Твэл ядерного реактора
Использование: в атомной энергетике при изготовлении твэлов ядерных реакторов, преимущественно водоводяных. Сущность изобретения: твэл состоит из герметичной оболочки и заглушки из тугоплавкого металла, например нержавеющей стали типа Х16Н15М3, или циркониевого сплава, например Zr + 1%Nb, или хромоникелевого сплава (20-50%Сr), теплопроводной матрицы из беспористого заливочного сплава, например Аl + 12%Si, или Аl + 0,5%Ni, или Аl + 0,5%Ni + 0,5%Zr + 0,25%Мо, в которой размещены топливные гранулы из оксида урана (UO2 или U3O8) с пористостью 4-22%, имеющие размер 200-3000 мкм, объемная доля которых составляет 61-70%. Матрица не имеет пористости. Сердечник твэла имеет плотное металлургическое сцепление с оболочкой. Перечисленные факторы обеспечивают высокую, не ниже 20 Вт/мград, теплопроводность сердечника, низкий уровень рабочих температур сердечника (не более 500°С), сохранение геометрических характеристик твэла в процессе длительной эксплуатации и предельных накопителей осколков деления. Твэл обеспечивает получение нового технического результата, состоящего в регулировании запаса пористости в топливных гранулах сердечника, в исключении распухания и сохранении геометрических характеристик твэла в процессе длительной эксплуатации, в снижении уровня рабочих температур сердечника и в повышении надежности и работоспособности твэла. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при изготовлении твэлов ядерных реакторов, преимущественно водоводяных.
В настоящее время широкое применение в водоводяных энергетических реакторах нашли твэлы контейнерного типа, представляющие собой герметичную цилиндрическую оболочку из циркониевого сплава с расположенным в ней столбом из таблеток диоксида урана. При этом продукты деления, свободно выходящие из топливных таблеток, воздействуют на оболочку. Зазор между таблетками и оболочкой создает термическое сопротивление и приводит к возрастанию температуры сердечника. Указанные факторы снижают работоспособность твэла и технико-экономические показатели активной зоны. В отличие от твэлов контейнерного типа, в дисперсионных твэлах делящийся материал находится под герметичной оболочкой в виде частиц, равномерно распределенных в матрице, в качестве которой часто при меняются металлы: алюминий и его сплавы, нержавеющая сталь и другие, а в качестве делящихся материалов - оксиды урана и/или плутония. Некоторые сплавы урана и плутония, например, с алюминием и кремнием. Если размер частиц делящегося материала будет не менее 150-200 мкм, металлическая матрица, в которой находятся топливные частицы, практически не подвергается воздействию осколков деления, так как всего 7-10% образовавшихся осколков деления покинут частицы указанного размера, при этом осколки локализуются в узком пояске вокруг топливных частиц и не воздействуют на оболочку [1]. Недостатками известных конструкций дисперсионных твэлов являются применение частиц очень маленьких размеров (менее 200 мкм), небольшая объемная доля делящегося материала в сердечнике, отсутствие компенсационной пористости [2], что снижает технические и экономические показатели зоны. Для сердечников с алюминиевой матрицей, имеющей высокую теплопроводность и радиационную стойкость [1], в известных конструкциях дисперсионных твэлов применяется алюминиевая оболочка. Такие твэлы могут применяться в водоводяных реакторах только с низкими параметрами водяного теплоносителя по температуре и давлению (исследовательских и других) и не применимы в энергетических реакторах. Известные дисперсионные твэлы с матрицей и оболочкой из нержавеющей стали, кроме перечисленных выше недостатков, имеют повышенный захват тепловых нейтронов из-за большого количества нержавеющей стали в активной зоне и невысокую теплопроводность. Известен пластинчатый твэл с оболочкой из алюминиевого сплава, используемый в исследовательском реакторе HFIR (США) [1]. Твэл имеет толщину 1,25 мм, длину - 600 мм и ширину - 87,5 мм, объемная доля оксида урана (U3O8) - 18%, обогащение урана - 93% по 235U. Твэл изготовлен способом прокатки. Известен также дисперсионный пластинчатый твэл с оболочкой из алюминиевого сплава 1100. Сердечник твэла представляет собой дисперсию оксида урана UO2 в алюминии, содержащую 32% по объему частиц оксида размером от 75 мкм - 200 мкм с высокой плотностью (96% от теоретической) [3]. Твэлы в виде тонких изогнутых пластин изготавливаются методом горячей прокатки предварительно спрессованных заготовок. Указанный способ изготовления не позволяет получить сердечники с более высоким объемным содержанием гранул оксида урана, а также не позволяет использовать крупные пористые гранулы из-за их разрушения в процессе прокатки. Недостатками указанных твэлов являются: - низкое объемное содержание частиц оксида урана, - малый размер частиц оксида урана, - отсутствие пористости в частицах и в сердечнике для компенсации распухания при накоплении осколков деления, - алюминиевая оболочка твэла не позволяет использовать твэл в энергетических реакторах с высокими параметрами теплоносителя (температурой и давлением). Наиболее близким к заявляемому является твэл [4] (прототип), включающий герметичную оболочку с заглушками, в которой размещен топливный сердечник, состоящий из частиц на основе соединения урана и алюминия - UAl3, либо соединения урана, алюминия и кремния - U(Al, Si)3, находящихся в алюминиевом сплаве, при этом сердечник содержит фазу кристаллического кремния в количестве от 3 до 30% от объема сердечника. Металлургический контакт оболочки с сердечником достигнут заливкой свободного пространства между частицами, заполняющими оболочку, сплавом на основе алюминия. Представленные в патенте варианты твэлов имеют объемную долю топливных частиц максимально 61% и не имеют пористости для компенсации распухания при накоплении продуктов деления. Недостатками твэла являются - невысокая объемная доля урана в сердечнике в следствие того, что используемый топливный материал имеет низкое, по сравнению с оксидом, содержание урана (72 мас. % U в UAl3 или U(Al, Si)3 и 88 мас.% U в UО3, 84 мас.% в U3O8), а также невысокую объемную долю топливных частиц в сердечнике (не более 61 об.%); -отсутствие компенсационной пористости в сердечнике. Предлагаемый твэл не имеет перечисленных недостатков. В твэле используется делящийся материал, содержащий оксид урана с содержанием урана от 84-88 мас.% и объемной долей в сердечнике от 61-70%. Твэл сохраняет свои геометрические размеры в процессе длительной эксплуатации при накоплении продуктов деления за счет компенсационной пористости, сосредоточенной в гранулах топливного материала. Используются оболочки из тугоплавких и коррозионно-стойких металлов. Обеспечивается диффузионный контакт оболочки с сердечником путем заливки оболочки с топливными гранулами алюминиевым беспористым сплавом с высокой теплопроводностью и радиационной стойкостью. Это позволяет получить высокую теплотехническую надежность твэла для условий активных зон энергетических реакторов, а также увеличить работоспособность предлагаемого твэла и рабочий цикл активной зоны между перегрузками. Техническое решение состоит в том, что предлагаемый твэл имеет оболочку из тугоплавких сплавов, таких как аустенитные нержавеющие стали, например, X16H15М3, циркониевые сплавы, например, Zr+1%Nb или никелевые сплавы, например, хромоникелевый сплав (20-50% хрома), в которой размещен топливный сердечник, состоящий из пористых гранул, содержащих оксид урана, и беспористой теплопроводной матрицы из алюминиевого сплава известного состава, причем объемная доля гранул в сердечнике существенно выше, чем в прототипе - от 61 - 70%, размер гранул составляет от 200 - 3000 мкм, при этом гранулы имеют внутреннюю пористость от 4 - 22%. Металлургический контакт сердечника с оболочкой, беспористая металлическая матрица из теплопроводного заливочного алюминиевого сплава, например, Al+12%Si, или Al+05%Ni, или Al+0,5%Ni+0,5%Zr+0,25%Mo, позволяет обеспечить высокую эффективную теплопроводность твэла при коэффициенте теплопроводности сердечника не менее 20 Вт/м![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
Формула изобретения
1. Твэл ядерного реактора, состоящий из герметичной оболочки с заглушками, в которой размещен топливный сердечник из делящегося материала в виде частиц, распределенных в металлической матрице, отличающийся тем, что топливный сердечник выполнен в виде гранул из оксида урана, распределенных в металлической матрице и имеющих размер 200 - 3000 мкм, а пористость в пределах 4 - 22%, при этом объемная доля гранул в сердечнике составляет 61 - 70%, а остальной объем занимает беспористый теплопроводный заливочный сплав. 2. Твэл по п.1 отличающийся тем, что в качестве беспористого теплопроводного заливочного сплава используют сплав Al + 12%Si, или Al + 0,5%Ni, или Al + 0,5%Ni + 0,5%Zr + 0,25%Мо. 3. Твэл по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве оболочки используют циркониевый сплав Zr + 1%Nb, нержавеющую сталь типа Х16Н15М3 или хромоникелевый сплав (20 - 50%Cr).РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4