Твэл ядерного реактора

Полезная модель относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции твэла с нитридным топливом для реакторов на быстрых нейтронах.

Для увеличения надежности, экономичности и эффективности твэл реактора на быстрых нейтронах содержит герметичную стальную оболочку, заполненную гелием, столб нитридного топлива, закрепленный с помощью фиксаторов в оболочке с зазором, содержащим гранулированный металлический уран или сплав на его основе.

1 илл.

Полезная модель относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции твэла с нитридным топливом для реакторов на быстрых нейтронах. Плотное нитридное топливо рассматривается как основное топливо для перспективных реакторов на быстрых нейтронах на длительную перспективу.

Известен твэл ядерного реактора на быстрых нейтронах БН-1000 Н [Отчет о НИР РНЦ «Курчатовский Институт», Инв. 35-410-4/350 от 17.11.2005 г.], содержащий герметичную стальную оболочку, в которой размещен столб цилиндрических таблеток нитридного топлива (UPuN) и фиксаторы топливного столба. Зазор между нитридным сердечником и стальной оболочкой заполнен легкоплавким металлом - натрием.

Недостатки этого твэла заключаются в следующем: - заполнение твэла натрием уменьшает объем сборника осколочных газов (Xe, Kr), образующихся при делении ядер U и Pu;

- пониженный ресурс работоспособности твэлов, исчерпывающийся при достижении механического контакта «жесткого» нитридного сердечника с оболочкой, а так же из-за интенсивного процесса переноса и взаимодействия агрессивных осколков деления топлива со стальной оболочкой;

Повышение ресурса работоспособности твэла путем увеличения зазора между сердечником и оболочкой уменьшает эффективную плотность топлива (физическую и по «тяжелым» атомам- U, PU) в единице объема твэла

(_эф, г/см³ или г т.а./см³ ). В свою очередь, уменьшение эффективной плотности топлива в твэле приводит к уменьшению эффективности БН-реактора.

- заполнение твэла натрием и контроль качества такого заполнения усложняет технологию изготовления твэла, особенно при проведении таких операций в условиях дистанционного обслуживания;

Известен, длительное время использовался и может быть принят за прототип твэл ядерного реактора на быстрых нейтронах БР-10 [Л.М.Забудько, Л.И.Мамаев, А.А.Труфанов. Анализ расчетных и эксперимента льных данных с целью возможного определения причин разгерметизации твэлов с нитридным топливом реактора БР-10 /Сборник докладов седьмой Российской конференции по реакторному материаловедению. г.Димитровград, 8-12 сентября 2003 г./www_dev.niiar.ru/rus/doc/rm_7/], содержащий герметичную стальную оболочку, в которой размещен столб цилиндрических таблеток нитридного топлива и фиксаторы топливного столба. Зазор между нитридным сердечником и стальной оболочкой заполнен из высокотеплопроводного газа (He).

Недостатки этого твэла заключаются в следующем: Заполненный гелием зазор между топливным сердечником и оболочкой является термическим сопротивлением и потому повышает температуру сердечника, что приводит к увеличению скорости распухания нитридного топлива.

Увеличение диаметра топливного сердечника вследствие его радиационного распухания приводит к уменьшению исходного зазора и, в пределе, к его полному исчезновению: оболочка «садится» на сердечник. Термическое сопротивление зазора становится минимальным, равно как и температура сердечника. Дальнейшее облучение твэла считается недопустимым ввиду увеличивающегося с увеличением выгорания механического давления «холодного» и «жесткого» (недеформируемого) нитридного сердечника на стальную оболочку.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является увеличение надежности, экономичности и эффективности твэла реактора на быстрых нейтронах.

Для решения вышеуказанной задачи твэл ядерного реактора на быстрых нейтронах содержащий герметичную стальную оболочку, заполненную гелием, столб нитридного топлива, закрепленный с помощью фиксаторов оболочке с зазором, дополнительно содержит гранулированный металлический уран или сплав на его основе, размещенный в зазоре.

Заполнение зазора между оболочкой и компактным нитридным сердечником гранулированным металлическим ураном, обладающим свойствами достаточной исходной технологической текучести и теплопроводности, позволяет уменьшить жесткие требования к технологическим допускам на внутренний диаметр стальной оболочки, уменьшить не менее жесткие требования к внешним размерам и даже к форме исполнения нитридного топливного сердечника (цилиндр или прямоугольник, таблетка или пруток). Это упрощает конструктивные и технологические параметры топливного сердечника и твэла в целом, повышает экономичность твэла (уменьшает затраты на изготовление высокоточных по размерам оболочек и сердечников, уменьшает затраты на контроль этих размеров, уменьшает массу и количество брака по размерам компонентов твэла).

Создание механического барьера из гранулированного металлического урана между стальной оболочкой и нитридным сердечником уменьшает опасность коррозионного повреждения оболочки (нитридизации оболочки), возможной при прямом контакте нитридного сердечника со стальной оболочкой. Высокая химическая активность металлического урана к агрессивным технологическим примесям в нитридном топливе (O₂, C) и к азоту, выделяющемуся из нитридного топлива при выгорании, дает дополнительные положительные эффекты, увеличивающие надежность твэла. Во-первых, гранулированный металлический уран выполняет функции геттера-поглотителя агрессивных по отношению к стальной оболочке химических элементов (O₂, C, K). Во-вторых, образующиеся при этом на поверхности урановых гранул тонкие слои оксидов, карбидов, нитридов, оксикарбонитридов уменьшают опасность физико-химического взаимодействия гранулированного урана и стальной оболочки при их механическом контакте.

Технологическая пористость гранулированного урана, размещенного в зазоре между оболочкой и компактным сердечником, наряду с высокой пластичностью и низкой прочностью металлического урана, обеспечат компенсацию радиационных объемных изменений нитридного сердечника и уменьшение его механического давления на оболочку. Это способствует увеличению надежности твэла.

Заполнение зазора между оболочкой и нитридным топливным сердечником гранулами высокоплотного металлического урана позволяет увеличить эффективную плотность тяжелых атомов (U) в твэле до значений, превышающих достигнутые в твэле-прототипе: _эф.(UN)=11,5г/см³=>11,5 г/см ³·0,94=10,8 г т.а./см³

Более высокие значения _эф. (т.а.) в твэле с любым топливом определяют большую эффективность твэла, активной зоны, реактора в целом, а именно- увеличение коэффициентов воспроизводства (КВА,КВ), уменьшение времени удвоения (T₂), увеличение параметров безопасности за счет уменьшения количества органов регулирования реактивности и др.

Из ядерно-физических соображений очевидно, что увеличение значений _эф.[г/см³] в твэле не должно достигаться за счет увеличения массы «активных» ядер (плутония, урана-235) в единице объема твэла.

На прилагаемом рисунке показан разрез твэла, где: 1 - стальная оболочка; 2 - заглушка; 3 - фиксатор топливного столба; 4 - топливный столб; 5 - зазор.

В прилагаемой таблице приведены сравнительные характеристики твэла перспективного реактора БН-1200 и предлагаемого твэла.

Различие в параметрах твэла-прототипа и предлагаемого твэла показывают следующие особенности предлагаемого твэла:

- эффективная плотность по тяжелым атомам увеличена до 12,11, т.е. ;

- исходная пористость в поперечном сечении твэла увеличена до 21,2%, т.е.+V_исх.=1,6%(+8%);

- масса UPuN-сердечника уменьшена на 240 г.(-39%).

Указанные особенности определяют возможность достижения вышеописанных преимуществ предлагаемого твэла по его надежности, экономичности, эффективности.

Параметры	Прототип	Предлагаемый
- стальная оболочка, мм	d×б=9,3x0,5	d×б=9,3x0,5
- UPuN-сердечник собран из таблеток, мм	d×h=8xl0;	d×h=6,3xl0
- радиальный зазор, мм	0,15, заполнение-He;	1,0, заполнение -гранулы металлического урана
- теоретическая плотность UPuN, г/см3;	14,3	14,3
- плотность таблеток сердечника, г/см3	T - 12,2	T - 12,2
- плотность гранул металлического урана, г/см3		18,7;
- эффективная плотность топлива в твэле (эф.)-	11,5 г/см3 , что соответствует г т.а.	;
- эффективная плотность гранулированного металлического урана в зазоре, г/см3 ;		13
- исходная пористость в поперечном сечении твэла	Vисх.=19,6%;	21,2
- доля Pu в UPuN-сердечнике, % мас.;	15	24,6
- масса UPuN-сердечника в твэле, г, в том числе масса Pu- г.	618 г	378
	93	93

Твэл ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащий герметичную стальную оболочку, заполненную гелием, столб нитридного топлива, закрепленный с помощью фиксаторов в оболочке с зазором, дополнительно содержит гранулированный металлический уран или сплав на его основе, размещенный в зазоре.