ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА СО СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 1996 года по МПК G21C3/20 

Описание патента на изобретение RU2067324C1

Изобретение относится к области ядерной техники, а конкретно к тепловыделяющим элементам ядерных реакторов со свинцовым теплоносителем.

Известен тепловыделяющий элемент (твэл), в котором топливо выполнено на основе металлического уран-плутониевого сплава и размещено в стальной оболочке [1]
Недостатком данного твэла является низкая радиационная стойкость металлического топлива, проявляющаяся в его распухании, что может приводить при 500 800oC и к значительному нагружению оболочки твэла в случае плотной посадки топлива на оболочку или к начальному перегреву в случае размещения его с некоторым газовым зазором и последующему термомеханическому взаимодействию топлива с оболочкой, вплоть до образования интерметаллидов.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий сердечник, выполненный из металлического топлива и размещенный в оболочке с зазором, заполненным свинцовым сплавом [2]
Недостатком этого твэла с металлическим топливом является высокая агрессивная способность свинца, висмута и их сплавов по отношению к урану, плутонию и их сплавов по отношению к урану, плутонию и их сплавам при рабочих температурах свинцовоохлаждаемого ядерного реактора.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в снижении вероятности разрушения топливного сердечника тепловыделяющего элемента за счет образования на поверхности сердечника при рабочих температурах свинцовоохлаждаемого ядерного реактора защитного покрытия из термодинамического стабильного соединения.

Указанный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, содержащем сердечник, выполненный из металлического топлива и размещенный в оболочке с зазором, заполненным свинцовым сплавом, в свинцовый сплав введена ингибирующая добавка, в качестве которой выбран алюминий в количестве 0,1 0,2 ат. или никель, в количестве 0,5 3,0 ат. или сера в количестве 0,01 1,0 ат. или олово в количестве 5,0 10,0 ат. или сурьма в количестве 0,2 10,0 ат. образующая при рабочих температурах при взаимодействии с металлическим топливом защитное покрытие на топливном сердечнике.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен вертикальный разрез центральной части твэла. Твэл содержит металлическую оболочку 1 с размещенным внутри топливным сердечником 2. Зазор 3 между топливным сердечником и оболочкой заполнен теплопроводным сплавом на основе свинца, в который введена ингибирующая добавка, одна из следующего ряда: AL, Ni, S, Sn, Sb.

Топливный сердечник 2 выполняется из металлического сплава на основе урана U-238, обогащенного U-235, либо Рu-239 и Pu-241, то есть может дополнительно содержать плутоний, включая Рu-240 и Pu-242, а также ближайшие актиниды (Np, Am), и стабилизирующих добавок, выбранных из ряда Zr, Nb, No, Te, Pd, Ru, Rh, при этом общее содержание делящихся нуклидов (U-235, Pu-239), включая содержание актинидов, и стабилизирующих добавок, как правило, не превышает 30% по массе.

При рабочих температурах реактора ингибирующие добавки взаимодействуют с металлическим топливом и образуют на его поверхности стабильные соединения, например, UAl2, PuNi5, US, PuSn3, USb3, PuSb3 (в зависимости от состава металлического топлива и примененной ингибирующей добавки), защищающие топливный сердечник от появления рыхлых плюмбатов урана и плутония. Аналогично стабильное соединение, например, AmAl2, образуется и в случае введения в топливо актинидов. Следует отметить, что образовавшиеся термодинамические стабильные соединения препятствуют интерметаллидному взаимодействию топлива с оболочкой при их контакте.

Термодинамические оценки показали, что для подавления реакций образования плюмбатов урана (UPb и UPb3) и плутония (PuPb, PuPb3) необходимо ввести в свинец алюминий в количестве 0,1 0,2 ат. или никель в количестве 0,5 3,0 ат. или серу в количестве 0,01 1,0 ат. или олово в количестве 5,0 10,0 ат. или сурьму в количестве 0,02 10,0 ат. Нижняя граница указанных концентрационных интервалов соответствует составу свинцового сплава, в котором начинается реакция образования на поверхности сердечника из металлического топлива соединений UAl2, PuAl2, UNi5, PuNi5, US, PuS, USn3, PuSn3, USb3, PuSb3 более стабильных0 чем плюмбаты урана и плутония.

Верхние из концентрационных интервалов для алюминия, никеля и серы соответствуют пределу их растворимости в свинце в области рабочих температур. Для олова и сурьмы, образующих жидкие растворы со свинцом с широкой областью растворимости, верхняя граница выбрана с точки зрения ограничения возможности влияния ингибирующей добавки на коррозионную стойкость оболочки твэла.

Следует отметить, что присутствие выбранных добавок к свинцу, (Al, Ni, S, Sn, Sb) обеспечивает самозалечивание дефектов в защитном слое в топливном сердечнике, образование которых можно ожидать вследствие, например, распухания металлического топлива по мере выгорания делящейся компоненты. В случае разгерметизации твэла образовавшееся покрытие защищает топливо от взаимодействия со свинцовым теплоносителем.

Похожие патенты RU2067324C1

название год авторы номер документа
БЫСТРЫЙ РЕАКТОР С ТЯЖЕЛЫМ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ 2000
  • Смирнов В.С.
  • Орлов В.В.
  • Филин А.И.
  • Леонов В.Н.
  • Сила-Новицкий А.Г.
  • Цикунов В.С.
RU2173484C1
СПОСОБ ПИРОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА 1994
  • Дубровин О.Н.
  • Орлов В.В.
  • Рогозкин Б.Д.
  • Сила-Новицкий А.Г.
  • Шентяков В.В.
  • Филин А.И.
RU2079909C1
СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЯДЕРНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА 1990
  • Ганев И.Х.
  • Наумов В.В.
  • Решетов В.А.
RU2031455C1
СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЙОДНОГО КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ЦИРКОНИЕВЫХ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ 1990
  • Аден В.Г.
  • Карташев Е.Ф.
  • Лисовой В.Ф.
  • Фесенко Ю.Н.
  • Трунов А.А.
SU1759161A1
ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) 2008
  • Ватулин Александр Викторович
  • Волков Василий Семенович
  • Ершов Сергей Александрович
  • Козлов Алексей Владимирович
  • Морозов Александр Васильевич
  • Симонов Александр Петрович
  • Сорокин Владимир Иванович
RU2389089C1
ТВЭЛ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 1997
  • Ватулин А.В.
  • Лысенко В.А.
  • Мишунин В.А.
  • Солонин М.И.
RU2125305C1
ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ 2018
  • Дробышев Юрий Юрьевич
  • Селезнев Евгений Федорович
RU2680252C1
ТВЭЛ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2012
  • Павлов Сергей Владленович
  • Сухих Алексей Васильевич
  • Сагалов Сергей Сергеевич
RU2524681C2
ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 1995
  • Бурлаков Е.В.
  • Краюшкин А.В.
  • Купалов-Ярополк А.И.
  • Николаев В.А.
  • Панюшкин А.К.
RU2065627C1
ТВЭЛ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 1997
  • Ватулин А.В.
  • Костомаров В.П.
  • Лысенко В.А.
  • Савченко А.М.
  • Солонин М.И.
  • Стелюк Ю.И.
RU2124767C1

Реферат патента 1996 года ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА СО СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Сущность: в теплопередающий свинцовый сплав, расположенный в зазоре между топливом и оболочкой, вводят ингибирующую добавку, образующую при рабочих температурах при взаимодействии с металлическим топливом защитное покрытие на топливном сердечнике. В качестве ингибирующей добавки выбирают алюминий в количестве 0,1 - 2,0 ат.% и/или никель в количестве 0,5 - 3,0 ат.% и/или сера в количестве 0,01 - 1,0 ат.% и/или олово в количестве 5,0 - 10,0 ат. % и/или сурьма в количестве 0,2 - 10,0 ат.%. При этом оболочку приготавливают из сплава на основе металлов УА подгруппы периодической системы элементов, преимущественно из сплава на основе ванадия и/или ниобия. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 067 324 C1

Тепловыделяющий элемент ядерного реактора со свинцовым теплоносителем, содержащим сердечник, выполненный из металлического топлива и размещенный в оболочке с зазором, заполненным свинцовым сплавом, отличающийся тем, что в свинцовый сплав введена ингибирующая добавка, в качестве которой выбран алюминий в количестве 0,1 2,0 ат. или никель 0,5 3,0 ат. или сера - 0,01 1,0 ат. или олово 5 10 ат. или сурьма 0,2 10,0 ат. образующая при рабочих температурах с металлическим топливом защитное покрытие на топливном сердечнике.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1996 года RU2067324C1

Самойлов А.Г
Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов.- Энергоатомиздат, 1985, с.27
Способ изготовления пористых крупноразмерных керамических изделий 1979
  • Иващенко Павел Антонович
  • Воробьев Харлампий Сергеевич
  • Шейнман Ефим Шулимович
  • Варламов Василий Петрович
SU773021A1
Выбрасывающий ячеистый аппарат для рядовых сеялок 1922
  • Лапинский(-Ая Б.
  • Лапинский(-Ая Ю.
SU21A1

RU 2 067 324 C1

Авторы

Елистратов И.В.

Загрязкин В.Н.

Маковецкий А.В.

Орлов В.В.

Панов А.С.

Сила-Новицкий А.Г.

Смирнов В.С.

Филин А.И.

Даты

1996-09-27Публикация

1992-09-28Подача