ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2011 года по МПК G21C3/00 

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

Известен тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий таблетки из делящегося материала, помещенные в металлическую оболочку, концевые детали и компенсационный объем, заполненный инертным газом [А.С.Монахов. Атомные электрические станции и их технологическое оборудование, М.: Энергоиздат, 1986, с.89].

Недостатками такого тепловыделяющего элемента являются радиальная неравномерность теплового потока от осевого смещения таблеток делящегося материала и прямой контакт таблеток с внутренней поверхностью оболочки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является тепловыделяющий элемент ядерного реактора атомной электростанции, который представляет собой оболочку с размещенными в ней таблетками из делящегося материала. Оболочка с обоих концов герметично заглушена концевыми деталями [Г.Н.Ушаков. Технологические каналы и тепловыделяющие элементы энергетических ядерных реакторов. М.: Энергоиздат, 1981, с.29, рис.1.6].

Недостатками известного устройства являются:

- относительно высокая вероятность попадания частиц топливных таблеток в зазор между оболочкой и делящимся материалом в результате растрескивания таблеток из делящегося материала под действием температурных напряжений, появляющихся в процессе облучения;

- прямой контакт боковой поверхности таблеток из делящегося материала с внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента;

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

Для исключения указанных недостатков в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, состоящем из металлической оболочки с концевыми деталями, внутри которой размещены таблетки из делящегося материала, имеющем компенсационный объем, предлагается в зазоре между внутренней поверхностью металлической оболочки и боковой поверхностью таблеток из делящегося материала разместить вставку из высокотемпературного материала и ориентировать ее вдоль оси тепловыделяющего элемента.

В частных случаях выполнения тепловыделяющего элемента предлагается:

- вставку выполнить с тремя гофрами;

- каждый гофр вставки выполнить в виде равносторонней трапеции с отношением сторон 1:2;

- вставку выполнить в виде фольги толщиной от 5 до 20 мкм;

- вставку выполнить из металла высокотемпературной группы, например молибдена, тантала, вольфрама;

- поверхности меньшего основания гофров вставки установить с касанием боковой поверхности таблеток из делящегося материала или внутренней поверхности оболочки;

- поверхности меньшего или большего основания гофров вставки установить с упором в соответствующие наружные поверхности таблеток из делящегося материала и внутреннюю поверхность оболочки;

- высоту гофров вставки выполнить равной суммарной высоте таблеток из делящегося вещества;

- высоту гофров вставки выполнить равной суммарной высоте таблеток из делящегося материала и высоте компенсационного объема.

Использование изобретения позволяет:

- исключить попадание осколков деления под оболочку в процессе облучения;

- исключить непосредственный контакт внутренней поверхности оболочки и боковой поверхности таблеток из делящегося материала;

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

Предлагаемый тепловыделяющий элемент ядерного реактора показан в виде поперечных сечений на фиг.1 и фиг.2, где приняты следующие обозначения: 1 -оболочка; 2 - таблетка из делящегося материала; 3 - зазор; 4 - вставка; 5 - гофр.

Тепловыделяющий элемент ядерного реактора содержит оболочку 1, таблетки 2 из делящегося материала, компенсационный объем, пружину и концевые детали.

В зазоре 3 между внутренней поверхностью оболочки 1 и боковой поверхностью таблеток 2 из делящегося материала размещена вставка 4.

Вставка 4 ориентирована вдоль оси тепловыделяющего элемента.

В качестве таблеток 2 из делящего материала используют: оксид плутония, карбид плутония, нитрид плутония, оксид урана, карбид урана, нитрид урана.

В частных случаях реализации устройства предусмотрено следующее.

Вставка 4 имеет не менее трех гофр 5.

Каждый гофр 5 вставки 4 выполнен в виде равносторонней трапеции с отношением сторон 1:2.

Вставка 4 выполнена в виде фольги толщиной от 5 до 20 мкм.

Вставка 4 выполнена из материала высокотемпературной группы: молибдена, тантала, вольфрама.

Поверхности меньшего основания гофров 5 вставки 4 установлены с касанием боковой поверхности таблеток 2 из делящегося материала 2 или внутренней поверхности оболочки 1.

Поверхности меньшего и большего основания гофров 5 вставки 4 установлены с упором в соответствующие наружные поверхности таблеток 2 из делящегося материала и внутренней поверхности оболочки 1,

Высота гофров 5 вставки 4 соответствует суммарной высоте таблеток 2 из делящегося материала.

Высота гофров 5 вставки 4 соответствует суммарной высоте таблеток 2 из делящегося материала и высоте компенсационного объема.

Такое выполнение тепловыделяющего элемента позволяет повысить надежность его работы.

Пример конкретного выполнения тепловыделяющего элемента.

Оболочка 1 выполнена из стали ЭП-823 в виде трубки длиной 850 мм, наружным диаметром 12,0 мм и толщиной стенки 0,4 мм и заполнена таблетками 2 из делящегося материала диаметром 10,9 мм и высотой 10-12 мм, например, оксида урана, образуя сердечник в 700 мм и компенсационный объем. В кольцевом зазоре между наружной поверхностью таблеток 2 из делящегося материала и внутренней поверхностью оболочки 1 установлена полоса фольги толщиной 20 мкм с шестью продольными гофрами 5 вставки 4 в виде равносторонней трапеции с шириной оснований 1 и 2 мм и высотой гофра 0,2 мм из молибдена.

В процессе эксплуатации реактора фольга обеспечивает дистанционирование таблеток 2 из делящегося материала от внутренней стенки тепловыделяющего элемента, защищает оболочку 1 от прямого контакта с осколками деления, служит буфером, снижая механическую нагрузку на оболочку 1 со стороны таблеток 2 из делящегося материала.

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности, к области активной зоны ядерного реактора. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора состоит из оболочки (1) с концевыми деталями. Внутри оболочки (1) расположены таблетки (2) из делящегося материала и компенсационный объем в ее верхней части. В зазоре между внутренней поверхностью оболочки (1) и боковой поверхностью таблеток (2) из делящегося материала помещена вставка (4), ориентированная вдоль оси тепловыделяющего элемента. Технический результат состоит в повышении надежности работы тепловыделяющего элемента. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий оболочку, таблетки из делящегося материала, компенсационный объем, пружину и концевые детали, отличающийся тем, что в зазоре между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из делящегося материала размещена вставка, которая ориентирована вдоль оси тепловыделяющего элемента.

2. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что вставка в нем имеет не менее трех гофр.

3. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что каждый гофр выполнен в виде равносторонней трапеции с отношением сторон 1:2.

4. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что вставка выполнена в виде фольги толщиной от 5 до 20 мкм.

5. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что вставка выполнена из металла высокотемпературной группы, например молибдена, тантала, вольфрама.

6. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что поверхности меньшего основания гофров вставки установлены с касанием боковой поверхности таблеток из делящегося материала или внутренней поверхности оболочки.

7. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что поверхности меньшего или большего основания гофров вставки установлены с упором в соответствующие наружные поверхности таблеток из делящегося материала и внутреннюю поверхность оболочки.

8. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что высота гофров вставки соответствует суммарной высоте таблеток из делящегося вещества.

9. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что высота гофров вставки соответствует суммарной высоте таблеток из делящегося материала и высоте компенсационного объема.