ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ ВОДО-ВОДЯНЫХ РЕАКТОРОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G21C3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов (твэлов) преимущественно для ядерных водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), в частности для ядерных реакторов с закритическими параметрами воды.

Уровень техники

Известны различные твэлы, содержащие состоящую из трубки и концевых пробок оболочку твэла, заполненную топливными таблетками и герметично закрытую с обоих концов трубки указанными пробками, внешняя часть которых приспособлена для упора в специальные углубления в дистанцирующих решетках, в которые должен вставляться" твэл. (см., например, книгу «История атомной энергетики Советского Союза и России», вып.2, М.: ИздАТ. 2002, с.111, рис.12 и статью «Тепловыделяющий элемент» в Википедии: http://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловыделяющий элемент).

В тепловыделяющих сборках в ВВЭР используют твэлы, в которых трубка, служащая основной частью оболочки твэла, выполнена из сплава циркония (см., например, патент США №5654993 от 1994 по классу США 376/449, "Fuel Element for Pressurized Water Reactor with Guide Tubes Finally Heat-Treated in Two Steps"),

Существенный недостаток твэла по данному патенту, как и других твэлов с оболочкой из циркония или сплавов циркония, заключается в том, что происходит потеря прочности твэла при аварийном нагреве и возникает реакция окисления циркония в воде с выделением водорода, приводящая к взрыву. Безопасность современных атомных реакторов с водой под давлением (т.е. реакторов типа ВВЭР) в значительной части связана с использованием большого количества циркония, особенно для оболочек твэлов. Сплавы циркония обладают малым сечением захвата нейтронов, обладают удовлетворительной теплопроводностью, прочностью при нормальных условиях эксплуатации, разработана достаточно дешевая технология получения и обработки этого материала. Однако аварийное повышение температуры оболочки твэла приводит к началу пароциркониевой реакции при 1000° и бурному окислению при 1200° с выделением водорода из воды. Взрыв водорода уже приводит к необратимым последствиям. (Такой взрыв произошел на Японской АЭС в Фукусиме).

Известны также твэлы для ВВЭР, в которых трубка, служащая основной частью оболочки твэла, выполнена из керамического композиционного материала на основе алюминия и циркония (см. например, патент США №5182077 от 1991 по классу США 376/416, "Water Cooled Nuclear Reactor and Fuel Element Therefor"). Чтобы избежать пористости этого материала, его пропитывают гелем с малыми частицами окиси алюминия, а затем отжигают.

Отметим, что в разделе "Background of the invention" (см. его последний абзац) этого патента утверждается, что карбид кремния - неподходящий материал для твэла, поскольку при высокой температуре взаимодействует с водой.

Основной недостаток твэла по этому патенту США заключается в том, что теплопроводность используемого керамического материала не выше чем 85% циркония, а при пористости еще меньше.

Прототипом данного изобретения является твэл и способ изготовления трубки, служащей основной частью его оболочки, которые описаны в заявке на патент США №2009/0032178 от 2008, опубл. 2009, отнесенные авторами заявки к классам США 156/143, 427/237, "Multi-layered Ceramic Tube for Fuel Containment Barrier and Other Applications in Nuclear and Fossil Power plants"). Предлагаемая в этой заявке трубка твэла состоит из трех слоев - внутреннего, центрального и внешнего. Внутренний слой выполнен из монолитного бета фазного стехиометрического карбида кремния. Центральный слой выполнен в виде намотки нити, выполненной из углеродного волокна, покрытого тонким слоем такого же стехиометрического карбида кремния. Центральный слой выполнен в виде намотки нити на внутренний слой. Эта нить выполнена из углеродного волокна, покрытого тонким слоем карбида кремния (см. раздел «Detailed Description of Preferred Embodiments» заявки на прототип, р.3, абзац [0038]) или из карбида кремния (см. п.21 формулы изобретения прототипа) и при этом в центральном слое используется такой же стехиометрический карбид кремния, как и во внутреннем слое. Внешний слой выполнен из монолитного карбида кремния. Бета фазный стехиометрический карбид кремния, используемый в этих слоях, предлагается получать способом химического осаждения из газовой фазы, или, иначе говоря, способом газофазного осаждения. Однако способ химического осаждения из газовой фазы - это очень широкое понятие, а конкретные способы этого осаждения в указанной заявке не указаны. В разделе «Detailed Description of Preferred Embodiments» заявки на прототип, р.7, абзац [0073] упоминаются пробки, закрывающие трубку с обоих ее концов, и указано, что в этих пробках использован карбид кремния. Из фиг.7 этой заявки видно, что эти пробки - цилиндрические.

Предлагаемые в этой заявке США твэл и способ его изготовления имеют следующие недостатки:

1) предлагаемые твэл и способ его изготовления являются очень сложными и дорогими;

2) вследствие использования намотки нитью из углеродного волокна ⌀ 15 мкм, покрытого сверху тонким слоем карбида кремния в 1 мкм в центральном слое трубки твэла, воздействие нейтронов приводит к существенному распуханию углеродного волокна вдоль нити, т.е. удлиняет ее; это приводит к ослаблению намотки и делает ее бессмысленной с точки зрения повышения прочности трубки с намоткой по отношению к внутреннему давлению;

3) вследствие использования намотки в центральном слое существенно понижается радиальная теплопроводность, что недопустимо для твэлов;

4) выполнение пробок не исключает прохождение газов сквозь пробку и не гарантирует возможность соединения пробок с трубкой.

Недостатком этой заявки США является то, что в ней не раскрыт способ газофазного осаждения, вследствие чего в ней отсутствует информация, необходимая для изготовления трубки твэла. Кроме того, в этой заявке США не указано, каким образом производится герметизация концов трубки твэла.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на разработку твэла и способа его изготовления, обеспечивающих повышение безопасности ядерных ВВЭР и экономичных по затратам.

Технический результат заключается в повышении безопасности твэла и его упрощения за счет использования в его оболочке материала, обладающего следующими свойствами:

- имеет сечение захвата нейтронов не выше, чем у циркония и его сплавов;

- является плотным, не пропускает продукты деления и слабо распухает под действием облучения;

- обладает высокой теплопроводностью в разумной области температур;

- обладает высокой химической стойкостью, особенно в воде до температур ~ 1200°;

- обладает высокой, слабо зависящей от температуры механической прочностью,

- обеспечивает низкую стоимость производства.

Этот технический результат достигается благодаря тому, что в твэле для ядерных водо-водяных энергетических реакторов, содержащем герметичную оболочку, заполненную топливными таблетками и выполненную с использованием карбида кремния трубки и пробок, герметично закрывающих трубку с обоих ее концов, эта трубка выполнена из чередующихся слоев нанокристаллического кубического карбида кремния и разделительных слоев высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, а пробки выполнены из карбида кремния с пористостью, исключающей прохождение газов сквозь пробку, причем количество слоев нанокристаллического карбида кремния определено формулой:

n=h/(d+r),

где

n - количество слоев нанокристаллического кубического карбида кремния,

h - требуемая толщина многослойной стенки трубки,

d - требуемая толщина одного слоя нанокристаллического кубического карбида кремния,

r - толщина разделительного слоя; r<d,

при этом внутренняя поверхность концов трубки и выступ каждой пробки, вставляемый в трубку, имеют коническую форму.

Получению технического результата способствует то, что в предложенном твэле внутренняя поверхность концов трубки и выступ каждой пробки, вставляемый в трубку, имеют коническую форму. Это обеспечивает возможность и надежность герметичного соединения пробки с трубкой.

Этот технический результат достигается также благодаря предлагаемому способу изготовления твэлов, в котором осуществляют следующую последовательность действий:

- сначала нагревают графитовый стержень круглого сечения,

- для создания оболочки тепловыделяющего элемента при помощи газофазного осаждения формируют многослойное покрытие нагретого указанного графитового стержня, состоящее из чередующихся слоев нанокристаллического кубического карбида кремния и разделительных слоев высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, причем начинают формирование этого покрытия с любого из этих слоев, а количество слоев нанокристаллического кубического карбида кремния определяют по формуле

n=h/(d+r),

где

n - количество слоев нанокристаллического кубического карбида кремния,

h - требуемая толщина многослойной стенки трубки,

d - требуемая толщина одного слоя нанокристаллического кубического карбида кремния,

r - толщина разделительного слоя; r<d,

- отрезают концы графитового стержня с указанным многослойным покрытием,

- нагревают графитовый стержень с этим покрытием на воздухе до температур 700÷1000°С для удаления этого стержня путем его окисления и получения трубки твэла, состоящей из указанных чередующихся слоев,

- заполняют трубку топливными таблетками и гелием, а ее концы герметично закрывают пробками, которые имеют выступы конической формы для вставления в трубку и выполнены из карбида кремния с пористостью, исключающей прохождение газов сквозь пробку, в результате чего получают твэл.

Получению этого технического результата способствует то, что для ускорения удаления графитового стержня путем его окисления в качестве этого стрежня используют полый графический стержень, а для удешевления изготовления твэла в качестве этого стержня используют сплошной графитовый стержень.

Этот технический результат обеспечивается также тем, что в предлагаемом способе для формирования первого слоя многослойного покрытия нагревают графитовый стержень до температур 1300÷1600°С при атмосферном давлении в смеси газов, соответствующей материалу, осаждающемуся на нагретую поверхность этого стержня, причем для формирования слоя нанокристаллического кубического карбида кремния используют смесь газов, содержащую гидриды и хлориды кремния и углерода, и дающую в результате ее осаждения нанокристаллический кубический карбид кремния, для формирования разделительного слоя используют смесь газов, содержащую химические элементы высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, а по окончании формирования очередного слоя меняют смесь газов на смесь газов, используемую для осаждения следующего слоя на нагретую поверхность предыдущего слоя.

Использование чередующихся слоев нанокристаллического кубического карбида кремния и разделительных слоев высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния в трубке твэла, резко увеличивает ее прочность на разрыв по сравнению с прототипом и поэтому позволяет обойтись без трех слоев трубки, которые предусмотрены в прототипе и, главное, без центрального слоя с намоткой нити из углеродного волокна, покрытого карбидом кремния. По сравнению с прототипом это снижает экономические затраты на создание твэлов, упрощает их, повышает их надежность и улучшает их свойства благодаря исключению слоя с намоткой нити, а именно не приводит к потере прочности под воздействием нейтронов на нить и не снижает радиальную теплопроводность трубки. Отметим, что именно использование указанных чередующихся слоев трубки позволяет получить ее слои из нанокристаллического кубического карбида кремния.

Использование нанокристаллического кубического карбида кремния в трубке по сравнению с использованием циркония и его сплавов позволяет существенно повысить безопасность твэлов, а по сравнению с использованием в трубке керамического материала по патенту США №5182077 позволяет резко повысить теплопроводность трубки и вследствие этого повысить экономические характеристики и безопасность твэла.

Выполнение пробок из карбида кремния с пористостью, исключающей прохождение газов сквозь пробки, исключает выход продуктов деления и гелия из твэла во внутриреакторное пространство.

Этот технический результат усиливается за счет того, что в предлагаемом способе в смесь газов, служащую для получения слоя нанокристаллического кубического карбида кремния, включают водород, метилтрихлорсилан, четыреххлористый кремний. Это позволяет существенно повысить механическую прочность твэла за счет введения четыреххлористого кремния в эту смесь и обеспечивает экономичность получения смеси за счет того, что в ней используют газы, получаемые из жидких веществ, имеющих примерно одинаковую температуру кипения.

Этот технический результат усиливается также за счет того, что в предлагаемом способе в смесь газов, служащую для получения разделительного слоя, включают четыреххлористый титан и газ-носитель для транспортировки. Это позволяет получить разделительный слой, устойчивый к действию высоких температур.

Достижению этого технического результата способствует то, что в предлагаемом способе изготовления твэлов используют графитовый стержень постоянного круглого сечения и после получения трубки тепловыделяющего элемента и перед заполнением ее топливными таблетками и гелием, внутренние стороны трубки с обоих ее концов эти стороны шлифуют для придания им конической формы, соответствующей конусу с вершиной, обращенной внутрь трубки, после чего на поверхность внутренних конических сторон обеих концевых частей полученной трубки наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния, а для герметичного закрытия концов трубки используют пробки с выступом, имеющим такую же коническую форму, как во внутренних сторонах концевых частей трубки, а после закрытия трубки указанными пробками прогревают полученный тепловыделяющий элемент до температуры примерно 1200°С для герметического соединения пробок с трубкой.

Достижению этого технического результата также способствует то, что в предлагаемом способе изготовления твэлов в качестве графитовового стерженя круглого сечения используют стержень, форма которого по его длине образована двумя концевыми цилиндрическими частями, срединной цилиндрической частью и двумя промежуточными коническими частями, соединяющими срединную часть с двумя концевыми, причем срединная часть имеет внешний диаметр, соответствующий внутреннему диаметру трубки тепловыделяющего элемента, диаметр указанных концевых частей превышает внутренний диаметр трубки, их длина существенно меньше длины срединной части, а длина каждой из конических частей стержня не меньше длины выступа пробки, вставляемого в трубку, затем после получения трубки тепловыделяющего элемента и перед заполнением трубки топливными таблетками и гелием, на поверхность внутренних конических сторон обеих концевых частей полученной трубки наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния, а после закрытия трубки указанными пробками с выступом конической формы прогревают полученный твэл до температуры примерно 1200°С для герметического соединения пробок с трубкой.

Этот технический результат усиливается за счет того, что на коническую поверхность выступов пробок наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния. Это повышает надежность соединения пробок с трубкой твэла.

Предложенные варианты получения конической формы внутренней поверхности концевых частей трубки и герметизации твэла позволяют повысить надежность твэла при низкой стоимости производства.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана схема продольного разреза твэла, полученного с использованием графитового стержня постоянного круглого сечения.

На фиг.2 показан поперечный разрез многослойной трубки твэла.

На фиг.3 показана схема формирования трубки твэла с использованием сплошного графитового стержня переменного круглого сечения.

На фиг.4 показана схема формирования трубки твэла с использованием полого графитового стержня переменного круглого сечения.

На фиг.5 показана схема трубки твэла, полученной с использованием графитового стержня переменного круглого сечения.

Осуществление изобретения

Предлагаемый твэл (фиг.1 и фиг.4) содержит герметичную оболочку 1 и расположенные внутри ее топливные таблетки 2. Оболочка 1 состоит из трубки 3 и двух концевых деталей - пробок 4 и 5, которые называют также заглушками и крышками.

Трубка 3, полученная с использованием графитового стержня постоянного круглого сечения, с внешней стороны имеет форму цилиндра (фиг.1), а трубка 3, полученная с использованием графитового стержня переменного сечения с коническими частями, с внешней стороны имеет на конечных своих частях коническую форму, а в срединной своей части - форму цилиндра (фиг.4). Получение трубки 3, показанной на фиг.4, будет рассмотрено ниже при описании способа ее получения, который будет проиллюстрирован на фиг.3. В остальном схемы твэлов на фиг.1 и фиг.4 одинаковы.

Пробки 4 и 5 герметично закрывают с обоих концов трубку 3. Внешняя часть пробок 4 и 5 приспособлена для упора в специальные углубления в дистанционирующих решетках, в которые должен вставляться твэл (на чертеже эти решетки не показаны). Внешние части пробок 4 и 5 необязательно имеют одинаковую форму выступа.

Внутренняя поверхность концов трубки 3 и выступ каждой пробки 4 и 5, вставляемый в трубку 3, имеют коническую форму.

На фиг.1 структура трубки 1 не показана, но эта структура показана на фиг.2 в поперечном разрезе А-А трубки 3, указанном на фиг.1.

Трубка 3 (фиг.2) выполнена из чередующихся слоев 6 нанокристаллического кубического карбида кремния, т.е. нанокристаллического 3С-SiC, и разделительных слоев 7 высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния (SiC). На фиг.2 показаны только внешние и внутренние слои 6 и 7.

Количество слоев 6 нанокристаллического кубического карбида кремния определено формулой:

n=h/(d+r),

где

n - количество слоев 6 нанокристаллического кубического карбида кремния,

h - требуемая толщина многослойной стенки трубки 3,

d - требуемая толщина одного слоя нанокристаллического кубического карбида кремния,

r - толщина разделительного слоя; r<d.

Толщина d может быть выбрана такой, чтобы соответствовать требуемому размеру кристаллического зерна нанокристаллического кубического карбида кремния.

Толщину r выбирают из прочностных и технологических соображений такой, чтобы она была по возможности существенно меньше, чем толщина d, и лучше, чтобы она была пренебрежимо мала по сравнению с толщиной d, т.е., чтобы соблюдалось отношение r<<d. Это отношение соблюдается, если r не менее, чем на порядок (т.е. не менее, чем в 10 раз) меньше, чем d.

Пробки 4 и 5 выполнены из карбида кремния с пористостью, исключающей прохождение газов сквозь пробки. Такой пористостью обладают, например, монолитный карбид кремния и карбид кремния, спеченный при высоком давлении.

Предлагаемый способ изготовления твэлов для ядерных водо-водяных энергетических реакторов заключается в том, что осуществляют следующую последовательность действий:

- сначала нагревают графитовый стержень круглого сечения,

- для создания оболочки твэла при помощи газофазного осаждения формируют многослойное покрытие нагретого графитового стержня, состоящее из чередующихся слоев 6 нанокристаллического кубического карбида кремния (3С-SiC) и разделительных слоев 7 высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, причем начинают формирование этого покрытия с любого из этих слоев, а количество слоев нанокристаллического кубического карбида кремния определяют по формуле:

n=h/(d+r),

где

n - количество слоев 6 нанокристаллического кубического карбида кремния,

h - требуемая толщина многослойной стенки трубки 3,

d - требуемая толщина одного слоя 6 нанокристаллического кубического карбида кремния,

r - толщина разделительного слоя 7; r<d,

- отрезают концы графитового стержня с указанным многослойным покрытием;

- нагревают графитовый стержень с этим покрытием на воздухе до температур 700÷1000°С для удаления этого стержня путем его окисления и получения трубки 3 тепловыделяющего элемента, состоящей из указанных чередующихся слоев;

- заполняют трубку 3 топливными таблетками 2 и гелием, а ее концы герметично закрывают пробками 4 и 5 из карбида кремния, не обязательно нанокристаллического, которые имеют выступы конической формы для вставления в трубку 3, в результате чего получают твэл.

Формирование трубки 3 слоями позволяет получить в каждом слое 6 нанокристаллический кубический карбид кремния. Толщина d одного слоя 6 может соответствовать требуемому размеру кристаллического зерна нанокристаллического кубического карбида кремния.

Хотя формирование многослойного покрытия нагретого графитового стержня можно начинать с любого из слоев 6 или 7, предпочтительнее начинать это формирование со слоя 6 и заканчивать его тоже слоем 6, чтобы внутренним и внешним слоями трубки 3 были слои 6 из нанокристаллического кубического карбида кремния, более прочные, чем разделительные слои 7.

В предлагаемом способе для формирования первого слоя многослойного покрытия нагревают графитовый стержень до температур 1300÷1600°С при атмосферном давлении в смеси газов, соответствующей материалу, осаждающемуся на нагретую поверхность этого стержня.

Для формирования слоя 6 нанокристаллического кубического карбида кремния могут быть использованы различные смеси газов, каждая из которых содержит гидриды и хлориды кремния и углерода и дает в результате ее осаждения нанокристаллический кубический карбид кремния. В качестве одной из предпочтительных газовых смесей, служащих для получения слоя 6, предлагается использовать смесь газов, в которую включают водород (Н₂,), метилтрихлорсилан (СН₃SiCl₃), четыреххлористый кремний (SiCl₄).

Для формирования разделительного слоя 7 используют смесь газов, из которой получают высокотемпературный материал, не совпадающий по структуре с карбидом кремния. В такую смесь газов включают гидриды и хлориды металлов, а также металлорганические соединения для осаждения металлов и их соединений. В качестве одной из предпочтительных газовых смесей, служащих для получения разделительного слоя 7, предлагается использовать смесь газов, в которую включают четыреххлористый титан (Ti Cl₄) и газ-носитель для транспортировки. В качестве газа-носителя могут быть использованы водород, гелий или аргон.

Газы, составляющие используемые смеси, получают испарением жидких веществ при их нагревании.

Окончание формирования очередного слоя задают, например, по времени осаждения смеси газов, используемой для формирования этого слоя. Время формирования слоя 6 карбида кремния задают таким, чтобы получить требуемую толщину d одного слоя 6, в частности, соответствующую размеру кристаллического зерна нанокристаллического кубического карбида кремния в слое 6.

Разделительные слои 7 необходимы для того, чтобы в слоях 6 формировался именно нанокристаллический кубический карбид кремния. Как только толщина слоя 6 достигает максимально допустимого размера d кристаллического зерна нанокристаллического кубического карбида кремния, то формирование слоя 6 прекращают, меняют смесь газов на смесь, предназначенную для формирования очередного разделительного слоя 7.

В качестве графитового стержня используют либо сплошной, либо полый графитовый стержень.

Предлагаются два альтернативных способа формирования конической формы внутренней поверхности концевых частей трубки 3 в описанном способе изготовления твэлов.

Первый из них основан на использовании в качестве графитового стержня постоянного круглого сечения либо сплошного, либо полого стержня (на чертежах не показаны). В обоих этих случаях (т.е. при использовании как сплошного, так и полого стержня) в предлагаемом способе изготовления твэлов после получения трубки 3 и перед заполнением ее топливными таблетками 2 и гелием, внутренние стороны трубки 3 с обоих ее концов эти стороны шлифуют для придания этим сторонам конической формы, соответствующей конусу с вершиной, обращенной внутрь трубки 3, после чего на поверхность внутренних конических сторон обеих концевых частей полученной трубки 3 наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния. В качестве этого металла могут использовать, например, никель, хром, кобальт, титан.

Для герметичного закрытия концов трубки 3 используют пробки 4 и 5 из карбида кремния, не обязательно нанокристаллического, с выступом, имеющим такую же коническую форму, как во внутренних сторонах концевых частей трубки 3, а после закрытия трубки 3 указанными пробками 4 и 5 прогревают полученный твэл до температуры примерно 1200°С для герметического соединения пробок 4 и 5 с трубкой 3. На коническую поверхность выступов пробок 4 и 5 также могут наносить металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния. Однако нанесение металла на коническую поверхность выступов пробок 4 и 5 не обязательно, если обеспечена достаточная надежность соединения пробок 4 и 5 с трубкой 3.

Второй альтернативный способ формирования конической формы внутренней поверхности концевых частей трубки 3 основан на том, что в предлагаемом способе изготовления твэлов используют графитовый стержень, круглое сечение которого переменно. При использовании в качестве такого графитового стержня 8 как сплошного стержня (фиг.3), так и полого стержня (фиг.4) внешняя форма стержня 8 по его длине образована двумя концевыми цилиндрическими частями 9, срединной цилиндрической частью 10 и двумя промежуточными коническими частями 11, соединяющими срединную часть 10 с двумя концевыми частями 9. При этом срединная часть 10 стержня 8 имеет внешний диаметр, соответствующий внутреннему диаметру трубки 3, диаметр указанных концевых частей 11 стрежня 8 превышает внутренний диаметр трубки 3, их длина существенно меньше длины срединной части 10, а длина каждой из конических частей 11 стержня 8 не меньше длины выступа пробки 4 и 5, вставляемого в трубку 3. Две концевые цилиндрические части 11 стержня 8 необходимы из технологических соображений - для удобства удержания стержня 8 при его нагреве. Полый стержень 8 может быть выполнен, например, с продольным отверстием 13 по длине стержня (фиг.4).

При использовании второго альтернативного способа формирования конической формы внутренней поверхности концевых частей трубки 3 в предлагаемом способе изготовления твэлов после получения трубки 3 и перед заполнением трубки 3 топливными таблетками 2 и гелием, на поверхность внутренних конических сторон обеих концевых частей полученной трубки 3 наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния, а после закрытия трубки 3 пробками 4 и 5 прогревают полученный твэл, состоящий из трубки 3, пробок 4, 5 и таблеток 2, до температуры примерно 1200°C для герметического соединения пробок 4 и 5 с трубкой 3. На коническую поверхность выступов пробок 4 и 5 также могут наносить металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния. Однако нанесение металла на коническую поверхность выступов пробок 4 и 5 не обязательно, если обеспечена достаточная надежность соединения пробок 4 и 5 с трубкой 3.

При использовании как сплошного, так и полого стержня во втором альтернативном способе формирования конической формы внутренней поверхности концевых частей трубки 3 в процессе изготовления твэлов на поверхности графитового стержня 8 (фиг.3 и фиг.4) образуется многослойное покрытие 12, состоящее из чередующихся слоев 6 и 7 (на фиг.3 и фиг.4 не показаны), причем часть этого покрытия образуется на конических частях 11 стержня 8. Вследствие этого внешние стороны концевых частей трубки 3 (фиг.5) получаются коническими. При использовании второго альтернативного способа-формирования конической формы внутренней поверхности концевых частей трубки 3 в процессе изготовления твэлов обязательно отрезают концевые части 9 графитового стержня 8 с многослойным покрытием 12, но при этом могут также отрезать и некоторую долю конусных частей 11 графитового стержня 8, примыкающую к концевым частям 9 стержня 8 (фиг.3 и фиг.4), то есть линия отреза концов графитового стержня 8 проходит по конусным частям 11 так, чтобы после отреза оставались конусные части 11 нужной длины.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для изготовления твэлов преимущественно для ядерных водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР). Технический результат заключается в повышении безопасности твэла, его упрощении и снижении экономических затрат на его производство. Для этого трубка оболочки твэла выполнена из чередующихся слоев нанокристаллического карбида кремния и разделительных слоев высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, а пробки с обоих концов трубки выполнены из карбида кремния, исключающего прохождение газов сквозь пробки. Способ изготовления указанного твэла основан на нагреве графитового стержня до температур 1300-1600°С в смеси газов, соответствующей материалу слоя трубки, и на попеременной смене этой смеси для формирования очередного слоя трубки. Для формирования слоя нанокристаллического карбида кремния используют смесь газов, содержащую гидриды и хлориды кремния и углерода. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Тепловыделяющий элемент для ядерных водо-водяных энергетических реакторов, содержащий герметичную оболочку, заполненную топливными таблетками из выполненных с использованием карбида кремния трубки и пробок, герметично закрывающих трубку с обоих ее концов, отличающийся тем, что трубка выполнена из чередующихся слоев нанокристаллического кубического карбида кремния и разделительных слоев высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, а пробки выполнены из карбида кремния с пористостью, исключающей прохождение газов сквозь пробку, причем количество слоев нанокристаллического карбида кремния определено формулой
n=h/(d+r),
где n - количество слоев нанокристаллического кубического карбида кремния;
h - требуемая толщина многослойной стенки трубки;
d - требуемая толщина одного слоя нанокристаллического кубического карбида кремния;
r - толщина разделительного слоя, r<d,
при этом внутренняя поверхность концов трубки и выступ каждой пробки, вставляемый в трубку, имеют коническую форму.

2. Способ изготовления тепловыделяющих элементов для ядерных водо-водяных энергетических реакторов, отличающийся тем, что нагревают графитовый стержень круглого сечения, для создания оболочки тепловыделяющего элемента при помощи газофазного осаждения формируют многослойное покрытие нагретого указанного графитового стержня, состоящее из чередующихся слоев нанокристаллического кубического карбида кремния и разделительных слоев высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, причем начинают формирование этого покрытия с любого из этих слоев, а количество слоев нанокристаллического кубического карбида кремния определяют по формуле
n=h/(d+r),
где n - количество слоев нанокристаллического кубического карбида кремния;
h - требуемая толщина многослойной стенки трубки;
d - требуемая толщина одного слоя нанокристаллического кубического карбида кремния;
r - толщина разделительного слоя, r<d,
после этого отрезают концы графитового стержня с указанным многослойным покрытием, нагревают указанный графитовый стержень с этим покрытием на воздухе до температур 700÷1000°С для удаления этого стержня путем его окисления и получения трубки тепловыделяющего элемента, состоящей из указанных чередующихся слоев, заполняют трубку топливными таблетками и гелием, а ее концы герметично закрывают пробками, которые имеют выступы конической формы для вставления в трубку и выполнены из карбида кремния с пористостью, исключающей прохождение газов сквозь пробку, в результате чего получают тепловыделяющий элемент.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве графитового стержня используют полый графитовый стержень.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве графитового стержня используют сплошной графитовый стержень.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что для формирования первого слоя многослойного покрытия нагревают графитовый стержень до температур 1300÷1600°С при атмосферном давлении в смеси газов, соответствующей материалу, осаждающемуся на нагретую поверхность этого стержня, причем для формирования слоя нанокристаллического кубического карбида кремния используют смесь газов, содержащую гидриды и хлориды кремния и углерода, и дающую в результате ее осаждения нанокристаллический кубический карбид кремния, для формирования, разделительного слоя используют смесь газов, содержащую химические элементы высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, а по окончании формирования очередного слоя меняют смесь газов на смесь газов, используемую для осаждения следующего слоя на нагретую поверхность предыдущего слоя.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что в смесь газов, служащую для получения слоя нанокристаллического кубического карбида кремния, включают водород, метилтрихлорсилан, четыреххлористый кремний.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что в смесь газов, служащую для получения разделительного слоя, включают четыреххлористый титан и газ-носитель для транспортировки.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют графитовый стержень постоянного круглого сечения и после получения трубки тепловыделяющего элемента и перед заполнением ее топливными таблетками и гелием внутренние стороны трубки с обоих ее концов эти стороны шлифуют для придания им конической формы, соответствующей конусу с вершиной, обращенной внутрь трубки, после чего на поверхность внутренних конических сторон обеих концевых частей полученной трубки наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния, а для герметичного закрытия концов трубки используют пробки с выступом, имеющим такую же коническую форму, как во внутренних сторонах концевых частей трубки, а после закрытия трубки указанными пробками прогревают полученный тепловыделяющий элемент до температуры примерно 1200°С для герметического соединения пробок с трубкой.

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве графитовового стерженя круглого сечения используют стержень, внешняя форма которого по его длине образована двумя концевыми цилиндрическими частями, срединной цилиндрической частью и двумя промежуточными коническими частями, соединяющими срединную часть с двумя концевыми, причем срединная часть имеет внешний диаметр, соответствующий внутреннему диаметру трубки тепловыделяющего элемента, диаметр указанных концевых частей превышает внутренний диаметр трубки, их длина существенно меньше длины срединной части, а длина каждой из конических частей стержня не меньше длины выступа пробки, вставляемого в трубку, затем после получения трубки тепловыделяющего элемента и перед заполнением трубки топливными таблетками и гелием на поверхность внутренних конических сторон обеих концевых частей полученной трубки наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния, а после закрытия трубки указанными пробками с выступами конической формы прогревают полученный тепловыделяющий элемент до температуры примерно 1200°С для герметического соединения пробок с трубкой.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что на коническую поверхность выступов пробок наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что на коническую поверхность выступов пробок наносят металл, который обладает каталитическими свойствами по отношению к карбиду кремния.