ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК G21C3/28 

Группа изобретений относится к ядерной энергетике, а именно к тепловыделяющим элементам стержневого типа, и может быть использована в ядерных реакторах различного типа.

Тепловыделяющий элемент (твэл) стержневого типа содержит оболочку с концевыми заглушками, в которой размещен топливный сердечник. Оболочка защищает топливный сердечник от контакта с теплоносителем, от его эрозионного и коррозионного действия и ограничивает возможность загрязнения теплоносителя продуктами деления. Одной из проблем эксплуатации стержневого твэла с таблетированным топливом является растрескивание с последующей фрагментацией топливных таблеток и расклинивание фрагментами таблеток оболочки твэла, небезопасное для ее целостности. К числу причин, вызывающих растрескивание таблеток, наряду с разбуханием топлива, относятся значительные температурные градиенты, вызывающие в условиях низкой теплопроводности керамического топлива высокие термоупругие напряжения. По мере выгорания топлива на периферии таблетки образуется так называемый rim-слой, отличающийся наличием многочисленных газовых пузырьков, исчезновением исходной зеренной структуры и образованием новых субзерен значительно меньшего размера. Образование и развитие такого слоя приводит к созданию барьера на пути тепла из топлива, к снижению радиальной теплопроводности и, как следствие, к неоднородности выгорания топлива и к еще большим напряжениям в его материале. Недостаточное соответствие запаса прочности и термостойкости таблеток уровню возможных суммарных термонапряжений ведет к риску разрушения оболочки и ограничивает эксплуатационный потенциал твэла [1].

Возможным решением этой проблемы является повышение прочности и термоустойчивости топлива, заключенного в оболочку твэла, путем введения добавок, изменяющих теплофизические свойства топливного материала и превращающих его в дисперсно-упрочненную керамику, замедляющих процесс образования в материале rim-слоя и повышающих допустимый уровень выгорания топлива.

Известна таблетка ядерного топлива, содержащая диоксид урана и инертную к облучению добавку в виде MgAl₂O₄ или окиси магния. Диаметр распределенных в матрице частиц ядерного топлива составляет 70-230 мкм. Содержание диоксида урана составляет 20-40 об.% от материала таблетки. Коэффициент теплового расширения материала добавки меньше коэффициента теплового расширения частиц ядерного топлива. Таблетка обладает повышенным сопротивлением к растрескиванию (Патент RU 2175791 С2, 10.11.2001, МПК G21C 3/64). Недостатком таблетки является ее хрупкость.

Известно керамическое ядерное топливо, содержащее диоксид или нитрид урана с фуллеренами и фуллереноподобными структурами. Эти структуры смешивали в шаровой мельнице с керамическим топливом - диоксидом урана или мононитридом, прессовали топливные таблетки и спекали в атмосфере инертного газа (аргон) при температуре 1800°С. Техническое решение направлено на блокировку объемного распухания топлива за счет внутриобъемного поглощения фуллеренами твердых и газообразных продуктов деления урана (Патент RU 2396610 С2, 10.08.2010, МПК G21C 3/00). Второй фактор эксплуатационной деградации топлива - разрушающие термические напряжения в материале - остался вне рамок этого технического решения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является твэл ядерного реактора, представляющий собой трубку из оболочечного материала с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутреннюю полость которой помещены компактные изделия из спеченного диоксида урана в виде таблеток. Спеченные изделия из диоксида урана загружают в оболочечную трубку с зазором, размер которого зависит от материала оболочки (Емельянов И.Я. и др. Конструирование ядерных реакторов, М.: Энергоиздат, 1982, с.183). К недостаткам известного твэла можно отнести недостаточную термоустойчивость материала его топливного сердечника.

Заявленное решение направлено на снижение риска разрушения оболочки твэла и обеспечивает достижение технических результатов, состоящих в замедлении процесса образования rim-слоя на периферии таблеток применяемого топлива, в повышения их прочности и термостойкости, обеспечивающих итоговое снижение вероятности расклинивания оболочки твэла фрагментами таблеток.

Технический результат достигается тем, что тепловыделяющий элемент содержит оболочку с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутренней полости которой с зазором размещен топливный сердечник, собранный из соосных таблеток. При этом все или часть таблеток содержат спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по плотности и эффективному размеру частиц соединения U и углеродных каркасных структур. Вариантом является твэл, содержащий зонированные таблетки, при этом центральная цилиндрическая зона таблетки имеет более низкое, а внешняя кольцевая зона - более высокое объемное содержание углеродных каркасных структур (техническое решение не распространяется на уран-плутониевое и уран-ториевое смешанное топливо).

Под таблеткой ядерного топлива (топливной таблеткой) в рамках настоящего технического решения понимается керамическое изделие цилиндрической формы, содержащее соединение U (в первую очередь UO₂ или UN; возможен, но менее перспективен в использовании UC). Наиболее технологичными являются таблетки высотой около 1-2 диаметров, но допустимы и иные соотношения размеров, в частности значительно более высокие таблетки.

К углеродным каркасным структурам в рамках настоящего изобретения отнесены фуллерены, углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна. Фуллерены могут быть вида С₆₀, С₇₀, С₇₄, С₇₆, C₈₀, C₈₄ и выше по числу атомов. Углеродные трубки могут быть одно- и многослойные, размер вторых - несколько десятков нм, внутренний - 0,5-5,5 нм. Трубки отличаются разным количеством слоев и типом структур, например зигзагообразная, креслообразная, хиральная. В последнем случае гексагоны С₆ закручены по спирали вокруг трубки; тип строения влияет на ее механические свойства. Нанотрубки являются одномерными кристаллами; длина нанотрубок много больше диаметра. Углеродные нанотрубки обладают высокими прочностными свойствами, в частности в 20 раз прочнее стали и упруги при изгибе. Углеродные нановолокна представляют собой нитевидные частицы диаметром 150-200 нм и длиной от нескольких до сотен мкм, стенки которых состоят из графенов. Нить имеет структуру графита [2, 3].

Введение упрочняющей фазы наноуглеродных структур, активно не взаимодействующих с соединениями делящегося материала и не растворяющихся в нем вплоть до температуры его плавления, обеспечивает возможность сохранения микрогетерогенного строения и дислокационной субструктуры, а следовательно, и длительной работоспособности топливного сердечника до 0,9-0,95 Т_пл.

В таблетке ядерного топлива, спрессованной и спеченной из смеси частиц соединения U и углеродных каркасных структур, образовавшаяся матрица наноуглеродных структур (первичных каркасных структур и, допускается, сложных углеродных новообразований) воспринимает основную часть напряжений при температурных градиентах. Распределенные в них частицы соединения урана препятствуют движению дислокации приложения нагрузки. Когда движущаяся дислокация встречается с частицей, происходит либо перерезание частицы, либо обход частицы дислокацией. В результате реализуется тот процесс, для протекания которого необходимо наименьшее напряжение, что минимизирует термические напряжения в таблетке и повышает ее термостойкость.

Основными параметрами, от которых зависит эффективность упрочнения, являются размер частиц соединения U, расстояние в матрице наноуглеродных структур между ними и вид этих структур. Использование известного расчетного механизма Орована с учетом модуля сдвига матрицы Gm и величины вектора Бюргенса позволяет определить оптимальные значения вида и объемного содержания армирующей фазы наноуглеродных структур, обеспечивающие наиболее эффективное упрочнение керамической таблетки. Оптимальная объемная доля углеродной фазы также может быть рассчитана, например, по известному правилу аддитивности напряжений с учетом критического минимального объема армирующей углеродной фазы [4].

Расчеты показывают, что объемное содержание углеродных каркасных структур, равномерно распределенных в материале порошка смеси, при котором эффективно замедляется процесс растрескивания таблетки вследствие термоупругих напряжений, для рабочего диапазона выгорания с учетом отличающихся тепловых и прочностных характеристик UO₂ и UN и с учетом сопутствующего процесса разбухания топлива составляет 1,5-12,5% об. для смеси с UO₂ и 1,2-10,4% об. для смеси с UN.

Равномерность распределения наноуглеродных структур в объеме материала предопределяет незначительность величин пространственных флуктуаций термических напряжений, уменьшает вероятность появления локальных участков деструкции материала, являющихся потенциальными очагами зарождения трещин. Условие равномерности распределения накладывает ограничения на допустимые гранулометрические и плотностные характеристики порошка делящегося вещества, предназначенного к смешению с углеродными каркасными структурами. В частности, равномерность распределения фаз материала не достигается при использовании порошка частиц соединения делящегося вещества произвольного размера. Для ее достижения необходим однородный по эффективному размеру порошок частиц (эффективный размер частиц определяется по размеру сита, задерживающего 90% материала). Предпочтительно применение частиц приближенно сферической формы. Более высокий уровень равномерности распределения достигается дополнением размерной однородности однородностью по плотности. Последнее обеспечивается, в частности, применением порошка частиц соединения делящегося вещества, изготовленного по одной технологии, предпочтительно применением порошка частиц одной производственной партии.

Такого качества порошок может быть получен, например, уплотнением исходного порошка UO₂ или UN, затем дроблением полученных компактов и гранулированием на ситах с итоговым получением более плотного однородного продукта. Допустимы и другие способы подготовки размерно монофракционного порошка требуемой плотности.

Другим способом повышения прочности и термостойкости таблетки является повышение содержания армирующей наноуглеродной фазы в ее радиально-периферийной части. Таблетка изготавливается зонированной, при этом центральная цилиндрическая зона таблетки имеет более низкое, а внешняя кольцевая зона - более высокое объемное содержание углеродных каркасных структур. В этом случае внешний слой материала повышенной прочности служит механическим обручем для внутренней зоны и препятствует развитию протяженных радиальных трещин. Таблетка радиально-переменного состава изготавливается по одной из известных технологий зонирования керамики; например [5].

Возможности дисперсного упрочнения элементов топливного сердечника углеродными каркасными структурами ограничены требованиями к плотности материала по урану. Дополняющим приемом снижения термических напряжений в твэле является заполнение зазора между топливом и оболочкой материалом с высокой теплопроводностью, например свинцом или сплавом свинца с висмутом. Это позволяет обеспечить отвод тепла от твэлов при относительно низкой температуре топлива.

Повышение термостойкости элементов топливного сердечника твэла путем их дисперсного упрочнения наноуглеродными структурами, проведенное с обеспечением равномерного распределения фаз или с зонированием таблеток и укреплением их радиально-периферийной части, снижает риск расклинивания и разрушения фрагментами топлива оболочки твэла и повышает ресурс его работы.

Пример 1. Твэл имеет оболочку из сплава Zn-1%Nb. Топливный сердечник имеет высоту 2485 мм и сформирован из таблеток высотой 9,1 мм и диаметром 7,53 мм. Таблетки изготовлены из порошка смеси частиц UO₂ и 6% об. фуллеренов С₆₀. Зазор между топливом и оболочкой заполнен свинцом.

Пример 2. Твэл имеет оболочку из циркониевого сплава. Топливный сердечник имеет высоту 3430 мм и сформирован из таблеток UN высотой 13,5 мм и диаметром 11,52 мм. Таблетки зонированы, материал центральной цилиндрической зоны таблетки изготовлен из порошка смеси с 2,8% об. углеродных каркасных структур в виде фуллеренов С₆₀ и углеродных нанотрубок (1:1), материал внешней кольцевой зоны - из порошка смеси с 4,2% об. углеродных каркасных структур того же вида. Зазор между топливом и оболочкой заполнен сплавом свинца с висмутом.

Приведенные выше примеры реализации изобретения не исключают использования иных сочетаний углеродных каркасных структур, иного содержания углеродной фазы в порошке смеси и иных технических параметров деталей твэла.

Источники информации

1. Самойлов А.Г. и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1996, с.100-104.

2. Кем А.Ю. Технологические основы производства порошковых и композиционных наноструктурных материалов и изделий. Ростов н/Д, ИЦ ДГТУ, 2008, с.9.

3. Шевердяев О.Н. Нанотехнологии и наноматериалы. М.: Изд-во МГОУ, 2009, с.65-74.

4. Портной К.И. Дисперсно-упрочненные материалы / Портной К.И., Бабич Б.Н., М.: Металлургия, 1974, с.14-17.

5. Патент KR 10982664 В1, 16.04.2009, МПК G21C 3/62.

Группа изобретений относится к ядерной энергетике, а именно к тепловыделяющим элементам стержневого типа, и может быть использована в ядерных реакторах различного типа. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора содержит трубку из оболочечного материала с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутренней полости которой с зазором размещен топливный сердечник, собранный из соосных таблеток. Таблетки содержат спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по плотности и эффективному размеру частиц соединения урана и углеродных каркасных структур. Вариантом является тепловыделяющий элемент с зонированными таблетками. В этом случае центральная цилиндрическая зона таблетки имеет более низкое, а внешняя кольцевая зона - более высокое объемное содержание углеродных каркасных структур. В частных случаях исполнения содержание углеродных каркасных структур в виде фуллеренов, углеродных нанотрубок, нановолокон в порошке смеси составляет 1,5-12,5% об. для смеси с UO₂ и 1,2-10,4% об. для смеси с UN. Таблетка может иметь осевое отверстие и фаски. Зазор между топливным сердечником и оболочкой твэла может быть заполнен материалом с высокой теплопроводностью. Технический результат - снижение вероятности разрушения оболочки твэла. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий трубку из оболочечного материала с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутренней полости которой с зазором размещен топливный сердечник, собранный из соосных таблеток, при этом все или часть таблеток содержат спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по плотности и эффективному размеру частиц соединения U и углеродных каркасных структур.

2. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.1, при этом соединением U является UO₂.

3. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.2, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,5-12,5 об.%.

4. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.1, при этом соединением U является UN.

5. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.4, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,2-10,4 об.%.

6. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.1, при этом однородность по плотности обеспечивается применением частиц соединения U, изготовленных по одной технологии.

7. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.6, при этом применяются частицы соединения U одной производственной партии.

8. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.1, при этом углеродные каркасные структуры представлены фуллеренами, и/или углеродными нанотрубками, и/или углеродными нановолокнами.

9. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.1, при этом зазор между топливным сердечником и оболочкой заполнен свинцом или сплавом свинца с висмутом.

10. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий трубку из оболочечного материала с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутренней полости которой с зазором размещен топливный сердечник, собранный из соосных таблеток, все или часть таблеток зонированы и содержат спрессованный и спеченный порошок смеси частиц соединения U с углеродными каркасными структурами, при этом центральная цилиндрическая зона таблетки имеет более низкое, а внешняя кольцевая зона - более высокое объемное содержание углеродных каркасных структур.

11. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.10, при этом соединением U является UO₂.

12. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.11, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,5-12,5 об.%.

13. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.10, при этом соединением U является UN.

14. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.13, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,2-10,4 об.%.

15. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.10, при этом частицы соединения U в порошке смеси однородны по эффективному размеру.

16. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.10, при этом частицы соединения U в порошке смеси однородны по плотности.

17. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.16, при этом однородность по плотности обеспечивается применением частиц соединения U, изготовленных по одной технологии.

18. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.10, при этом углеродные каркасные структуры представлены фуллеренами, и/или углеродными нанотрубками, и/или углеродными нановолокнами.

19. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора по п.10, при этом зазор между топливным сердечником и оболочкой заполнен свинцом или сплавом свинца с висмутом.