ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2002 года по МПК G21C3/18 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стрежневых тепловыделяющих элементов (твэлов), предназначенных для формирования активной зоны уран-графитовых энергетических реакторов типа РБМК-1000 с тепловой мощностью 2600 МВт.

Известна конструкция тепловыделяющего элемента, разработанная применительно к реактору РБМК-1000 (см. патент RU 2150151, кл. G 21 C 3/18, 1998 г. ).

Известная конструкция твэла представляет собой трубку диаметром 13,68 мм с толщиной стенки 1 мм и длиной около 3 метров с приваренными по концам пробками.

В трубке размещено ядерное горючее в виде таблеток, плотно прижатых друг к другу с помощью компенсационной пружины, размещенной в одном конце трубки. Таблетки в виде наборного столба прижаты компенсационной пружиной к противоположной от пружины пробке. Компенсационная пружина выполняет несколько функций: первая - обеспечение постоянного сжатия таблеток с рабочим усилием не менее 7 кг, что необходимо для нормальной работы таблеток и твэла в активной зоне реактора, вторая функция состоит в компенсации перемещений столба из таблеток за счет термического расширения и сжатия по отношению к стенке трубки в процессе пуска и остановки реактора с сохранением при этом плотного контакта между таблетками, и третья функция состоит в образовании объема, занимаемого компенсационной пружиной, в котором собираются радиоактивные газы, выделяемые таблетками в процессе их радиоактивного распада.

Перемещение столба относительно стенки трубки связано с разностью температур нагрева трубки и таблеток в процессе пуска и остановки реактора, а также с разницей в коэффициентах термического расширения материала таблеток и трубки.

Так, например, температура в центре таблеток в процессе работы твэла достигает 2100^oС, а температура стенки трубки, сделанной из циркония, не превышает 325^oС, при этом коэффициент термического расширения материала таблеток почти в два раза превышает коэффициент термического расширения циркония. Все это вместе взятое приводит во время пуска и останова реактора к значительному перемещению столба таблеток относительно трубки, которое полностью берет на себя компенсационная пружина, и не создает в стенке трубы растягивающих напряжений. Однако, в процессе многолетней эксплуатации реакторов РБМК-1 были выявлены отдельные случаи, когда у вышедших из строя твэлов обнаруживался отрыв пробки, к которой поджимается столб из таблеток. При этом по характеру отрыва пробки от трубки было установлено, что разрыв трубки в районе пробки произошел в результате растягивающих сил. В то же время при нормальной работе твэла пробка наоборот должна прижиматься к торцу трубки в результате рабочего давления теплоносителя, колеблющегося от 75 до 80 атм.

Анализ этих случаев показал, что такое явление возможно только в тех случаях, когда столб из таблеток по каким-либо причинам заклинивается в трубке в районе компенсационной пружины. При этом вся разница в величинах термических расширений столба и трубки приводит к продольному растягиванию трубки.

Процесс заклинивания столба из таблеток возможен только при попадании внутрь твэла воды теплоносителя, например в результате образования микротечи в сварном шве между трубкой и пробкой или по каким-либо другим причинам. Проникая в трубку, вода сразу испаряется и пар проникает в полость, где расположена компенсационная пружина.

Пар в этой полости конденсируется и в виде воды стекает к таблеткам и опять испаряется и т.д.

В результате такого процесса в течение длительного времени внутренняя поверхность трубки и таблеток, примыкающих к компенсационной пружине, окисляются, что создает условия для "прикипания" части таблеток к стенке трубки.

А в это же время стенка трубки в районе пробки, к которой поджат столб из таблеток, подвергается окислению паром еще более интенсивно, чем в районе пружины, т.к. она приварена к пробке, которая в свою очередь имеет контакт с торцем столба, у которого температура в центре достигает 2100^oС. В результате в этом месте в стенке трубки интенсивно образуются гидриды, которые охрупчивают циркониевый сплав трубки и снижают его механические свойства, в частности резко снижают предел текучести циркониевого сплава и, следовательно, снижают прочность на растяжение.

Со временем охрупченный материал трубки не выдерживает растягивающих напряжений, вызванных заклиниванием столба в районе компенсационной пружины, и трубка разрывается в районе пробки, к которой поджат столб из таблеток. В результате отрыва пробки определенная часть радиоактивного горючего попадает в теплоноситель, что приводит к радиоактивному загрязнению всего контура циркуляции теплоносителя реактора и в результате к остановке реактора с целью дезактивации всех систем, входящих в контур.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в создании такой конструкции твела, в частности пробки, к которой поджимается столб из таблеток, которая бы исключала возможность отрыва этой пробки от трубки в случае образования по каким-либо причинам в оболочке твэла микротечи, через которую внутрь твэла может поступать вода теплоносителя и в результате окислительных процессов заклинивать в трубке часть таблеток, расположенных в районе компенсационной пружины. При этом заявляемая конструкция должна сохранять все габаритные и эксплуатационные параметры существующих твэлов.

Технический результат, получаемый в результате осуществления настоящего изобретения, состоит в том, что заявленная конструкция твэла обеспечивает возможность перемещения в трубке одного конца столба таблеток в случае заклинивания другого, а также в отсутствии в трубке продольных растягивающих напряжений при попадании в нее влаги как в процессе пуска, так и в процессе эксплуатации реактора, что в итоге предотвращает возможность отрыва пробки и попадания в теплоноситель радиоактивного топлива.

Указанный технический результат достигается тем, что тепловыделяющий элемент ядерного реактора, преимущественно уран-графитового, содержащий ядерное горючее в виде столба из таблеток, помещенных в трубку, заглушенную с двух концов приваренными пробками и имеющую на одном конце полость с компенсационной пружиной для поджатия столба из таблеток к противоположной пробке;
- пробка, к которой поджат столб из таблеток, выполнена в виде стаканчика, между дном которого и столбом из таблеток установлен деформируемый элемент с начальным усилием деформирования, превышающего рабочее усилие компенсационной пружины не менее чем на 50 процентов;
- кроме того, деформируемый элемент выполнен в виде пружины сжатия;
- кроме того, между деформируемым элементом и столбом из таблеток установлен опорный диск.

На чертеже в увеличенном масштабе показана конструкция концевой части заявленного твэла, состоящая из трубки 1, к концу которой приварена сварным швом 2, выполненным контактно-стыковой сваркой, полая пробка 3.

Трубка 1 заполнена ядерным горючим в виде таблеток 4. Таблетки 4 с помощью компенсационной пружины, расположенной на другом конце твэла (на чертеже не показана), поджаты к пробке 3 через деформируемый элемент в виде пружины сжатия 5. Для устранения непосредственного контакта между таблетками и пружиной установлен опорный диск 6, который защищает крайнюю таблетку от раскрошевания, а пружину 5 от перегрева и снижения ее упругих свойств.

Для обеспечения нормальной работы подавляющего большинства бездефективных твэлов, у которых нет никаких течей, пружина 5 выполнена с начальным усилением сжатия не менее 150 процентов от рабочего усилия компенсационной пружины, что полностью сохраняет стандартное положение столба относительно трубки и его термическое перемещение за счет сжатия компенсационной пружины. Так, например, если рабочее усилие компенсационной пружины составляет 7 кг, то минимальное начальное усилие сжатия пружины 5 будет составлять 11 кг, а практически 14-15 кг, что позволяет рассматривать при нормальной работе твэла пружину 5 как имитацию сплошной пробки. В случае появления в корпусе твэла течи и заклинивания столба из таблеток вблизи компенсационной пружины, когда компенсационная пружина перестает работать, температурное перемещение столба из таблеток может происходить в сторону опорной пробки 3 за счет сжатия пружины 5 с усилием 11-15 кг.

Такое усилие не приводит к продольному растягиванию трубки 1, т.к. при рабочем давлении теплоносителя в пределах 70-80 кг/см² трубка сжимается по торцам с усилием около 100 кг, что в 5-6 раз выше, чем рабочее усилие пружины 5.

Заявленная конструкции пробки 3 в виде стаканчика и помещение в нее деформируемого элемента в виде пружины 5 с гарантированным превышением начального усилия сжатия над рабочим усилием сжатия компенсационной пружины позволяет, не меняя существующих габаритов твэла, защитить контур реактора от радиоактивного загрязнения и преждевременной остановки в случае образования микротечи всего в одном из более чем ста тысяч твэлов, работающих в активной зоне уран-графитового реактора типа РБМК-1000.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стержневых тепловыделяющих элементов (твэлы) для уран-графитовых энергетических реакторов типа РБМК-1000. Твэл содержит ядерное горючее в виде столба из таблеток, помещенных в трубку. Трубка заглушена с двух концов приваренными пробками и имеет на одном конце полость с компенсационной пружиной для поджатия столба к противоположной пробке. Пробка, к которой поджат столб из таблеток, выполнена в виде стаканчика. В стаканчике установлен деформируемый элемент с начальным усилием деформирования. Данное усилие превышает рабочее усилие компенсационной пружины не менее чем на 50%. Деформируемый элемент предпочтительно выполнен в виде пружины сжатия. Между данным элементом и столбом из таблеток установлен опорный диск. Технический результат: обеспечение возможности перемещения в трубке одного конца столба таблеток в случае заклинивания другого, отсутствие в трубке продольных растягивающих напряжений при попадании в нее влаги, что в итоге приводит к предотвращению возможности отрыва пробки и попадания в теплоноситель радиоактивного топлива. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, преимущественно уран-графитового, содержащий ядерное горючее в виде столба из таблеток, помещенных в трубку, заглушенную с двух концов приваренными пробками и имеющую на одном конце полость с компенсационной пружиной для поджатия столба к противоположной пробке, отличающийся тем, что пробка, к которой поджат столб из таблеток, выполнена в виде стаканчика, между дном которого и столбом из таблеток установлен деформируемый элемент с начальным усилием деформирования, превышающим рабочее усилие, компенсационной пружины не менее чем на 50%. 2. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что деформируемый элемент выполнен в виде пружины сжатия. 3. Тепловыделяющий элемент по п.1 и/или 2, отличающийся тем, что между деформируемым элементом и столбом из таблеток установлен опорный диск.