Тепловыделяющий элемент ядерного реактора с металлическим теплопередающим подслоем
Полезная модель относится к области атомной энергетики, к реакторам на быстрых нейтронах, и может быть использована при изготовлении тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, в которых в качестве теплопередающего подслоя используют свинец или эвтектику свинец-висмут. Цель полезной модели - увеличение ресурса работы твэла за счет уменьшения или предотвращения коррозии оболочки твэла от теплопередающего жидкометаллического подслоя в условиях эксплуатации. Достигается это тем, что в конструкции твэла предусмотрены проставки, размещенные по торцам топливных таблеток и контактирующие с теплопередающим подслоем; кроме того, возможно использование таблеток с покрытием. Проставки и покрытия имеют химический состав, аналогичный составу материала оболочки твэла, и, находясь при более высокой, чем оболочка твэла, температуре, коррелируют более интенсивно, насыщают продуктами коррозии теплопередающий подслой, что способствует уменьшению коррозии оболочки твэла.
Полезная модель относится к области атомной энергетики, к реакторам на быстрых нейтронах, и может быть использована при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов, в которых в качестве теплопередающего подслоя используют свинец или сплав свинец-висмут.
Ресурс работы твэла с жидкометаллическим свинцовым или свинцово-висмутовым теплопередающим подслоем в основном определяется коррозионным воздействием жидкометаллического подслоя на оболочку.
Известен ряд конструкций твэлов ядерных реакторов с металлическим теплопередающим подслоем, где увеличение ресурса работы твэла достигается за счет снижения давления газовых продуктов деления [1] или за счет защиты оболочки из нержавеющей стали от коррозионного воздействия натриевого теплопередающего подслоя барьером из тугоплавких (V, Мо, Та или W) металлов [2]. Наиболее близким, выбранным за прототип, является твэл, который состоит из герметичной оболочки твэла, ядерного топлива, в виде топливного столба, состоящего из таблеток, свинцового или свинцово-висмутового промежуточного теплопередающего подслоя, находящегося в условиях эксплуатации в жидком состоянии, и других конструктивных элементов [3].
Данная конструкция твэла обладает недостатками. В процессе эксплуатации под воздействием теплопередающего подслоя идет коррозия наиболее ответственной и механически напряженной части твэла -металлической оболочки твэла, что, в основном, и ограничивает ресурс работы всего твэла и сказывается на безопасной работе ядерного реактора. Эти недостатки устраняет предлагаемая конструкция твэла.
Внутри твэла идет взаимное коррозионное воздействие жидкого теплопередающего подслоя и материала оболочки: растворяется как теплопередающий подслой в материале оболочки, так и материал оболочки в жидком теплопередающем подслое. Время перехода химических элементов (компонентов) материала оболочки в жидкий теплопередающий подслой определяется скоростью их диффузии из внутренних слоев оболочки. При этом идет преимущественное растворение ряда компонентов материала оболочки и обогащение ими жидкометаллического теплопередающего подслоя [4].
На поверхности оболочки, контактирующей с жидкометаллическим теплопередающим подслоем, образуется зона с пониженным содержанием этих элементов. С ростом температуры за счет увеличения предельной растворимости химических элементов материала оболочки в жидком теплопередающем подслое, увеличения диффузионной подвижности химических компонентов материала оболочки усиливается коррозия оболочки твэла и процесс обогащения продуктами коррозии теплопередающего подслоя. Обогащение жидкого теплопередающего подслоя продуктами коррозии материала оболочки возрастает с увеличением их площади контакта и времени выдержки. При достижении между ними химического равновесия или достижении предельного насыщения жидкого теплопередающего подслоя химическими элементами оболочки твэла коррозия прекращается [4]. Коррозионная стойкость материала оболочки твэла, а, следовательно, и степень обогащения продуктами коррозии подслоя, зависит как от химического состава материала оболочки твэла, так и от его микроструктуры (мелкозернистый металл корродирует в большей степени) [4, 5].
В конструкции тепловыделяющего элемента реактора со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ-300 твэл состоит из цилиндрической оболочки, внутри которой коаксиально размещено (UPu)N топливо, в зазоре между ними - теплопередающий свинцовый подслой [6, 7]. В качестве материала
оболочки твэла рассмотрим сталь марки ЭП 823. Состав стали марки ЭП 823 в масс.%: 10,0-12,0 Сr; 1,0-1,3 Si; 0,2-0,4 W; 0,2-0,4 Nb; 0,6-0,9 Мо; 0,2-0,4 V; 0,5-0,8 Mn; 0,5-0,8 Ni; 
0,05 N; 0,14-0,2 С; 0,015 Р; 0,01 S.
В соответствии с данными работ [6, 7] твэл охлаждается свинцовым теплоносителем, который на входе в активную зону имеет температуру 425°С, на выходе - 520°С.
Максимальная температура
в верхней части твэла:
на внутренней стенке оболочки - 650°С,
на внешней поверхности топлива - 765°С;
в нижней части твэла:
на внутренней стенке оболочки - 555°С,
на внешней поверхности топлива - 670°С.
Максимальная температура в центре таблетки топлива ˜ 900°С. Результаты работы [8] свидетельствуют о том, что за время работы твэла (4-5 лет) при этих температурно-временных условиях в результате коррозионного воздействия свинца толщина оболочки уменьшится на 70%, что недопустимо.
Целью полезной модели является увеличение ресурса работы твэла за счет уменьшения или предотвращения коррозии оболочки твэла в условиях эксплуатации. Техническая задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в уменьшении, и, в предельном случае, в предотвращении коррозии оболочки за счет введения в конструкцию твэла проставок, мелких частиц, покрытия ядерного топлива материалом, включающим химические элементы, входящие в состав оболочки твэла, которые более активно, чем оболочка твэла, будут корродировать и насыщать продуктами коррозии жидкий теплопередающий подслой.
Для решения технической задачи в твэле ядерного реактора, включающем герметичную оболочку твэла, ядерное топливо в виде
топливного столба, состоящего из таблеток, металлический теплопередающий подслой, находящийся в условиях эксплуатации в жидком состоянии, и другие конструктивные элементы, по торцам топливного столба установлены контактирующие с ним и теплопередающим подслоем проставки, выполненные из материала, включающего химические элементы, входящие в состав материала оболочки твэла.
В частном варианте изготовления твэла между таблетками ядерного топлива размещены проставки, выполненные из материала, включающего химические элементы, входящие в состав материала оболочки твэла.
В другом частном варианте материал проставок имеет более мелкозернистую микроструктуру, чем материал оболочки твэла.
В другом частном варианте проставки, размещенные по торцам топливного столба, выполнены с внутренней полостью, в которую введены мелкие частицы из материала, включающего химические элементы, входящие в состав материала оболочки твэла.
В другом частном варианте таблетки или часть таблеток ядерного топлива имеют покрытие по цилиндрической поверхности из материала, включающего химические элементы, входящие в состав материала оболочки твэла.
На фиг.1 представлен твэл с верхней 1 и нижней 2 проставками, расположенными по торцам крайних таблеток 3, заключенных в оболочку 4, и теплопередающим подслоем 5.
На фиг.2 и фиг.3 представлены проставки верхняя 1 и нижняя 2, соответственно.
На фиг.4 представлен твэл, в котором наряду с таблетками 3 присутствуют таблетки 6, имеющие покрытие.
На фиг.5 представлена таблетка 5 с покрытием 7.
На фиг.6 представлен твэл, в котором верхняя 8 и нижняя 9 проставки выполнены с пазами, отверстиями для увеличения поверхности контакта с
подслоем. Между таблетками могут находиться промежуточные проставки 10.
На фиг.7 и фиг.8 представлены верхняя и нижняя проставки, в полости которых могут находиться стальные опилки 11, закрытые свинцом 12.
На фиг.9 представлена промежуточная проставка.
Пример 1. Твэл ядерного реактора (фиг.1) состоит из: верхней 1 (фиг.4) и нижней 2 (фиг.5) проставок, топливной таблетки 3 (фиг.9), оболочки твэла 4, свинцового теплопередающего подслоя 5.
Поскольку на аналогичной высоте твэла проставки, за счет контакта с топливными таблетками, имеют более высокую, чем оболочка твэла, температуру, то они будут коррелировать в большей степени, т.е. коррозия оболочки твэла будет значительно уменьшаться и, в конечном счете, прекращаться. Это утверждение подтверждается следующими данными.
1. При контакте со свинцом увеличение температуры ведет к усилению коррозионного воздействия за счет увеличения предельной растворимости химических элементов стали в свинце и скорости их диффузии в самой стали [9, 10].
Так, из данных [9] следует, что при изменении температуры от 555°С до 765°С растворимость в свинце таких содержащихся в стали марки ЭП 823 элементов, как никель, ванадий и ниобий изменяется от 0,05 масс.% до 1,63 масс.%, что значительно выше, чем у хрома, железа и вольфрама (от 2,56 10-9 масс.% до 1,57 10-3 масс.%). При увеличении температуры с 650°С до 765°С предел растворимости никеля, ванадия, ниобия и хрома в свинце увеличивается в 5,3; 7,5; 7 и 5 раз, соответственно. Эти химические элементы будут преимущественно растворяться в свинце. Поэтому в качестве материала проставок можно использовать не только сталь марки ЭП 823, но и сплавы на основе железа, содержащие высоко растворимые в свинце элементы, входящие в состав стали.
2. Из данных работы [10] следует, что при увеличении температуры с 650°С до 765°С, коэффициент диффузии никеля в железе увеличивается в 67 раз, хрома в железе - в 540 раз.
В конструкции проставок 1 и 2 сделаны различные отверстия, увеличивающие поверхность контакта со свинцом, что дает дополнительный вклад в возможность обогащения теплопередающего подслоя продуктами коррозии, то есть легирования свинца. Таким образом, соотношение площади внутренней поверхности оболочки твэла и площади поверхности проставок, контактирующих с жидким теплопередающим подслоем, а также соотношение их рабочих температур определяет степень их коррозии.
Пример 2. В конструкции твэла (фиг.4), аналогичной твэлу в примере 1, для увеличения площади контакта со свинцовым теплопередающим подслоем часть топливных таблеток 6 (фиг.4 и 5), в отличие от других таблеток 3 (фиг.1), имеют на цилиндрической поверхности покрытие 7 из материала, включающего химические элементы, входящие в состав оболочки твэла. Толщина покрытия топливных таблеток и количество топливных таблеток с покрытием определяется объемом и температурой свинцового теплопередающего подслоя.
Пример 3. В конструкции твэла (фиг.4), аналогичной твэлу в примере 1, для увеличения площади контакта со свинцовым теплопередающим подслоем дополнительно введены промежуточные проставки 10, располагающиеся по торцам топливных таблеток. В промежуточных 10 (фиг.9), верхней 8 (фиг.7) и нижней 9 (фиг.8) проставках выполнены пазы, резьба, что дополнительно увеличивает поверхность их контакта с теплопередающим подслоем.
Другой вариант изготовления верхней и нижней (фиг.7 и 8) проставок - введение в них мелких частиц (опилок) 11 стали марки ЭП 823 (опилки закрыты свинцовой пробкой 12), что еще больше увеличивает поверхность контакта с теплопередающим подслоем. Расположение мелких частиц в
"глухой" верхней части проставки исключает возможность их всплытия и попадания в верхнюю часть твэла.
Использование в проставках более мелкозернистого, чем у оболочки твэла материала, например, получаемого известными способами термомеханической обработки или методами порошковой металлургии, позволяет за счет межграничной диффузии еще в большей степени увеличить скорость коррозии проставок.
Список использованных источников.
1. Патент США 3573168, опубл. 1971-03-30, № публ. USD3573168 19680502.
2. Патент Великобритании 933091, 1963-08-08, № публ. 19620004576 19620206.
3. Патент Великобритании 773,021 No 21969/55 (GB), приор, от 29.07.1955 г. (подача в Швейцарии 21.08.1954 г.), опубл. 17.04.1957 г.
4. Баландин Ю.Ф., Марков В.Г., Конструкционные материалы для установок с жидкометаллическими теплоносителями. Л., Судпромгиз, с.117, 1961.
5. Герасимов В. В., Монахов А. С., Коррозия реакторных материалов. М., ЦНИИатоминформ, с.149, 1994.
6. 6. P.N.Alekseev et al, "Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", Obninsk, 1999, v. 2, p. 535.
8. V.V.Oriov et al, "Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", Obninsk, 1999, v. 2, p. 407.
9. И.А.Мещеринова, Г.К.Зеленский, В.П.Велюханов и др., "Вопросы атомной науки и техники, серия Материаловедение и новые материалы", М., 2004, выпуск 1(62), с.146.
10. «Коррозия конструкционных материалов в жидких щелочных
металлах», под редакцией Невзорова Б.А., М., Атомиздат, с.35,1977. П.Лариков Л.Н., Исайчев В.И., «Структура и свойства металлов и сплавов» Киев, 1987, Наукова Думка, с.261.
1. Твэл ядерного реактора, включающий герметичную оболочку твэла, ядерное топливо в виде топливного столба, состоящего из таблеток, металлический теплопередающий подслой, отличающийся тем, что по торцам топливного столба установлены контактирующие с ним и теплопередающим подслоем проставки, выполненные из материала, включающего химические элементы, входящие в состав оболочки твэла.
2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что между таблетками ядерного топлива размещены проставки, выполненные из материала, включающего химические элементы, входящие в состав оболочки твэла.
3. Твэл по п.1, отличающийся тем, что материал проставок имеет более мелкозернистую микроструктуру, чем материал оболочки твэла.
4.Твэл по п.3, отличающийся тем, что проставки выполнены с внутренней полостью, внутри которой размещены мелкие частицы из материала, включающего химические элементы, входящие в состав оболочки твэла.
5. Твэл по п.1, отличающийся тем, что таблетки или часть таблеток ядерного топлива по цилиндрической поверхности имеют покрытие из материала, включающего химические элементы, входящие в состав оболочки твэла.
