти сегрегации, уменьшающие эксплуатационную надежность твэлов, были обнаружены при послереакторных исследованиях твэлов по рассмотренному техническому решению.

Указанный недостаток обусловлен большой плотностью металлического урана (=19 г/см³) в сравнении с оксидным топливом (=11 г/см³)

Тем не менее, это техническое решение используется в ядерной энергетике в настоящее время.

Задачей технического решения является увеличение надежности твэла за счет обеспечение равномерности распределения металла - геттера в объеме оксидного топлива.

Решение технической задачи достигается тем, что в твэле, содержащем герметичную трубчатую оболочку с размещенной в ней топливной навеской из механической смеси гранулированного оксидного топлива и геттера, геттер, выполнен из гранулята сплава урана с цирконием.

Гранулы урана-циркониевого сплава обладают высокой химической активностью по отношению к кислороду. Это позволяет нейтрализовать кислород, образующий при облучении, тем самым уменьшить глубину коррозионного повреждения оболочки. Благодаря этому повышается надежность твэла. стям урана и циркония, которые в свою очередь

Для изготовления геттера используют сплав урана с цирконием при содержании циркония от 32% мас. до 42% мас.. В этом случае его плотность будет близка к плотности оксидного топлива, что позволяет обеспечить равномерное распределение геттера в топливном столбе. При содержании циркония менее 32% мас. или более 42% мас., плотность геттера будет существенно отличаться от плотности топлива, что приведет к нежелательной сегрегации.

На прилагаемом чертеже показана конструкция твэла БН - реактора по предлагаемой полезной модели.

Твэл состоит из трубчатой оболочки (2), герметизированной с торцов заглушками (1) и (5). Внутри оболочки размещена топливная навеска, состоящая из механической смеси гранул оксидного топлива (3) и гранул геттера из сплава U - 3242% мас. Zr (4).

Пример: (Твэл реактора БОР - 60). К оболочке твэла длиной 1050 мм с наружным диаметром 6,0 мм и толщиной стенки 0,3 мм приваривают нижнюю заглушку и устанавливают внутрь оболочки стандартные комплектующие детали (поддержку, нижний торцевой экран и др.), не имеющие существенного значения для заявляемой полезной модели и потому не отраженные на прилагаемом чертеже. В оболочку загружают изготовленную навеску гранулированного оксидного топлива, содержащую геттер состава U - 37% Mac. Zr. Производят вибрационное уплотнение топливной навески в оболочке, устанавливают стандартные комплектующие детали (теплоизолятор, верхний торцевой экран, фиксатор топливного столба), не имеющие существенного значения для заявляемого, оболочку герметизируют путем приварки верхней заглушки. Герметизированный твэл подвергают операциям контроля качества. При этом из операций контроля качества может быть исключен контроль равномерности распределения геттера по высоте топливного столба.

1. Твэл ядерного реактора, содержащий герметичную трубчатую оболочку с размещенной в ней топливной навеской из механической смеси гранулированного оксидного топлива и геттера, отличающийся тем, что геттер выполнен из гранулированного сплава урана с цирконием.

2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что для изготовления геттера используют сплав урана с цирконием при содержании циркония от 32 до 42 мас.%.