ВЕНТИЛИРУЕМЫЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1999 года по МПК G21C3/02 G21C3/10 H01J45/00 

Изобретение относится к атомной энергетике, более конкретно - к разработке вентилируемых тепловыделяющих элементов (твэл) ядерного реактора, предназначенного для преобразования энергии деления ядерного горючего в тепловую энергию или непосредственно в электрическую, в частности для термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП).

Известны вентилируемые твэлы, которые содержат топливный материал (ТМ), оболочку заключающую этот топливный материал, газоотводное устройство (ГОУ), выполненное в виде трубки из тугоплавкого материала, выводящее газообразные продукты деления (ГПД) и летучие продукты деления из центральной газовой полости за пределы твэла [1, 2]. Подобные конструкции реализуются для высокотемпературных твэлов с длительным ресурсом работы, в которых ТМ, как правило, не содержит добавок инертного разбавителя (например, тугоплавких металлов). Поэтому ТМ, в первую очередь имеется в виду диоксид урана, имеет более высокую температуру и характеризуется большим радиальным градиентом температуры, способствующим росту столбчатых зерен, границы которых являются эффективными стоками ГПД в центральную газовую полость, образующуюся в результате переконденсации и уплотнения ТМ.

Как правило, через ГОУ вместе с ГПД выходят летучие продукты деления и пар ТМ, которые могут нарушать работу твэла и ТРП в основном по причинам:
1) недопустимо большие количества ТМ вышедшего из термоэмиссионного твэла нарушает тепловой баланс твэла и таким образом снижает величину электрической энергии преобразования (в случае термоэмиссионного твэла);
2) вышедший из твэла ТМ конденсируется на относительно более холодные конструктивные элементы реактора и может вывести их из строя;
3) ТМ, проходящий через ГОУ, может конденсироваться внутри трубки ГОУ и таким образом закупоривать ее, в результате чего нарушается нормальный вывод ГПД из твэла.

Особенно важно организовать надежный вывод ГПД из ТМ для высокотемпературных твэлов с длительным ресурсом работы.

Для снижения выхода ТМ через ГОУ и предотвращения конденсации ТМ внутри трубки ГОУ известен вентилируемый тепловыделяющий элемент ядерного реактора, включающий топливный материал и центральную газовую полость, трубку, которая пронизывает топливный материал и имеет два открытых конца, один конец этой трубки, имеющей наконечник с капиллярным каналом расположен в центральной газовой полости, а другой ее конец выходит из оболочки тепловыделяющего элемента с тем, чтобы отводить летучие и газообразные продукты деления из топливного материала [3] . Наличие в твэле ГОУ с капиллярным наконечником позволяет снизить выход паров ТМ из центральной газовой полости.

Однако такая конструкция вентилируемого твэла, использующая ГОУ с капиллярным наконечником, снижает надежность работы твэла, т.к. увеличивается вероятность непредвиденного нарушения пропускной способности ГОУ. Основной недостаток этого твэла - низкая надежность, вследствие возможности забивания капиллярного канала материалом эмиттера или газоотводной трубки при конденсации и реакции восстановления в капилляре легколетучих окислов металлов (молибдена, вольфрама), из которых изготовлены оболочка твэла и ГОУ. Анализ экспериментальных данных показывает, что даже в области слабого взаимодействия вольфрама с контактирующей UO_2+x возможно появление фазы окислов вольфрама за счет кислорода из UO_2+x. Эти окислы способствуют образованию легкоплавких эвтектик в системе "W - U - O", что ускоряет проникновение урана в вольфрам. Термодинамический анализ показывает усиление проникновения урана за счет появления фазы WO₃ с последующим образованием легкоплавких эвтектик в системе "W - U - O" и создание условий капиллярной конденсации WO₃ [4].

Техническим результатом предложенного решения является улучшение режима вентиляции твэла за счет повышения надежности работы ГОУ, поскольку снижение выхода ТМ и легколетучих продуктов деления из твэла и предотвращения конденсации ТМ в трубке ГОУ можно получить не используя в конструкции ГОУ малонадежный наконечник с капиллярным каналом.

Сущность изобретения заключается в том, что в вентилируемом тепловыделяющем элементе ядерного реактора, содержащем оболочку, заключающую топливный материал и центральную газовую полость, трубку, которая пронизывает топливный материал и имеет два открытых конца, один конец этой трубки расположен в центральной газовой полости, а другой ее конец выходит из оболочки тепловыделяющего элемента, в топливный материал введен мелкодисперсный порошок тугоплавкого материала с размером частиц, соразмерных частицам топливного материала в количестве 1-5 об.%. В качестве тугоплавкого материала использован вольфрам, молибден и сплавы на их основе.

На фиг. 1 изображен вентилируемый твэл в исходном состоянии. На фиг. 2 после процесса переконденсации, перестройки структуры ТМ и образования центральной газовой полости, покрытой пористым слоем тугоплавкого материала.

Вентилируемый твэл ядерного реактора содержит оболочку 1, заключающую ТМ 2 с мелкодисперсным порошком тугоплавкого материала из вольфрама, молибдена или сплавов на их основе с размером частиц, соразмерных частицам топливного материала в количестве 1-5 об.%, центральную газовую полость 3, газоотводное устройство в виде трубки 4.

Введение мелкодисперсного порошка тугоплавкого материала в ТМ основано на экспериментальном факте перераспределения нерастворимых продуктов деления на микрошлифах облученного топлива, наблюдаемых в виде включений второй фазы с характерным металлическим блеском [5]. Причем большая часть включений имеет округлую форму, располагается преимущественно по границам зерен и связана с порами. Размер включений возрастает по мере перехода от периферии к центру образца, т.е. от менее нагретой к более горячей части образца.

Введение в ТМ мелкодисперсного порошка, образующего в исходном состоянии гомогенную смесь с ТМ, в количестве 1-5 об.%, причем с размером частиц приблизительно равным частицам ТМ, вызвано следующими обстоятельствами, особенно это касается термоэмиссионных твэлов.

Малые добавки мелкодисперсного порошка тугоплавкого материала, практически не повлияют на процессы переконденсации и перестройки структуры топливного сердечника твэла, что особенно важно при формировании окончательной структуры топливного сердечника с центральной газовой полостью, из которой через ГОУ выходят ГПД и легколетучие продукты деления.

Расчетный анализ изменения теплопроводности двухфазной композиции, выполненный по формуле Оделевского [6] для статической структуры, показал незначительные изменения теплопроводности. Так расчетный пример, выполненный для композиции из ТМ - UO₂ и добавки мелкодисперсного порошка из W в количестве 2 и 5 об.% показали изменение теплопроводности композиции на 5,9 и 16% соответственно (теплопроводность UO₂ и W принималась 2,5 и 100 Вт/(м•град) соответственно). Добавка мелкодисперсного порошка до 10 об.% увеличивает теплопроводность композиции уже на 37,6%, что приводит к значительному изменению процессов тепломассопереноса в топливном сердечнике твэла и времени формирования центральной газовой полости [7]. Нижняя граница (1 об.%) добавки мелкодисперсного порошка вызвана технологией изготовления изделий из порошков диоксида урана и площадью поверхности центральной газовой полости, образующейся в процессе переконденсации и перестройки структуры ТМ. Расчетные исследования показали, что для обеспечения длительной и надежной работы ГОУ объем центральной газовой полости должен составлять около 30% от объема топливного сердечника. Получающиеся при этом характерные конфигурации поверхности центральной газовой полости подробно рассмотрены в [8]. Характеристикой порошков диоксида урана в зависимости от технологии получения служит средний размер частиц, который может варьироваться от 0,08-0,44 мкм [9] до 40 мкм [10] . Полагаем, что в процессе переконденсации и перераспределения концентрации ТМ и добавки мелкодисперсного порошка на поверхности центральной газовой полости образуется слой порошка с минимальной толщиной, соответствующей характерному размеру частицы (размер частицы принят 40 мкм). Зная характерные объем (порядка 30%) и площадь поверхности центральной газовой полости [8], нетрудно рассчитать предельный случай минимальной добавки мелкодисперсного порошка, составляющей порядка 1%, при этом на поверхности центральной газовой полости будет образован слой тугоплавкого порошка толщиной минимум в одну частицу. При меньшей добавке тугоплавкого материала (менее 1%) возможны ситуации (для размера частиц 40 мкм и более), когда не образуется непрерывного слоя из мелкодисперсного порошка, что может резко снизить эффективность вентилируемого твэла. Кроме того, статическая структура топливной композиции, образующей гомогенную смесь с вышеназванным количеством добавки с размерами частиц, приблизительно равными частицам ТМ, очевидно, на начальном этапе работы твэла предотвратит образование непрерывной матричной структуры из материала добавки мелкодисперсного порошка. Очевидно, что при последующей работе твэла, с учетом перераспределения ТМ и мелкодисперсной добавки, концентрация добавки мелкодисперсного порошка тугоплавкого материала по направлению градиентов температуры будет увеличиваться от периферии твэла к его центральной части, с максимумом на границе центральной газовой полости, стремящейся с течением времени к изотермической поверхности. С течением времени, по мере увеличения концентрации мелкодисперсного порошка тугоплавкого материала, на границе центральной газовой полости, таким образом образуется пористый слой тугоплавкого материала.

Вентилируемый твэл ядерного реактора работает следующим образом. В результате работы реактора в высокотемпературном твэле происходит ядерная реакция деления ТМ 2 с превращением энергии деления в тепло. ТМ 2 испытывает при этом комплексное радиационное, температурное и механическое воздействие, в результате которого происходит перестройка структуры и переконденсация ТМ 2 с образованием центральной газовой полости 3, куда стекаются ГПД, образующиеся в процессе деления ТМ 2. В результате нейтронного облучения наблюдается изменение структуры и физико-механических свойств ТМ 2, в частности по направлению температурного градиента в топливе происходит перераспределение концентрации ТМ 2 и введенного мелкодисперсного порошка из тугоплавкого материала и нерастворимых продуктов деления. Причем концентрация тугоплавкого порошка и нерастворимых продуктов деления по градиентам температуры возрастает от периферии к центру твэла. В результате чего на поверхности центральной газовой полости 3 образуется пористый слой из тугоплавкого материала 5, который уменьшает свободную поверхность испарения и создает дополнительное сопротивление диффузии ТМ.

Использование предлагаемого вентилируемого твэла ядерного реактора по сравнению с прототипом обеспечивает следующие преимущества:
1) уменьшается вероятность непредвиденного нарушения пропускной способности ГОУ;
2) возможность регулирования допустимого выхода ТМ из твэла варьируя количеством и размером частицы порошка тугоплавкого материала;
3) позволяет исключить из конструкции ГОУ малонадежный наконечник с капиллярным каналом.

Источники информации
1. Термоэмиссионная преобразовательная ячейка с ядерным нагревом. Патент Франции N 2151007 по классу H 01 J 45/00 за 1973 г.

2. Вентилируемый тепловыделяющий элемент ядерного реактора. Патент США N 4163689 по классу G 21 C 3/02 с приоритетом от 03.12.1965 г., N 512823.

3. Метод расчета температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного электрогенерирующего элемента. Атомная энергия, т. 49, вып. 6, с. 393 - 394, 1980.

4. Olander D.R. Fundamental Aspects of Nuclear Reactor Fuel Elements. - U.S. Departament of Energy, 1976. - 610 p.

5. Высокотемпературное ядерное топливо. /Р.Б. Котельников, С.Н. Башлыков, А.И. Каштанов, Т.С. Меньшикова - М.: Атомиздат, 1978, с. 117.

6. Высокотемпературное ядерное топливо /Р.Б. Котельников, С.Н. Башлыков, А.И. Каштанов, Т.С. Меньшикова - М.: Атомиздат, 1969, с. 7.

7. Моделирование тепло- и массопереноса в сердечнике термоэмиссионного твэла. Атомная энергия, т. 53, вып. 2, с. 74 - 76, 1982.

8. Процессы тепло- и массопереноса в высокотемпературных твэлах термоэмиссионых электрогенерирующих каналов. /Сб.: РКТ. Сер. XII//РКК "Энергия", Королев, 1996. Вып. 2 - 3. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем. С. 99 - 112.

9. В. С. Емельянов, А.И. Евстюхин. Металлургия ядерного горючего. - М.: Атомиздат, 1968, с. 122.

10. [5]. с. 90.

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике, может быть использовано при создании высокотемпературных твэлов, в частности термоэмиссионных твэлов для реакторов-преобразователей космических энергоустановок. Сущность изобретения: в вентилируемом тепловыделяющем элементе ядерного реактора на поверхности центральной газовой полости образован пористый слой из тугоплавкого материала введением в топливный материал мелкодисперсного порошка. Размер частиц порошка выбран соразмерно частицам топливного материала в количестве 1 - 5 об.%. В результате улучшается режим вентиляции твэла. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вентилирумый тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий оболочку, заключающую топливный материал и центральную газовую полость, трубку, которая пронизывает топливный материал и имеет два открытых конца, один конец этой трубки расположен в центральной газовой полости, а другой ее конец выходит из оболочки тепловыделяющего элемента, отличающийся тем, что в топливный материал введен мелкодисперсный порошок тугоплавкого материала с размером частиц соразмерных частицам топливного материала в количестве 1 - 5 об.%. 2. Вентилируемый тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.1, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого материала использован вольфрам, молибден и сплавы на их основе.