ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1998 года по МПК G21C3/00 G21C3/20 G21C7/04 

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в тепловыделяющих элементах ядерных реакторов на тепловых нейтронах, имеющих защитное покрытие между оболочкой и топливным столбом, содержащее материал, выполняющий функцию выгорающего поглотителя.

Обеспечение оптимальных условий теплопередачи от твэла к теплоносителю зависит от многих факторов, одним из которых является уменьшение теплового сопротивления между топливом и оболочкой твэла при наличии промежуточной структуры, выполняющей различные функциональные задачи. В частности обеспечивающей плотное прилегание топлива к оболочке.

Создание качественного контакта между ядерным топливом и оболочкой твэла представляет достаточно сложную задачу, для решения которой необходимо использовать разнообразные технологические приемы. Нанесение на поверхность топлива различного рода защитных покрытий, предотвращающих прямой контакт топлива с оболочкой позволяет значительно улучшить условия эксплуатации твэлов. Помимо основных защитных функций такой буферный барьер включает материалы, используемые в качестве выгорающего поглотителя, что положительно сказывается на нейтронно-физических параметрах активной зоны во время кампании ядерного реактора. Материалы, используемые как выгорающие поглотители, как правило, представляет собой боросодержащие составы, в частности содержащие диборид циркония (ZrB₂).

Известен тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий ядерное топливо, поверхность которого покрыта защитным слоем, одержащим выгорающий поглотитель [1]. Защитный слой представляет собой смесь UO₂ и ZrB₂, наносимый на топливные таблетки из двуокиси урана. В процессе эксплуатации данного твэла возможно его повреждение за счет наличия влаги в защитном слое, поглощаемой диборидом циркония (ZrB₂) во время изготовления твэла. Уменьшение взаимодействия влаги, содержащейся в ZrB₂, с топливом обеспечивается нанесением между топливом и слоем из диборида циркония гидрофобного покрытия из ниобия [2] . Аналогичный метод, уменьшающий вероятность контакта влаги с оболочкой, реализован в конструкции твэла, на внешнюю поверхность которого, т. е. на защитное покрытие, содержащее диборид циркония, нанесен слой ниобия [3].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий топливные таблетки, по крайней мере часть поверхности которых имеет многослойное защитное покрытие, по крайней мере один слой которого, не контактирующий непосредственно с топливом, выполнен из ZrB₂ (см. патент Великобритании N 2137012, кл. G 21 C 3/20, 1984). В известном твэле защитное покрытие, содержащее три слоя, центральный слой выполнен из диборида циркония, защищенный, в свою очередь слоями из ниобия, что оказывает позитивное влияние за счет предотвращения поглощения диборидом циркония влаги.

Однако при эксплуатации тепловыдаляющего элемента вследствие достаточно существенной разницы коэффициентов температурного расширения ниобия и делящегося материала, в частности двуокиси урана, происходит нарушение целостности защитного покрытия и снижается сцепление защитного покрытия с топливными таблетками, что приводит к увеличению теплового сопротивления между топливом и внешней поверхностью оболочки твэла. В результате ухудшаются условия теплосъема. Кроме того, наличие внешнего и внутреннего слоев из ниобия, защищающего диборид циркония увеличивает паразитный захват нейтронов, поскольку собственно ниобия не является выгорающим поглотителем, но имеет относительно высокое значение величины поглощения нейтронов, что снижает эффективность использования топлива.

Задачей настоящего изобретения является создание тепловыделяющего элемента ядерного реактора, обладающего улучшенными параметрами теплосъема при одновременном повышении экономичности и эффективности использования ядерного топлива.

При решении данной задачи реализуются новые технические результаты, заключающиеся в увеличении надежности сцепления поверхности топливных таблеток с защитным покрытием при одновременном снижении паразитного захвата нейтронов теми слоями защитного покрытия, которые плакируют слой материала содержащего выгорающий поглотитель нейтронов.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, содержащем топливные таблетки, по крайней мере часть поверхности которых имеет многослойное защитное покрытие, по крайней мере один слой которого, не контактирующий непосредственно с топливом, выполнен из ZrB₂, внешний и внутренний слои покрытия выполнены из материала включающего ZrO₂.

Кроме того, защитное покрытие содержит, по крайней мере два слоя из ZrB₂, между которыми расположены слои из материала включающего ZrO₂, а по крайней мере один слой из материала включающего ZrO₂ дополнительно содержит ZrOB.

Защитное покрытие может быть нанесено на боковую и/или торцевую поверхность таблеток.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что внутренний и внешний слои защитного покрытия выполнены из двуокиси циркония или из материала на его основе. Слои из двуокиси циркония или из материала на его основе позволяют в совокупности с по крайней мере, одним слоем из диборида циркония, который они экранируют достаточно существенно повысить сцепление защитного покрытия в целом с топливными таблетками, а также снизить паразитный захват нейтронов, что обусловлено более низким значением сечения взаимодействия циркония с нейтронами по сравнению с ниобием. При этом возможно уменьшение толщины слоя из диборида циркония при сохранении его функции выгорающего поглотителя за счет использования в качестве экранирующих диборид циркония слоев смеси ZrO₂ и ZrOB.

На фиг. 1 изображен тепловыделяющий элемент с топливными таблетками, имеющими защитное покрытие: на фиг. 2 - структура A защитного покрытия на фиг. 1; на фиг. 3 - вариант структуры A.

Тепловыделяющий элемент 1 содержит топливные таблетки 2, по крайней мере часть поверхности которых имеет защитное покрытие 3. Защитное покрытие 3 содержит по крайней мере один слой 4 из ZrO₂, с внешней и внутренней стороны которого расположены слои 5 из ZrO₂ или из смеси ZrO₂ и ZrOB. При эксплуатации реактора слои 4, функционируя в режиме выгорающего поглотителя, поглощают нейтроны, обеспечивая необходимые параметры активной зоны. Слои 5 защитного покрытия 3, с одной стороны, обеспечивают надежный контакт между защитным покрытием 3 и топливными таблетками 2, а, с другой стороны, обеспечивают необходимую защиту слоев 4 от проникновения влаги. Нанесение слоев 5 на слой 4 выполняется известными методами. Описываемая комбинация материалов слоев защитного покрытия 3 повышает надежность эксплуатации и экономичность использования твэла и позволяет уменьшить суммарную толщину защитного покрытия 3 при возможном повышении общего количества слоев, что позитивно сказывается на характеристиках твэла в целом.

Сущность: тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержит топливные таблетки, имеющие многослойное защитное покрытие по крайней мере один слой которого, не контактирующий непосредственно с топливом, выполнен из ZrB₂. Внешний и внутренний слои покрытия выполнены из материала, включающего ZrO₂ или из смеси ZrO₂ и ZrOB. Защитное покрытие может быть нанесено на боковую и/или торцевые поверхности таблеток, а слои из ZrB₂ разделены материалом, включающим ZrO₂. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий топливные таблетки, по крайней мере часть поверхности которых имеет многослойное защитное покрытие, по крайней мере один слой которого, не контактирующий непосредственно с топливом, выполнен из ZrBr, отличающийся тем, что внешний и внутренний слои покрытия выполнены из материала, включающего ZrO₂. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что содержит по крайней мере два слоя из ZrBr, между которыми расположены слои из материала, включающего ZrO₂. 3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что по крайней мере один слой из материала, включающего ZrO₂, дополнительно содержит ZrOB. 4. Элемент по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что защитное покрытие нанесено на боковую и/или торцевую поверхность таблеток.