ТВЭЛ ДЛЯ ВОДО-ВОДЯНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ Российский патент 1998 года по МПК G21C3/58 G21C3/64 G21C21/02 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для изготовления твэлов водо-водяных реакторов.

Одним из основных требований к твэлам является их надежность в аварийных ситуациях.

Известна конструкция твэла контейнерного типа для реакторов ВВЭР-1000: в оболочке из циркониевого сплава размещены таблетки из диоксида урана [1]. Эти твэлы показывают удовлетворительную работоспособность при стационарном режиме работы. Однако из-за низкой теплопроводности топлива (до 4 Вт/м•град) развивается высокая температура в центре твэла (до 2000^oC) и снижается надежность при аварийных ситуациях: энергичный разогрев всего твэла от запасенной в нем энергии.

При разгерметизации оболочки твэла контейнерного типа сразу происходит контакт теплоносителя с большой поверхностью топлива. Поэтому подобная конструкция твэла (контейнерного типа) также не надежна из-за отсутствия металлургического сцепления топливного сердечника с оболочкой.

Высокой радиационной стойкостью обладают твэлы дисперсионного типа.

Известная конструкция твэла с дисперсионным топливом UO₂-Zr в оболочке из циркониевого сплава Э110 [2]. Твэл представляет собой полученный горячим прессованием топливный сердечник из диоксида урана и циркония в оболочке из сплава Э110.

Однако ураноемкость такого твэла (2,4-4,8 г/см³, объемная доля диоксида урана в сердечнике составляет 30-60%) уступает ураноемкости твэла с таблетками из диоксида урана (7,7 г/см³).

Прокаткой или обжатием достигается плотное прилегание сердечника к оболочке, однако при этом отсутствует металлургическое сцепление.

В условиях аварийной ситуации при 900^oC начнется интенсивное взаимодействие компонентов сердечника с увеличением объема.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является конструкция твэла кольцевого типа для реактора АМ (Первой атомной электростанции): оболочка из нержавеющей стали общей длиной 1700 мм заполнена горючим - крупкой уран-молибденового сплава (9% молибдена) - и пропитана магнием [3].

Благодаря особенностям конструкции (ядерное топливо занимает до 60% от активного объема) и применению емкого по делящемуся изотопу топлива (сплав ОМ-9), обеспечивается ураноемкость 8-9 г/см³ и равномерное распределение топлива по высоте твэла. Пропитка засыпанного топлива магнием методом вакуумного всасывания расплава позволяет получить качественное металлургическое сцепление компонентов твэла и обеспечить работоспособность твэла в нестационарных режимах. Благодаря высокой теплопроводности топливной композиции и металлургическому сцеплению компонентов твэла температура в центре сердечника не превышает 450^oC.

Однако в таких твэлах отсутствуют свободные объемы для компенсации распухания в штатных и аварийных режимах.

Нержавеющая оболочка твэла и уран-молибденовое топливо имеют значительный паразитный захват тепловых нейтронов.

Основной технической задачей изобретения является повышение надежности твэла в аварийных ситуациях, при сохранении теплопроводности твэла не ниже 15 Вт/м•град и ураноемкости не ниже 7,7 г/см³.

Поставленная цель достигается тем, что твэл (фиг. 1) включает в себя герметичную оболочку 1 с концевыми заглушками 2 и размещенный в ней топливный сердечник 3, состоящий из частиц делящейся фазы 4 (фиг. 2) и пропиточного сплава на основе циркония 5. При этом частицы делящейся фазы соединены между собой и с оболочкой "менисковыми" мостиками пропиточного сплава на основе циркония 5, а поры 6 составляют от 15 до 45% от внутреннего объема оболочки твэла.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с известными позволяет установить соответствие заявляемого изобретения требованиям критерия "новизна".

Частицы делящейся фазы в виде крупки или гранул покрыты слоем сплава на основе циркония, который частично или полностью покрывает их поверхность.

С целью снижения избыточной реактивности твэла в состав пропиточного сплава на основе циркония может входить выгорающий поглотитель, например, гадолиний или гафний.

С целью повышения количества делящейся фазы в твэле в состав пропиточного сплава на основе циркония может входить уран или плутоний.

Металлургический контакт частиц делящейся фазы между собой и с оболочкой достигнут за счет капиллярных свойств сплавов на основе циркония. Эта сплавы представляют собой легкоплавкие эвтектики с температурой плавления ~ 800 - 900^oC, которые смачивают конструкционные и топливные материалы, а также обладают высоким поверхностным натяжением. Сплавы, проявляя капиллярные свойства при расплавлении, обволакивают топливные частицы, соединяя их.

Пропиточный сплав на основе циркония в виде крупки или гранул совместно с частицами делящейся фазы виброзасыпаются в оболочку (фиг. 3). При последующем вакуумном нагреве выше температуры плавления пропиточного сплава поверхности частиц топлива и оболочки смачиваются сплавом, образуя между ними металлургическое сцепление. При этом происходит перемещение расплава в стыки (места касаний) топливных частиц с образованием "менисковых" мостиков между ними (в местах первоначального расположения крупки или гранул пропиточного сплава остаются поры) (фиг. 4). Вследствие этого величина теплопроводности сердечника равна 16-25 Вт/м•град. Величину пористости в интервале от 15 до 45% от внутреннего объема твэла модно регулировать меняя плотность засыпки частиц топлива и пропиточного сплава подбором фракций частиц.

В качестве топливных частиц используются сплавы на основе урана (U-Mo, U-Nb-Zr, U-Si, UO₂ и т.п.).

С целью увеличения ураноемкости сердечника и более равномерного распределения делящейся фазы в состав сплава на основе циркония можно вводить уран или плутоний.

С целью снижения избыточной реактивности твэла в состав сплава на основе циркония можно вводить выгорающий поглотитель, например, гадолиний или гафний.

Имеющейся в сердечнике исходной пористости достаточно для компенсации от 25 до 105% увеличения объема топливных частиц при аварийных ситуациях.

На фиг. 1 представлен схематично предлагаемый твэл, где 1 - оболочка; 2 - концевые заглушки; 3 - топливный сердечник;
На фиг. 2 представлено сечение предлагаемого твэла, где 1 - оболочка; 4 - частицы делящейся фазы; 5 - пропиточный сплав на основе циркония; 6 - опоры.

На фиг. 3 представлено сечение оболочки твэла с засыпанной смесью до операции расплавления сплава на основе циркония, где 1 - оболочка; 4 - частицы делящейся фазы; 5 - пропиточный сплав на основе циркония; 6 - поры.

На фиг. 4 представлены фрактограмма поперечного излома твэла, где 4 - частица делящейся фазы (U-Zr-Nb со слоем сплава на основе циркония, растекшегося по поверхности частицы делящейся фазы при температурном нагреве); 5 - "менисковый" мостик сплава на основе циркония; 6 - опоры.

На фиг. 5 представлено сечение предлагаемого твэла, где 1 - оболочка сложной формы; 4 - частицы делящейся фазы; 5 - пропиточный сплав на основе циркония, легированный ураном, плутонием, гадолинием и гафнием; 6 - поры; 7 - металлизированный слой на частицах делящейся фазы.

Примеры конкретной реализации изобретения
Пример 1. Твэл состоит (фиг. 1) из оболочки 1, топливного сердечника 3 и концевых заглушек 2. В оболочке (фиг. 1 и 2) из циркониевого сплава Э110 диаметром 9,15 мм длиной 910 мм находятся гранулы делящейся фазы в виде сплава U-Zr-Nb, пропиточного сплава на основе циркония, растекшегося по поверхности гранул делящейся фазы при температурном нагреве и пор. Объемные доли гранул делящейся фазы, пропиточного сплава на основе циркония и межгранульной пористости составляют 58,8%, 15,7% и 25,5% от внутреннего объема оболочки твэла соответственно.

Ураноемкость втэла - 8,4 г/см³. Теплопроводность сердечника - 21,4 Вт/м•град. Для подтверждения надежности твэла в аварийных ситуациях его подвергали быстрому нагреву в печи (скорость разогрева 4^oC/c) до 1050^oC и выдерживали в течение 1 ч. Толщина слоя взаимодействия на оболочке составила 45 мкм, изменения формы и размеров твэла не обнаружено.

Другие возможные реализации изобретения с отличительными особенностями от примера 1 приведены ниже.

Возможна реализация изобретения с известными оболочками из циркониевых сплавов цилиндрической (фиг. 2) и сложной (фиг. 5) формы с описанными диаметрами от 4,5 до 13,6 мм, длиной до 2500 мм.

Возможна реализация изобретения с известными делящимися фазами U-Zr-Nb, U-Mo, U₃Si, UO₂ в виде крупки или гранул фракционных составов от 0,2 до 3,0 мм с металлизированным слоем ниобия или молибдена, или никеля, или циркония толщиной 1-5 мкм или без этого слоя.

Возможна реализация изобретения с пропиточными сплавами на основе циркония, в которые в качестве легирующих компонентов входят уран или плутоний и/или гадолиний, или гафний. Возможна реализация изобретения с объемной долей пор в сердечнике от 15 до 45%.

Пример 2 (фиг. 5). Твэл состоит из оболочки 1 сложной формы из циркониевого сплава Э-635 с описанным диаметром 6,9 мм, длиной 1030 мм, в которой находятся делящаяся фаза 4 в виде гранул U₃Si с металлизированным слоем 7 из ниобия толщиной 1-5 мкм, пропиточный сплав 5 на основе циркония, легированный ураном, плутонием, гадолинием и гафнием, и пор 6. Объемные доли гранул делящейся фазы, пропиточного сплава и пор составляет 56,7%, 16,3% и 27% соответственно. Металлизированный слой на поверхности частиц U₃Si получен, например, методом ионно-плазменного напыления ниобия.

Ураноемкость твэла составляет 8,9 г/см³. Теплопроводность твэла составляет 25,5 Вт/м•град. После имитации условий аварийной ситуации (температура 1100^oC, время выдержки 1 ч, скорость разогрева 4^oC/c) толщина слоя взаимодействия на оболочке составила 55 мкм, изменений формы и размеров твэла не обнаружено.

Результаты показали, что обеспечивается воспроизведение заявляемой конструкции твэла, надежной в аварийных ситуациях до 1000^oC с теплопроводностью сердечника не ниже 15 Вт/м•град и ураноемкостью не ниже 7,7 г/см³. По сравнению с прототипом заявляемая конструкция твэла имеет компенсационную межгранульную пористость от 15 до 45 об.% от внутреннего объема оболочки твэла (отсутствующую у твэла-прототипа) для компенсации распухания топливных частиц.

Так как обеспечить засыпку частиц компонентов топливной композиции в оболочку с объемной долей более 85% технологически затруднительно (для этого требуется подбор трех-четырех групп частиц с определенными фракционными составами и объемными соотношениями), то в предлагаемой конструкции твэла не реализуется пористость менее 15%.

Реализовать пористость в топливном сердечнике более 45% нецелесообразно, так как при этом теряется ураноемкость, и технологически сложно.

Сущность изобретения: твэл имеет пористость 15 - 45% об. для компенсации распухания топливных частиц. В оболочке твэла размещен топливный сердечник, состоящий из делящейся фазы - крупки или гранул известных соединений U - Zn - Nb, U - Mo, U₃Si, - металлургически сцепленных между собой и оболочкой пропиточным сплавом на основе циркония. При этом топливные частицы соединены между собой и оболочкой "менисковыми" мостиками из пропиточного сплава на основе циркония, которые образуются при расплавлении пропиточного сплава на основе циркония. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Твэл для водо-водяного энергетического реактора, включающий герметичную оболочку и размещенный в ней топливный сердечник, состоящий из частиц делящейся фазы и пропиточного сплава, отличающийся тем, что в качестве пропиточного сплава используют сплав на основе циркония, при этом частицы делящейся фазы соединены между собой и с оболочкой менисковыми мостиками пропиточного сплава на основе циркония, а поры составляют 15 - 45 об.% от внутреннего объема оболочки твэла. 2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что вся или часть поверхности частиц делящейся фазы покрыта слоем сплава на основе циркония. 3. Твэл по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в состав сплава на основе циркония входит уран или плутоний. 4. Твэл по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в состав сплава на основе циркония входит выгорающий поглотитель, гадолиний или гафний. 5. Твэл по пп.1 - 4, отличающийся тем, что поверхности частиц делящихся фаз, не смачивающихся сплавом на основе циркония, металлизированы слоем ниобия, или молибдена, или никеля, или циркония толщиной 1 - 5 мкм.