СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЭЛ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ КАНАЛЬНОГО ТИПА Российский патент 2000 года по МПК G21C3/02 G21C21/02 G21C21/10 

Изобретение относится к области ядерной техники, в частности к способу изготовления ТВЭЛ ядерных реакторов канального типа.

Известен способ изготовления трубчатых и стержневых ТВЭЛ ядерных реакторов [А. Г.Самойлов и др. "Дисперсионные ТВЭЛы", том 1, "Энергоиздат ", 1982 г., стр. 204-206], включающий:
- раздельное изготовление тонкостенной металлической заготовки оболочки и сердечника, представляющего собой диспергированное в металлической матрице керамическое ядерное топливо;
- сборку сердечника с тонкостенной заготовкой оболочки;
- холодное волочение сборки со степенью деформации ~ 20%;
- высокотемпературное газовое обжатие ТВЭЛ.

Выбор указанной степени деформации (~20%) обусловлен не только необходимостью обеспечения тесного контакта между внутренней поверхностью тонкостенной заготовки оболочки и поверхностью сердечника, но и необходимостью обеспечения деформационной проработки материала тонкостенной заготовки оболочки в материал металлокерамического сердечника.

Без деформационной проработки последующая операция "Высокотемпературное газовое обжатие ТВЭЛ " не обеспечивает качественного диффузионного сцепления между имеющими различные свойства металлической оболочкой и металлокерамическим сердечником.

Вышеуказанный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что область его применения ограничена. При концентрации урана в сердечнике ТВЭЛ более 0,8 г/см³ различия в свойствах оболочки и сердечника становятся столь велики, что указанная выше степень деформации (20%) уже не обеспечивает в дальнейшем на операции "Высокотемпературное газовое обжатие" требуемого уровня прилегания и сцепления. Увеличение степени деформации на операции "Холодное волочение" приведет к повышенной деформации сердечника и соответственно изменению его геометрии в готовом ТВЭЛе сверх допустимого.

Известен способ - прототип получения качественного прилегания и сцепления оболочки с сердечником при высоких концентрациях урана в сердечнике, включающий:
- сборку металлокерамической заготовки сердечника (шашки) с гильзой из материала оболочки;
- совместное высокотемпературное выдавливание трехслойной трубы (двухслойного стержня) со степенью деформации более 80 % [А.Г.Самойлов и др. "Дисперсионные ТВЭЛы", том 1, "Энергоиздат", 1982 г., стр. 198-204].

Данный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что ТВЭЛы, изготовленные по настоящей технологии, имеют нестабильную длину активного слоя. Так, например, у ТВЭЛ ИРТ-2М исследовательского бассейнового ядерного реактора ИР-8 допуск на длину активного слоя составляет ~7% [Каталожное описание "Сборки тепловыделяющие ИРТ-2М" 0007.03.00.000 ДКО предприятия ОАО НЗХК].

Данная нестабильность длины сердечника в готовом ТВЭЛе неприемлема для ТВС канальных реакторов, у которых формирование активной зоны осуществляется путем установки ТВС друг на друга в канальной трубе реактора.

Задачей данного изобретения является повышение эксплуатационных характеристик ТВЭЛ канальных реакторов за счет изготовления ТВЭЛ с высокой концентрацией урана и стабильной длиной их активного слоя.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе, включающем сборку металлокерамической заготовки сердечника (шашки) с гильзой и совместное высокотемпературное выдавливание трехслойной трубы (двухслойного стержня), производят:
- токарную резку трехслойной трубы (двухслойного стержня) на топливные втулки высотой, равной длине активного слоя в готовом ТВЭЛе;
- помещение каждой топливной втулки внутрь тонкостенной металлической заготовки оболочки;
- холодное волочение сборки со степенью деформации 2-3%;
- высокотемпературное газовое обжатие ТВЭЛ.

При этом в качестве материала гильзы используется материал тонкостенной заготовки оболочки.

Полная однородность свойств и состояния поверхности оболочки выдавленной трехслойной трубы (двухслойного стержня) и тонкостенной заготовки оболочки позволяет отказаться от деформационной проработки материала тонкостенной заготовки оболочки в материал топливной втулки, которая обеспечивала в аналоге достижение диффузионного сцепления на операции "Высокотемпературное газовое обжатие".

Поэтому холодное волочение сборки проводится с минимальной степенью деформации (2-3%), необходимой лишь для того, чтобы выбрать зазор между внутренней поверхностью тонкостенной заготовки оболочки и поверхностью топливной втулки. Это исключает деформацию непосредственно самого металлокерамического сердечника и позволяет добиться стабильной длины активного слоя в ТВЭЛах, которая теперь зависит только от допуска на токарную резку топливных втулок (~0,3 %) из трехслойной трубы (двухслойного стержня).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с аналогом показывает, что в известных технических решениях [А.Г.Самойлов и др. "Дисперсионные твэлы", том 1, "Энергоиздат", 1982 г., стр. 204-206] степень деформации при холодном волочении составляет ~20%. Она обусловлена различием свойств материала сердечника и материала оболочки. Данная высокая степень деформации приводит к изменению исходной геометрии сердечника, в частности к изменению длины активного слоя в готовом ТВЭЛе. При этом изменение геометрии сердечника носит случайный характер вследствие различий в свойствах сердечников и тонкостенной заготовки оболочки.

Заявляемый способ позволяет осуществить холодное волочение со степенью деформации 2-3%, которая не приводит к изменению длины сердечника. Это обеспечивает достижение положительного эффекта (особенно для ТВЭЛ с повышенной концентрацией урана в сердечнике) - стабилизации длины активного слоя в ТВЭЛах.

Для экспериментальной проверки заявляемого способа была изготовлена опытная партия ТВЭЛ ТВР-С с концентрацией урана в сердечнике 1,1 г/см³ [Каталожное описание "Сборки тепловыделяющие ТВР-С" 1006.02.00.000 ДКО. Материалы приемочных испытаний ТВС ТВР-С, Инв. N 411 от 19.02.98 предприятия ОАО НЗХК] . Разрезка трехслойной трубы на втулки осуществлялась в размер 100_-0,3 мм. Холодное волочение производилось со степенью деформации ~3%. Колебания длины активного слоя (по результатам рентгенографического контроля) не превысили 0,3 мм.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способу изготовления ТВЭЛ ядерных реакторов канального типа. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик ТВЭЛ канальных реакторов за счет изготовления ТВЭЛ с высокой концентрацией урана и стабильной длиной их активного слоя. В способе, включающем сборку металлокерамической заготовки сердечника с гильзой из того же материала и совместное высокотемпературное выдавливание трехслойной трубы, производят токарную резку трехслойной трубы на топливные втулки высотой, равной длине металлокерамического сердечника в готовом ТВЭЛе, помещают их внутрь тонкостенной металлической заготовки оболочки. Затем производят холодное волочение сборки со степенью деформации 2 - 3% и высокотемпературное газовое обжатие ТВЭЛ.

Способ изготовления твэл ядерных реакторов канального типа, включающий сборку заготовки металлокерамического сердечника с гильзой из материала оболочки и совместное высокотемпературное выдавливание трехслойной трубы, отличающийся тем, что выдавленную трехслойную трубу режут на трехслойные втулки с длиной урансодержащего слоя, равной длине металлокерамического сердечника в готовом твэле, каждую трехслойную втулку помещают в тонкостенную заготовку оболочки, тонкостенную заготовку оболочки подвергают холодному волочению со степенью деформации заготовки оболочки 2 - 3% и высокотемпературному газовому обжатию.