ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2005 года по МПК G21C3/28 G21C3/62 G21C7/04 

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к активной зоне ядерного реактора.

Известен тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий таблетки из расщепляющегося материала, помещенные в металлическую оболочку, концевые детали и компенсационный объем, заполненный инертным газом [Г.Н.Ушаков. Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, -М.: Энергоиздат, 1981, с.29, рис.1.6].

Наиболее близким предлагаемому устройству является тепловыделяющий элемент ядерного реактора атомной электростанции, который представляет собой оболочку с размещенными в ней топливными таблетками. Оболочка с обоих концов герметично заглушена концевыми элементами [А.С.Монахов. Атомные электрические станции и их технологическое оборудование, Москва, Энергоатомиздат, 1986, с.89].

Недостатками обоих типов устройств являются:

- относительно высокая вероятность попадания осколков деления под оболочку тепловыделяющего элемента в результате деформации таблеток ядерного топлива в процессе их облучения;

- относительно высокий градиент температур между боковой поверхностью таблетки и внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента;

- невозможность обеспечения при изготовлении и в процессе эксплуатации равномерности зазора между боковой поверхностью таблеток и внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента.

Для исключения указанных недостатков в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, состоящем из оболочки с концевыми деталями, внутри которой расположены таблетки из расщепляющегося материала, выгорающий поглотитель, имеющий компенсационный объем, предлагается:

- зазор между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала заполнить виброуплотненной крупкой, изготовленной из выгорающего поглотителя, например из оксида гадолиния.

В частных случаях выполнения тепловыделяющего элемента предлагается:

- использовать фракции крупки не более 30% от ширины зазора между боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала и внутренней поверхностью оболочки;

- виброуплотненную крупку из выгорающего поглотителя пропитать материалом с высокой теплопроводностью;

- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать оксид плутония;

- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать карбид плутония;

- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать нитрид плутония;

- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать оксид урана;

- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать карбид урана;

- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать нитрид урана.

Использование изобретения позволяет:

- исключить возможность попадания осколков деления под оболочку тепловыделяющего элемента в процессе облучения;

- снизить градиент температур на участке боковая поверхность таблетки из расщепляющегося материала - внутренняя поверхность оболочки;

- обеспечить при изготовлении и в процессе эксплуатации равномерность зазора между боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала и внутренней поверхностью оболочки.

Устройство выполнено следующим образом. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора состоит из оболочки с концевыми деталями. Внутри оболочки расположены таблетки из расщепляющегося материала и выгорающий поглотитель. В тепловыделяющем элементе имеется компенсационный объем, расположенный в верхней части оболочки.

Зазор между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала заполнен виброуплотненной крупкой из выгорающего поглотителя, например оксида гадолиния. Размер фракций виброуплотненной крупки составляет не более 30% от ширины зазора между внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала.

Виброуплотненная крупка из выгорающего поглотителя пропитана материалом с высокой теплопроводностью, например натрием.

В качестве расщепляющегося материала таблеток используют оксид плутония, карбид плутония, нитрид плутония, оксид урана, карбид урана, нитрид урана.

Пример конкретного выполнения тепловыделяющего элемента.

Оболочка тепловыделяющего элемента выполнена в виде трубки длиной 450 мм, наружным диаметром 8,4 мм, у которой толщина стенки составляет 0,4 мм. В качестве материала трубки используют сталь ЧС-68. Оболочка заполнена топливными таблетками из оксида урана. Таблетки имеют диаметр 6,4 мм и высоту 10 мм. В кольцевом зазоре между топливными таблетками и оболочкой равномерно размещена виброуплотненная крупка из оксида гадолиния.

Размер частиц крупки находится в пределах 200-300 мкм. Вес виброуплотненной крупки, размещенной внутри оболочки, составляет 23,86 г. При этом относительная пористость заполнения кольцевого зазора виброуплотненной крупкой составляет 52%. Контроль равномерности заполнения зазора виброуплотненной крупкой осуществляют с помощью рентгенографии. Оболочка с обоих концов герметизирована с помощью концевых элементов.

Устройство работает следующим образом. Благодаря тому, что виброуплотненная крупка из выгорающего поглотителя расположена в кольцевом зазоре между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала, это позволяет исключить непосредственный механический контакт между боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала и внутренней поверхностью оболочки. Натрий, которым пропитана виброуплотненная крупка, обеспечивает снижение градиента температур в кольцевом зазоре между боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала и внутренней поверхностью оболочки. При деформациях таблеток из расщепляющегося материала в процессе эксплуатации реактора виброуплотненная крупка играет роль буфера, тем самым, снижая механическую нагрузку на оболочку со стороны таблеток из расщепляющегося материала.

Изобретение применяется в ядерной энергетике, в особенности в области активной зоны ядерного реактора. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора состоит из оболочки с концевыми деталями, внутри которой расположены таблетки из расщепляющегося материала и выгорающий поглотитель. В тепловыделяющем элементе предусмотрен компенсационный объем, расположенный в верхней части оболочки. Зазор между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала заполнен виброуплотненной крупкой из выгорающего поглотителя, в частности оксида гадолиния. Размер фракций крупки составляет не более 30% от ширины зазора между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала. Виброуплотненная крупка из выгорающего поглотителя пропитана материалом с высокой теплопроводностью - натрием. В качестве расщепляющего материала таблеток используют оксид плутония, карбид плутония, нитрид плутония, оксид урана, карбид урана, нитрид урана. 8 з.п. ф-лы.

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, состоящий из оболочки с концевыми деталями, внутри которой расположены таблетки из расщепляющегося материала, выгорающий поглотитель, и имеющий компенсационный объем, расположенный в верхней части оболочки, отличающийся тем, что зазор между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала заполнен виброуплотненной крупкой из выгорающего поглотителя, например оксида гадолиния.2. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что размер фракций крупки составляет не более 30% от ширины зазора между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала.3. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что виброуплотненная крупка из выгорающего поглотителя пропитана материалом с высокой теплопроводностью, например натрием.4. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют оксид плутония.5. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют карбид плутония.6. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют нитрид плутония.7. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют оксид урана.8. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют карбид урана.9. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют нитрид урана.