ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2009 года по МПК G21C3/28 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано при создании тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

Известен твэл ядерного реактора на быстрых нейтронах (БН-600), содержащий оболочку из легированной стали, внутри которой размещены топливный столб из таблеток делящегося материала, торцевые экраны, компенсационный объем и концевые детали [Ушаков Г.Н. Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоиздат, 1981. С.29, рис.1.6б и с.36].

Недостатком твэла является относительно низкая максимальная рабочая температура оболочки (710°С).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является твэл ядерного энергетического реактора, содержащий низкотемпературную и высокотемпературную части твэла, соединенные между собой в осевом направлении, каждая из которых включает оболочку с топливным столбом, торцевой экран, компенсационный объем и концевую деталь. Оболочка низкотемпературной части выполнена из стали ферритного класса, а оболочка высокотемпературной части - из жаропрочной стали аустенитного класса. [Патент на изобретение РФ №1345917. Тепловыделяющий элемент ядерного энергетического реактора на быстрых нейтронах. МКИ⁶ G21C 3/07. Пр-т от 28.05.1985].

Недостатком известного твэла является относительно низкий уровень максимальной температуры рабочего диапазона (до 710°С).

Перед авторами стояла задача устранения указанного недостатка, а именно повышение максимальной температуры рабочего диапазона (до 950°С).

Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей твэла и повышении уровня безопасности работы ядерного реактора.

Для устранения указанного недостатка в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, содержащем две соединенные между собой в осевом направлении части, каждая из которых включает оболочку с топливом, торцевым экраном и концевой деталью, причем одна из оболочек выполнена из стали аустенитного класса предлагается:

- оболочки низкотемпературной и высокотемпературной частей выполнить соответственно из аустенитной стали и молибденового сплава;

- в каждой из оболочек установить по одной вставке, изготовленной из материала соответствующей оболочки;

- вставки соединить между собой припоем.

В частных случаях исполнения тепловыделяющего элемента предлагается:

- в обеих частях тепловыделяющих элементов выполнить компенсационные объемы;

- по меньшей мере, в одном компенсационном объеме установить компенсационную пружину;

- в качестве аустенитной стали использовать сталь марки 06Х16Н15М2Г2ТФР;

- в качестве молибденового сплава использован сплав марки ЦМ-10;

- в качестве припоя использован припой марки ПЖГ-20.

На чертеже схематически изображено продольное осевое сечение тепловыделяющего элемента. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - вставка; 2 - компенсационная пружина; 3 - компенсационный объем; 4 - концевая деталь; 5 - оболочка; 6 - припой; 7 - топливо; 8 - торцевой экран.

Тепловыделяющий элемент ядерного реактора содержит две соединенные между собой в осевом направлении части. Каждая из частей включает оболочку 5 с топливом 7, торцевым экраном 8 и концевой деталью 4.

Оболочки 5 низкотемпературной и высокотемпературной частей выполнены соответственно из аустенитной стали и молибденового сплава.

В качестве аустенитной стали использована, в частности, сталь марки 06Х16Н15М2Г2ТФР ТУ 14-3-1511-87, состоящей из сплава железа со следующими элементами (в % массы): С - 0,066; Mn - 1,36; Si - 0,44; Р - 0,01; S - 0,004; Cr - 15,15; Ni - 14,7; Mo - 2,45; N - 0,01; Ti - 0,37; В - 0,0041.

В качестве молибденового сплава использован, например, сплав марки ПЖГ-20, в состав которого входят следующие элементы (в % массы): Al - от 0,03 до 0,1; С - от 0,001 до 0,008; В - от 0,001 до 0,003 [см. Савицкий Е.М. и др. Тугоплавкие металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1986, с.238]. Припой позволяет соединять разнородные металлы без их расплавления и получать их соединения с требуемым комплексом свойств.

В каждой из оболочек 5 установлено по одной вставке 1. Вставки 1 изготовлены из материалов, соответствующих материалам оболочек 5.

Выбор состава припоя и предложенная конструкция твэла обеспечивают равнопрочное соединение его частей при всех режимах работы активной зоны.

При соединении частей твэла через вставки 1 разрыв топлива между нижней и верхней частями твэла не превышает 15-20 мм.

Вставки 1 соединены между собой припоем 6. В качестве припоя использован припой марки ПЖГ-20 [см. Справочник по пайке. Под ред. Петрунина И.Е. М.: Машиностроение, с.78].

В частных случаях исполнения тепловыделяющего твэла предусмотрено следующее.

Первое, в обеих частях тепловыделяющих элементов выполнены компенсационные объемы 3.

Второе, по меньшей мере, в одном компенсационном объеме 3 установлена компенсационная пружина 2.

Пример работы активной зоны реактора с заявленным тепловыделяющим элементом.

В каналах активной зоны ядерного реактора жидкометаллический теплоноситель, имеющий начальную температуру около 650°С, движется вдоль оболочек твэла в направлении от низкотемпературной части твэла к высокотемпературной части, нагревается при движении за счет энергии, выделяемой топливом. При этом температура оболочки 5 низкотемпературной части твэла, выполненной из аустенитной стали марки 06Х16Н15М2Г2ТФР, составляет 650-710°С, а температура оболочки высокотемпературной части твэла, выполненной из молибденового сплава марки ЦМ-10, составляет - 710-950°С.Температура теплоносителя на выходе из активной зоны составляет 950°С.

Тепловыделяющий элемент предназначен для использования в активной зоне ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Тепловыделяющий элемент содержит две соединенные между собой в осевом направлении части. Каждая из частей тепловыделяющего элемента включает оболочку (5) с топливом (7), торцевым экраном (8) и концевой деталью (4). Оболочки (5) низкотемпературной и высокотемпературной частей тепловыделяющего элемента выполнены соответственно из аустенитной стали и молибденового сплава. В каждой из оболочек (5) установлено по одной вставке (1), изготовленной из материала соответствующей оболочки (5). Вставки (1) соединены между собой припоем (6). В частных случаях исполнения тепловыделяющего элемента в обеих частях тепловыделяющего элемента выполнены компенсационные объемы (3), по меньшей мере, в одном компенсационном объеме (3) установлена компенсационная пружина (2). В качестве аустенитной стали использована сталь марки 06Х16Н15М2Г2ТФР, в качестве молибденового сплава - сплав марки ЦМ-10, а в качестве припоя (6) - припой марки ПЖГ-20. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности тепловыделяющего элемента и повысить уровень безопасности работы ядерного реактора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий две соединенные между собой в осевом направлении части, каждая из которых включает оболочку с топливом, торцевым экраном и концевой деталью, причем одна из оболочек выполнена из стали аустенитного класса, отличающийся тем, что оболочки низкотемпературной и высокотемпературной частей выполнены соответственно из аустенитной стали и молибденового сплава, причем в каждой из оболочек установлено по одной вставке, изготовленной из материала соответствующей оболочки, а вставки соединены между собой припоем.

2. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что в обеих частях тепловыделяющих элементов выполнены компенсационные объемы.

3. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в одном компенсационном объеме установлена компенсационная пружина.

4. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве аустенитной стали использована сталь марки 06Х16Н15М2Г2ТФР.

5. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве молибденового сплава использован сплав марки ЦМ-10.

6. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве припоя использован припой марки ПЖГ-20.