ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1997 года по МПК G21C3/00 G21C3/02 G21C3/26 G21C3/36 

Изобретение относится к ядерной технике и касается усовершенствования конструкций тепловыделяющих элементов, входящих в состав активной зоны, и может найти применение в различных типах ядерных реакторов, использующих твэлы, установленные параллельно друг другу, особенно в ядерных водо-водяных реакторах.

В настоящее время получили широкое распространение в современных ядерных реакторах стержневые тепловыделяющие элементы, которые представляются наиболее перспективными в ближайшем будущем. Стержневой твэл имеет топливный сердечник, состоящий из отдельных таблеток или стерженьков цилиндрической формы, размещенных в оболочке, которая является конструкционным несущим элементом (А.Г.Самойлов. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М. Энергоатомиздат, 1985, с. 99 107). При выполнении топливного сердечника в виде сплошных таблеток или стерженьков оболочка в течении эксплуатации подвергается значительным напряжениям за счет расширения и распухания топлива, а также вследствие газовыделения из топлива, особенно в местах, соответствующих границе раздела таблеток или стерженьков. Устранение данных негативных моментов осуществляется профилированием формы таблеток или стерженьков, в частности, путем выполнения их торцев вогнутыми (А.Г.Самойлов. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М. Энергоатомиздат, 1985, с. 53) или с конической формой боковой поверхности в районе торцев.

Диаметр стержневых твэлов в целях увеличения поверхности теплообмена и снижения температурных напряжений, вызванных перепадом температур, принимается возможно меньшим, и варьируется в реальных конструкциях от 8 до 12 мм. При повышении величины требуемой энергонапряженности или для повышения безопасности эксплуатации при заданной нагрузке из-за ограничений, связанных с допустимой температурой топлива и теплопередачей, стремятся к увеличению отношения поверхности твэла к его объему, при котором обеспечивается уменьшение теплового потока на единицу поверхности за счет увеличения поверхности. Увеличение отношения поверхности твэла к объему может быть получено при использовании стержневых твэлов с существенно уменьшенным диаметром или при использовании кольцевых твэлов, содержащих топливо, размещенное между двумя концентрично установленными оболочками (А.Г.Самойлов. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М. Энергоатомиздат, 1985, с. 33 - 34), контактирующими с теплоносителем.

В свою очередь дальнейшее возможное уменьшение диаметра стержневых твэлов приведет к резкому снижению его прочностных характеристик, следовательно, к практическому исключению использования, а известные технологии производства кольцевых твэлов с учетом их конструктивных особенностей не позволяют изготовить кольцевые твэлы с диаметрами прочностными и нейтронно-физическими характеристиками, соответствующими параметрам стержневых твэлов. Действительно, существующие технологии изготовления кольцевых твэлов предполагают производство таких твэлов с минимальным внутренним диаметром от 10 до 15 мм, при котором обеспечивается необходимая точность изготовления и стабильность параметров ( толщина оболочки по длине твэла, однородность порошкообразного топлива по длине и радиусу твэла и пр.). Кроме того, при уменьшении внешнего диаметра кольцевой твэл практически не может быть использован в существующих конструкциях реакторов, так как в этом случае у него по сравнению со стержневым твэлом существенно снижается продольная устойчивость, поскольку резко возрастает величина отношения длины твэла к его диаметру. Компенсировать данный негативный фактор возможно резким уменьшением внутреннего диаметра кольцевого твэла. При этом получается конструкция, практически аналогичная стержневому твэлу.

Поэтому в настоящее время в действующих реакторах преимущественно используют стержневые твэлы, а стремление увеличить отношение поверхности теплообмена к объему твэла с учетом вышеперечисленных факторов, практически исключает возможность использования кольцевых твэлов, выполненных в виде двух коаксиальных оболочек, между которыми расположено топливо.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому в настоящем изобретении является тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий кольцевой сердечник с порошкообразным топливом, размещенным в оболочке (А.Г. Самойлов. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М. Энергоатомиздат, 1985, с. 67 73). Известный твэл обеспечивает относительно высокий уровень выгорания топлива, так как порошкообразное топливо выполнено в виде таблеток, внутри которых имеется полость для сбора газов и осколков деления, что снижает уровень механических нагрузок на оболочку в процессе кампании реактора и позволяет увеличить энергонапряженность.

Однако при использовании известных конструкций тепловыделяющих элементов, имеющих топливо в виде таблеток, невозможно увеличивать мощность реактора вследствии резкого снижения прочностных характеристик оболочки в местах, противолежащих границе раздела поверхности топливных таблеток. Поэтому при разработке новых конструкций реакторов увеличение отношения поверхности теплообмена к объему твэла за счет уменьшения диаметра твэла, приводящее, с одной стороны, к снижению напряжений в твэле, с другой стороны к уменьшению прочности твэла за счет повышения отношения длины твэла к его диаметру возможно лишь до определенного предела. Более того, использование новых улучшенных твэлов с уменьшенным внешним диаметром в действующих реакторах при их перегрузке без полной замены узлов активной зоны, которая должна быть рассчитана исходя из нового диаметра твэлов, невозможно.

Отмеченные проблемы в принципе отчасти могут быть разрешены путем усовершенствования отдельных узлов и элементов твэла, выбора соответствующей технологии изготовления, более тщательного нейтронно-физического расчета и пр. что достаточно широко используется при создании и модернизации твэлов. Но все улучшения при использовании вышеперечисленных классических конструкций не позволяют заметно повысить эффективность твэла с точки зрения различных требований, предъявляемых к тепловыделяющим элементам.

Задачей настоящего изобретения является создание новой концепции и конструкции тепловыделяющих элементов обладающих повышенной эффективностью.

В результате решения данной задачи реализуются новые технические результаты, заключающиеся в том, что обеспечивается возможность повышения энергонапряженности твэла, повышается величина отношения поверхности теплообмена к объему твэла при обеспечении варьирования водо-уранового отношения в более широком диапазоне.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, содержащем кольцевой сердечник с порошкообразным топливом, размещенным в оболочке, кольцевой сердечник выполнен в виде навитой в винтовую спираль оболочки, с размещенным в нем порошкообразным топливом, причем снаружи и/или внутри винтовой спирали установлен фиксатор.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является выполнение кольцевого топливного сердечника в виде навитой в винтовую спираль оболочки, с размещенным в нем порошкообразным топливом, снаружи и/или внутри которой установлен фиксатор, что характеризует принципиально новую конструкцию твэла, обладающего одновременно преимуществами стержневого и кольцевого твэлов, и обусловлено следующим. Поскольку оболочка с размещенным в ней порошкообразным топливом навита в винтовую спираль, топливная часть кольцевого сердечника с внешней и внутренней сторон, защищенная оболочкой, передает тепло через оболочку теплоносителю через внешнюю и внутреннюю поверхности по аналогии с кольцевым твэлом. Наличие наружного и/или внутреннего фиксатора, исключающего деформации спирали, позволяет сохранить свойства стержневого твэла прочность, нейтронно-физические характеристики и т.п.

Кроме того, фиксатор может быть выполнен в виде цилиндрической гильзы, которая имеет перфорацию и/или аксиальные пазы.

Целесообразно оболочку с размещенным в нем топливом выполнить в виде порошковой проволоки с профилем поперечного сечения в виде круга или квадрата, или прямоугольника.

Возможно выполнение кольцевого сердечника секционированным с расположением секций по оси сердечника и/или коаксиально друг другу.

Спираль может быть навита с постоянным или переменным по длине диаметром и с переменным шагом, увеличивающимся или уменьшающимся от центра спирали к ее торцам, или постоянным шагом, в частности с шагом, равным диаметру оболочки, а также многозаходной.

На фиг. 1 изображен продольный разрез описываемого твэла; на фиг. 2 - вариант выполнения твэла с секционированными сердечниками; на фиг. 3 вариант твэла с различными диаметрами спирали по ее длине; на фиг. 4 вариант твэла с различным шагом навивки спирали по его длине; на фиг. 5 частные случаи выполнения профилей поперечного сечения оболочки.

Тепловыделяющий элемент 1 включает кольцевой сердечник 2 с порошкообразным топливом 3, размещенным в оболочке 4. Оболочка 4 навита в винтовую спираль 5. Снаружи и/или внутри спирали 5 установлен фиксатор 6. Фиксатор 6 целесообразно выполнить в виде цилиндрической гильзы 7, имеющей перфорацию 8, например из отверстий 9, что снижает массу конструкционного материала, а также улучшает условия теплообмена. Аналогичный результат дают аксиальные пазы 10.

В качестве фиксатора можно использовать также гильзу соседнего твэла при незначительной ее доработке.

Кольцевой сердечник 2 может быть секционированным, а секции 11 расположены по оси сердечника 2 или коаксиально друг другу. При коаксиальном расположении секций 11 предпочтительно выполнить спираль многозаходной.

Спираль 5 в зависимости от требуемого распределения топлива по длине, а также из соображений компенсации температурных расширений, может быть навита с постоянным t₁ или переменным шагом, в частности с шагом, равным диаметру d оболочки, а также с постоянным или переменным по длине диаметром (фиг. 3). При этом шаг спирали может увеличиваться (t₂) от центра к торцам спирали или уменьшаться (t₃). Возможны различные сочетания изменения шага и диаметра спирали по ее длине.

Наиболее предпочтительно изготавливать оболочку с топливом ампульно-порошковым методом с получением порошковой проволоки с диаметром (0,7 2,3) мм, что обеспечивают современные технологии.

Профиль поперечного сечения порошковой проволоки может быть самой различной формы (фиг. 5).

При эксплуатации рабочее тело (теплоноситель) проходит как со стороны внутренней, так и наружней поверхностей тепловыделяющего элемента 1, снимая тепло с них непосредственно или через гильзы 7.

Двухсторонний теплосъем, которому способствует также перфорация 8 и пазы 9, существенно позволяют повысить энергонапряженность тепловыделяющего элемента и увеличить величину отношения поверхности теплообмена к объему твэла. Поперечное обтекание теплоносителем витков спирали дополнительно увеличивает коэффициент теплоотдачи, особенно при использовании в качестве спирали порошковой проволоки с профилем поперечного сечения в виде круга.

Описываемая конструкция твэла может быть выполнена с размерами, соответствующими размерам известных стержневых твэлов, используемых в функционирующих реакторах, что позволяет применять их в качестве штатных.

Использование: в ядерной технике и касается усовершенствования конструкций тепловыделяющих элементов, входящих в состав активной зоны. Сущность: тепловыделяющий элемент ядерного реактора содержит кольцевой сердечник с порошкообразным топливом, размещенным в оболочке. Кольцевой сердечник выполнен в виде навитой в винтовую спираль оболочки с размещенным в нем порошкообразным топливом. Для исключения деформации винтовой спирали снаружи/или внутри нее установлен фиксатор, выполненный, например, в виде цилиндрической гильзы. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий кольцевой сердечник с порошкообразным топливом, размещенным в оболочке, отличающийся тем, что кольцевой сердечник выполнен в виде навитой в винтовую спираль оболочки, с размещенным в ней порошкообразным топливом, причем снаружи и/или внутри винтовой спирали установлен фиксатор. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде цилиндрической гильзы. 3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что цилиндрическая гильза выполнена перфорированной и/или с аксиальными пазами. 4. Элемент по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что оболочка с размещенным в ней порошкообразным топливом выполнена в виде порошковой проволоки с профилем поперечного сечения в виде круга, или квадрата, или прямоугольника. 5. Элемент по п.1, или 2, или 3, и/или 4, отличающийся тем, что кольцевой сердечник выполнен секционированным, причем секции расположены по оси сердечника и/или коаксиально одна другой. 6. Элемент по п.1, или 2, или 3, и/или 4, и/или 5, отличающийся тем, что спираль навита с постоянным или переменным по длине диаметром. 7. Элемент по п.1, или 2, или 3, и/или 4, и/или 5, и/или 6, отличающийся тем, что спираль выполнена многозаходной. 8. Элемент по п.1, или 2, или 3, или 4, и/или 5, и/или 6, и/или 7, отличающийся тем, что спираль навита с постоянным шагом. 9. Элемент по п.1, или 2, или 3, и/или 4, и/или 5, и/или 6, и/или 7, отличающийся тем, что спираль навита с шагом, равным диаметру оболочки. 10. Элемент по п.1, или 2, или 3, и/или 4, и/или 5, и/или 6, и/или 7, отличающийся тем, что спираль навита с переменным шагом. 11. Элемент по п.10, отличающийся тем, что спираль навита с шагом, увеличивающимся от центра спирали к ее торцам. 12. Элемент по п.10, отличающийся тем, что спираль навита с шагом, уменьшающимся от торцов спирали к ее центру.