ТВЭЛ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2002 года по МПК G21C3/00 G21C21/02 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении твэлов для ядерных реакторов.

Известен пластинчатый твэл дисперсионного типа, содержащий топливный сердечник и герметичную оболочку [1, стр.192]. Сердечник представляет собой пластину, состоящую из гранул оксида урана, распределенных в матрице из алюминиевого порошка. Оболочка выполнена из двух пластин и рамки, которые изготовлены из алюминия или сплава на его основе, имеющие между собой металлургическую связь и герметизирующий сердечник с боковых сторон и торцев.

Недостатком твэла является неоднородность распределения топливного сердечника по длине твэла, которая формируется при его изготовлении методом совместной прокатки.

Известен трубчатый твэл дисперсионного типа, содержащий топливный сердечник, заключенный в герметичную оболочку [1, стр.198]. Сердечник представляет собой элемент трубчатой формы, состоящий из гранул оксида урана, распределенных в матрице из алюминиевого порошка. Оболочка выполнена из наружной и внутренней цилиндрических алюминиевых трубок и двух алюминиевых заглушек кольцевой формы, герметизирующих с торцов зазор между трубками для размещения сердечника.

Недостатком твэла является неоднородность распределения топливного сердечника по длине твэла за счет возникновения концевых дефектов, которые формируются при его изготовлении из трехслойной заготовки методом совместного выдавливания. При горячем прессовании трехслойной заготовки с более твердым сердечником происходит образование на переднем конце сердечника утолщения типа "собачья кость", а на заднем - дефекта типа "усов". Эти концевые дефекты прессования вызывают местные утонения оболочки, что может привести к кольцевому обрыву или смятию заготовки в процессе изготовления, а также к разгерметизации твэла в процессе его эксплуатации.

Известен трубчатый твэл дисперсионного типа с улучшенными характеристиками по равномерности распределения топлива по его длине и скомпенсированными концевыми дефектами [1, стр.203] - прототип. Твэл состоит из содержащего топливный материал сердечника трубчатой формы, заключенного в герметичную оболочку. Оболочка выполнена из наружной и внутренней цилиндрических металлических трубок и двух металлических заглушек, герметизирующих с торцов зазор между трубками для размещения сердечника.

Недостатком твэла является сложность и трудоемкость способа его получения на стадии изготовления сборки для проведения процесса совместного выдавливания, сущность которого изложена ниже.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение однородности характеристик твэла по его длине при различных значениях концентрации топливной составляющей в сердечнике.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном твэле, включающем сердечник, размещенный в герметичной металлической оболочке, состоящей из двух боковых стенок и торцевых заглушек, соединяющих боковые стенки между собой, торцевые заглушки выполнены из сплава, полученного путем введения легирующих добавок в материал оболочки, причем состав сплава подбирают из условий, что его упругопластические свойства при температуре обработки давлением отличаются от соответствующих свойств сердечника не более чем на 20%, а относительное удлинение сплава при комнатной температуре составляет не менее 15%.

А также тем, что сердечник выполнен в виде топливных гранул соединений урана, распределенных в алюминиевой матрице при объемной доле гранул от 10 до 50%, а пробки выполнены из сплава алюминия, имеющего состав, мас.%: магний - 3,2-3,8; марганец - 0,3-0,6; кремний - 0,5-0,8; железо - 0,5; медь - 0,1; цинк - 0,2; титан - 0,1; хром - 0,05; алюминий - остальное.

Сущность изобретения состоит в том, что найдено оптимальное сочетание механических характеристик оболочки твэла, топливного сердечника и пробок, а также составы сплавов для изготовления заглушек, которые обеспечивают условия протекания деформирования при изготовлении твэла методом совместного выдавливания, позволяющие в значительной мере перенести концевые дефекты прессования с сердечника на пробки, выполненные в соответствии с предлагаемым изобретением. Кроме того, такое выполнение твэла позволяет устранить кольцевое смятие или обрыв оболочки в торцевой зоне сердечника в процессе изготовления твэла.

Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.

На фиг.1 приведено продольное сечение трубчатого дисперсионного твэла с алюминиевой оболочкой и пробками из алюминиевого сплава, выполненного в соответствии с изобретением, в зоне торца сердечника.

На фиг.2 приведено продольное сечение трубчатого дисперсионного твэла-прототипа в зоне торца сердечника.

Твэл состоит из боковых стенок оболочки 1 и 2, пробок 3, соединяющих между собой стенки оболочки 1 и 2, а также сердечника 4.

Изготовление дисперсионных твэлов в соответствии с изобретением отличается от известного способа только материалом для изготовления пробок и состоит из следующих операций:
- изготовление элементов сборки (оболочек и заглушек) и топливного сердечника;
- сборка и герметизация заготовки для прессования;
- проведение обработки сборки давлением;
- проведение финишных операций по изготовлению твэла.

Результаты измерения механических характеристик сплавов, предложенных для изготовления заглушек в соответствии с данным изобретением, показали, что их упруго-пластические свойства при температуре выдавливания отличаются от соответствующих характеристик сердечника не более чем на 20%.

Результаты исследования характеристик твэлов, полученных в соответствии с изобретением, показывают (см. фиг.1 и 2 ), что его применение позволяет существенно увеличить однородность характеристик твэла по длине и уменьшить проявление концевых дефектов. Кроме того, применение изобретения позволит значительно снизить вероятность разгерметизации твэла в процессе его эксплуатации, т.к. позволяет исключить локальные утонения оболочки.

Источники информации
1.А.Г. Самойлов и др. "Дисперсионные твэлы. Материалы и технология". М., Энергоиздат, 1982 г., стр.192, стр.198, стр.203.

Использование: при изготовлении твэлов для ядерных реакторов с повышенной однородностью характеристик твэла по его длине при различных значениях концентрации топливной составляющей в сердечнике. Сущность изобретения: твэл ядерного реактора содержит оболочку, в которой размещен материал топливного сердечника, герметизированный в оболочке с торцов пробками, пробки выполнены из сплава, полученного путем введения легирующих добавок в материал оболочки, состав сплава подбирают так, что его упругопластические свойства при температуре обработки давлением отличаются от соответствующих свойств сердечника при этой же температуре не более чем на 20%, а относительное удлинение сплава при комнатной температуре составляет не менее 15%. Оболочка выполнена из алюминия, а пробки - из сплава алюминия в следующем соотношении, мас. %: магний - 3,2-3,8; марганец - 0,3-0,6; кремний - 0,5-0,8; железо - 0,5; медь - 0,1; цинк - 0,2; титан - 0,1; хром - 0,05. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Твэл ядерного реактора, содержащий оболочку, в которой размещен материал топливного сердечника, герметизированный в оболочке с торцов пробками, отличающийся тем, что пробки выполнены из сплава, полученного путем введения легирующих добавок в материал оболочки, причем состав сплава подбирают так, что его упругопластические свойства при температуре обработки давлением отличаются от соответствующих свойств сердечника при этой же температуре не более чем на 20%, а относительное удлинение сплава при комнатной температуре составляет не менее 15%. 2. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из алюминия, а пробки - из сплава алюминия в следующем соотношении, маc. %:
Магний - 3,2 - 3,8
Марганец - 0,3 - 0,6
Кремний - 0,5 - 0,8
Железо - 0,5
Медь - 0,1
Цинк - 0,2
Титан - 0,1
Хром - 0,05