ВЕНТИЛИРУЕМЫЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1996 года по МПК G21C3/20 G21C3/40 

Изобретение относится к ядерной энергетике, а более конкретно, к вентилируемым тепловыделяющим элементам термоэмиссионного ядерного реактора-преобразователя, где в качестве основного топливного материала используется диоксид урана.

В научно-технической и патентной литературе достаточно широко рассмотрены конструкции твэлов и многообразие подхода при выборе материалов для них (Б. Фрост "Твэлы ядерных реакторов", пер. с англ. М. Энергоатомиздат, 1986; Займовский А.С. и др. "Тепловыделяющие элементы атомных реакторов", М. Атомиздат, 1986). Основным ресурсоограничивающим фактором в конструкции твэла из диоксида урана является деформация оболочки под действием распухающего сердечника. Известны твэлы промышленных реакторов на основе Uo₂ у которых тепловыделяющий сердечник размещен с радиальным зазором относительно оболочки, а последний заполнен теплопередающей средой, например, жидким натрием, сплавами натрия с калием, расплавами металла или гелием ( Р.С.Корсаков, В.Ф.Выговский и др. "Технология реакторостроения", М. Атомиздат, 1977 г.). Использование теплопередающей среды в твэлах промышленных реакторов с сердечником, не слепленным с оболочкой является обязательным условием, так как реализуемые в них тепловые потоки (≥100 Вт/см²) приводят в противном случае к недопустимому повышению температуры, достигающий температуры плавления диоксида урана тепловыделяющего сердечника. Достигнутое за счет теплопередающей среды существенное снижение температурного перепада на радиальном зазоре между сердечником и оболочкой позволяет назначить большие исходные зазоры для компенсации распухания сердечника из Uo₂. Тем не менее, исходный радиальный зазор в основном ограничивается величиной 0,15 мм, так как дальнейшее его увеличение сопровождается повышением скорости распухания Uo₂ образованием складок на оболочке и неоднородной перестройкой структуры сердечника при эксплуатации твэла (Р.Б.Котельников, С.Н.Башлыков и др. "Высокотемпературное ядерное топливо", М. Атомиздат, 1978). Известен вентилируемый тепловыделяющий элемент для термоэмиссионного ядерного реактора-преобразователя, включающий тепловыделяющий сердечник из диоксида урана, размещенный с радиальным зазором в оболочке и газоотводное устройство в виде трубки с капилляром на конце, расположенном в центральной полости сердечника, для вывода газообразных продуктов деления и улавливания паров топлива (Ю.Г.Дегальцев, Н.Н.Пономарев-Степной, В. Ф. Кузнецов "Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении", М. Энергоатомиздат, 1987, стр. 110-120). Вентилирование внутренней полости тепловыделяющего элемента обеспечивает разгрузку оболочки от давления газообразных продуктов деления, вышедших из тепловыделяющего сердечника (Uo₂). Однако сочетание вакуумных условий и высоких температур приводит к радиальному массопереносу Uo₂ на оболочку и зарастанию исходного радиального зазора менее плотным по отношению к исходной Uo₂ конденсатом. Задачей авторов является уменьшение радиальной деформации оболочки вентилируемого твэла, вызванной распуханием тепловыделяющего сердечника из Uo₂.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают конструкцию вентилируемого тепловыделяющего элемента, который содержит сердечник из двуокиси урана, размещенной с радиальным зазором в оболочке, при этом радиальный зазор между оболочкой и сердечником выбран из соотношения:

где: δ_з исходный радиальный зазор, мм;
α_c, α_об коэффициенты линейного термического расширения сердечника и оболочки, соответственно, 1/град;
d_с, d_об диаметры сердечника и оболочки, соответственно, мм;
T_с, T_об средние рабочие температуры сердечника и оболочки, соответственно, град.

Предлагаемая величина радиального зазора между оболочкой и сердечником не допускает соприкосновения менее плотного слоя конденсата с поверхностью испарения Uo₂ во время массопереноса. Исходный радиальный зазор в предлагаемой конструкции твэла не менее чем 2-2,5 раза превосходит используемые зазоры в известных вентилируемых твэлах термоэмиссионных реакторов-преобразователей, а указанное количественное изменение приводит к качественно новому результату: перестройке равновесной структуры Uo₂ в столбчатую с характерным для нее уменьшением границ зерен и развитой пограничной пористостью и, как следствие, к уменьшению распухания топлива Uo₂. Выбор необходимой величины зазора и достижение уменьшения деформации оболочки твэла за счет снижения распухания Uo₂ с перестроенной структурой обосновываются результатами, полученными авторами в процессе послереакторных исследований твэлов с различной величиной исходного радиального зазора, облученных в течение 3000 ч в составе ядерной зоны термоэмиссионного реактора.

На фиг.1 конструктивная схема; на фиг.2 результаты послереакторных исследований твэла. На фиг.1 показаны: 1-оболочка твэла; 2-тепловыделяющий сердечник, размещенный в оболочке; 3-радиальный зазор между сердечником и оболочкой. При номинальном режиме работы твэла топливо диоксид урана, испаряясь с поверхности сердечника 2, конденсируется на оболочке 1, формируя тем самым столбчатую структуру Uo₂ с радиально ориентированными зернами, при этом фронт испарения беспрепятственно проходит на всю глубину сердечника, полностью перестраивая исходящую структуру Uo₂ в твэле.

Этот процесс становится возможным благодаря выбранной величине зазора 3, когда менее плотный конденсат не приводит к смыканию поверхностей и конденсации Uo₂. Для обеспечения полной переконденсации диоксида урана отношение радиального зазора к диаметру сердечника должно превосходить разность термических расширений сердечника и оболочки на (0,01-0,02), что подтверждено реакторными экспериментами, приведенными на фиг.2. На фиг. 2 представлены результаты этих исследований: изменение диаметра оболочки, доля конденсата в поперечном сечении сердечника и макроструктура при крайних значениях величин радиального зазора между сердечником и оболочкой, что подтверждает достижение снижения деформации и обосновывает выбранный диапазон величин радиального зазора в твэле.

Предложенная конструкция твэла позволяет формировать благоприятную с точки зрения распухания структуру Uo₂, используя для этого таблетки, полученные по промышленной технологии, и температурные режимы эксплуатации твэла в качестве технологических для перестройки структуры Uo₂, поэтому предложенная конструкция твэла сопровождается не только уменьшением распухания Uo₂ и соответствующим повышением ресурса электрогенерирующего канала термоэмиссионного реактора, но и экономическим эффектом.

Сущность изобретения: сердечник из диоксида урана размещен с радиальным зазором в оболочке. Величина радиального зазора определена в зависимости от коэффициентов линейного термического расширения сердечника и оболочки, диаметров сердечника и оболочки, и средних рабочих температур сердечника и оболочки. 2 ил.

Вентилируемый тепловыделяющий элемент преимущественно для термоэмиссионного ядерного реактора-преобразователя, содержащий сердечник из двуокиси урана, размещенный с радиальным зазором в оболочке, отличающийся тем, что радиальный зазор между оболочкой и сердечником выбран из соотношения

где δ_з- исходный радиальный зазор, мм;
α_с, α_об- коэффициенты линейного термического расширения сердечника и оболочки соответственно, 1/град;
d_c, d_об диаметры сердечника и оболочки соответственно, мм;
T_c, T_об средние рабочие температуры сердечника и оболочки соответственно, град.