ТВЕРДАЯ ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ПРОКЛАДКА С ОТКРЫТОЙ ПОРИСТОСТЬЮ ДЛЯ ЯДЕРНОГО УПРАВЛЯЮЩЕГО СТЕРЖНЯ Российский патент 2015 года по МПК G21C7/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение касается границы раздела между набором таблеток и охватывающей их оболочкой в ядерном управляющем стержне, используемом в ядерном реакторе.

Областями применения изобретения являются:

- ядерные реакторы на быстрых нейтронах (RNR) с газовым охлаждением (RNR-gaz), называемые реакторами IV-го поколения, работу которых обеспечивает теплоноситель в виде газа, такого как сжатый гелий, с ядерными топливными стержнями, охваченными оболочкой из композиционного материала с керамической матрицей (СМС), и с топливными таблетками типа смешанного карбида урана и плутония [9],

- ядерные реакторы на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (RNR-Na) [12],

- ядерные реакторы на воде под давлением (REP) [3] или на кипящей воде (REB).

Изобретение касается управляющих стержней силовых реакторов, в которых таблетки выполнены из материала-поглотителя нейтронов В₄С [8], [5].

В рамках настоящей заявки под «ядерным реактором» следует понимать общепринятый на сегодняшний день термин, то есть станции для производства энергии посредством ядерных реакций деления с использованием топливных элементов, в которых происходят деления, высвобождающие тепловую энергию, которую извлекают из элементов посредством теплообмена со средой-теплоносителем, обеспечивающей их охлаждение.

Под «ядерным управляющим стержнем» (в дальнейшем будет также использован термин «поглощающий элемент») в рамках заявки следует понимать официальное определение из словаря ядерных наук и технологий, то есть стержень или пруток, который содержит материал-поглотитель нейтронов и который, в зависимости от своего положения в активной зоне ядерного реактора, влияет на ее реакционную способность.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В зависимости от условий работы и от характеристик ядерных реакторов различают различные типы управляющих стержней.

Ядерный управляющий стержень должен отвечать следующим основным функциональным требованиям, а именно:

- обеспечивать управляемое поглощение нейтронов при ядерных реакциях, что предполагает соблюдение условий эффективности (плотность поглощающих ядер) и безопасности (геометрическая стабильность, необходимая для контроля ядерной реактивности и охлаждения),

- обеспечивать контролируемое извлечение энергии, выделяемой при ядерных реакциях, что предполагает соблюдение условий эффективности (ограничение тепловых барьеров, которые могут ухудшить теплопередачу в теплоноситель) и надежности (целостность канала теплоносителя, запас прочности по отношению к плавлению поглотителя, ограничение термических градиентов, вызывающих дифференциальные расширения, которые могут привести к чрезмерной механической нагрузке на конструкции…).

Поглощающие элементы, обычно применяемые в ядерных установках, можно классифицировать в зависимости от их геометрической формы следующим образом:

- цилиндры: прутки управляющих стержней, например, для реакторов RNR или реакторов REP,

- пластины: для управляющих стержней, например, реакторов на кипящей воде (REB).

Изобретение касается исключительно ядерных управляющих стержней цилиндрической геометрической формы и с круглым сечением, в которых цилиндрические таблетки поглотителя нейтронов В₄С с круглым поперечным сечением упакованы в герметичную трубчатую оболочку, содержащую на одном из своих концов зону без таблеток, называемую расширительным сосудом, которая служит для компенсации удлинения столбика таблеток под действием облучения по причине явлений распухания, возникающих при ядерных реакциях. В этой цилиндрической конфигурации между столбиком таблеток и оболочкой существует граница раздела. До настоящего времени эта граница раздела может быть ограничена при монтаже только контактной поверхностью или может соответствовать функциональному зазору, который в этом случае может содержать собой одно или несколько веществ в виде газа, жидкости, слоев, что будет подробнее рассмотрено ниже.

Авторы изобретения приводят перечень функций, которые должна выполнять эта граница раздела в поглощающем элементе. Эти функции представлены ниже.

Основные функции:

f1) осуществление механического разъединения между таблетками поглотителя и оболочкой, чтобы ограничить механическое взаимодействие между таблетками и оболочкой (обозначаемое в дальнейшем IMPG), обеспечивая свободное расширение столбика упакованных таблеток в радиальном направлении и в осевом направлении,

f2) обеспечение прохождения газообразных продуктов реакций поглощения нейтронов (гелия и трития в случае таблеток из В₄С), выделяемых поглощаемым элементом, до расширительного сосуда, находящегося на осевом конце управляющего стержня, или до вентиляционных отверстий, выполненных в оболочке управляющего стержня, для выхода этих газов в первичный контур (откуда их затем удаляют через соответствующие контуры очистки),

f3) осуществление термической связи между поглотителем и оболочкой:

i. с обеспечением минимизации термических барьеров, в частности, в радиальном направлении, чтобы избежать любого чрезмерного нагрева поглотителя,

ii. с обеспечением непрерывности этой функции, в частности, в осевом и азимутальном направлениях, чтобы минимизировать температурные перепады, являющиеся причиной дифференциальных расширений, которые могут привести, в частности, к значительным механическим нагрузкам на уровне оболочки.

Функции, связанные с окружающей средой:

f4) обеспечение первичных функций (f1-f3) с минимизацией влияния нейтронов на границу раздела, чтобы сохранить характеристики активной зоны реактора:

i. с минимизацией геометрического габарита,

ii. с применением материалов, в случае необходимости, имеющих большое эффективное сечение взаимодействия с нейтронами.

f5) обеспечение первичных функций (f1-f3) с одновременным сохранением химической совместимости границы раздела с окружающей ее средой:

i. с одновременным обеспечением химической совместимости границы раздела с оболочкой (предупреждение повышения кинетики при высокой температуре, например, в аварийной ситуации),

ii. с одновременным обеспечением химической совместимости границы раздела с поглотителем (предупреждение «низкотемпературной» эвтектики, которая может, например, снизить запас прочности поглотителя при плавлении).

Вторичные функции:

f6) ограничение перехода компонентов поглотителя (углерод, в частности, для таблеток из В₄С) в оболочку, чтобы предупредить риск внутренней коррозии, которая может привести к повышению хрупкости: речь идет о функции, связанной с первичной функцией f1,

f7) оптимизация центровки поглотитель/оболочка, чтобы минимизировать температурные перепады, создающие горячие точки и повышенные механические нагрузки на уровне оболочки: речь идет о вторичной функции, связанной с первичными функциями f1 и f3,

f8) минимизация (и предупреждение) риска перехода фрагментов поглотителя в возможный зазор между поглотителем и оболочкой, что может привести к нарушению целостности оболочки путем ее овализации и/или пробоя во время уменьшения этого зазора под действием дифференциальных расширений (тепловое расширение и распухание): речь идет о функции, связанной с первичной функцией f1. В случае управляющего стержня функции f1 и f8 могут быть неразрывно связаны друг с другом: в отличие от топливного элемента управляющий стержень может иметь большие радиальные размеры (как правило, в реакторах RNR, но не обязательно в реакторах REP), и в этом случае необходим соответствующий зазор таблетка/оболочка, что повышает риск прохождения в него фрагмента таблетки, следовательно, встает острая проблема контроля фрагментов таблетки, чтобы обеспечивать целостность таблетки при механических нагрузках.

Дополнительные функции:

f9) соблюдение обычных экономических условий:

i. срок службы: выполнение первичных и вторичных функций в течение срока эксплуатации поглотителя, совместимого с заданными экономическими показателями,

ii. обеспечение поставки материалов и осуществления процессов изготовления,

iii. стоимость.

f10) исключение любого существенного риска для безопасности в аварийной ситуации (например, химическая реактивность границы раздела с конструктивными материалами активной зоны в фазе ее расширяющейся деградации),

f11) минимизация технических проблем по изготовлению, в частности, при осуществлении способа сборки поглощающего элемента (поглотитель, граница раздела и оболочка),

f12) оптимальное удовлетворение требований на выходе реакционного цикла, касающихся разделения и рецикла.

В управляющих стержнях цилиндрической формы и круглого сечения граница раздела между таблетками и оболочкой представляет собой газ, как правило, гелий, или натрий в случае реакторов RNR-Na, который обладает оптимальными свойствами (среди возможных газов) с точки зрения теплопроводности (функция f3.i), химической нейтральности (функция f5 и дополнительные функции (функции f9-f12). Функции механического разъединения между топливными таблетками и оболочкой (функция f1) и транспортировки газов в расширительный сосуд и/или возможные вентиляционные отверстия (функция f2) идеально выполняются границей раздела в виде газа, поскольку уже при изготовлении предусматривают достаточный функциональный зазор между таблетками и оболочкой, чтобы избежать любого его заполнения под действуем облучения в результате дифференциальных деформаций поглотителя и оболочки [6].

Однако управляющий стержень цилиндрической формы круглого сечения и с границей раздела газообразной формы характеризуется противоречием, так как может одновременно выполнять функции f1 и f2, с одной стороны, и функции f3.i и f4.i, с другой стороны, только в строго обозначенных пределах. Действительно, не говоря уже о проблемах габаритов, которые сказываются на нейтронных характеристиках (плотность поглощающего вещества в поглощающем элементе), поскольку теплопроводность газообразной границы раздела является относительно низкой, любое увеличение функционального зазора при сборке между таблетками и оболочкой выражается в усилении образуемого ею термического барьера, что приводит к появлению высоких температур в поглотителе. Не говоря уже о том, что повышение температуры противоречит требованиям безопасности (в частности, снижает запас прочности поглотителя при плавлении), оно сопровождается повышением степени объемного расширения таблетки, которое способствует выборке упомянутого зазора под действием облучения, что снижает эффективность увеличения толщины границы раздела и, соответственно, сокращает срок службы поглощающего элемента.

Чтобы в какой-то степени решить эту термическую проблему, в патенте JP 11183674 было предложено решение (применительно к топливному элементу, но идентично тому, что предусматривают в том числе для управляющих стержней), экспериментально проверенное в ходе различных программ по облучениям [10], [11]. Это решение состоит в том, чтобы выполнять границу раздела не в виде газа, а в виде металла с низкой точкой плавления и жидкого в условиях работы топливного элемента: в частности, натрия. Более высокая проводимость металла по сравнению с газом позволяет в значительной степени решить проблемы, связанные с проводимостью границы раздела, что способствует существенному улучшению теплового баланса топливный элемент/поглотитель и позволяет, таким образом, предусмотреть более значительную толщину границы раздела.

Дополнительным преимуществом границы раздела в виде жидкого металла является то, что за счет своей хорошей теплопроводности он позволяет частично решить проблемы температурной неоднородности в окружном направлении, возникающей при возможном смещении центра топливной таблетки/поглотителя по отношению к оболочке. Действительно, выполнение требования концентричности (функция f7) уже изначально не гарантировано границей раздела в виде газа или жидкого металла по причине отсутствия в них жесткости. Поэтому любое смещение центра приводит к неоднородности теплового потока на окружности. Таким образом, последствия этой термической неоднородности (горячая точка на уровне оболочки и механическая нагрузка в результате термических дифференциальных расширений) можно значительно ослабить, если выполнить границу раздела в виде жидкого металла, учитывая лучшую теплопередачу между жидким металлом и оболочкой, с одной стороны, и таблетками, с другой стороны.

Однако выполнение границы раздела в виде жидкого металла тоже связано с определенными проблемами.

В первую очередь, возникают существенные ограничения совместимости с окружающей средой (функция f5, например, в плане химических аспектов). Так, в случае натрия, который по определению применяют в реакторах RNR-Na, со всей очевидностью проявляется несовместимость с теплоносителем в виде воды (REP), а также с реактором, работающим при высокой температуре и характеризующимся недостаточным запасом (и даже его отсутствием, например, в случае RNR-G) по отношению к риску закипания натрия (натрий кипит при температуре порядка 880°С).

Что касается температурных перепадов (функция f3.ii), понятно, что любая прерывистость в границе раздела, связанная с присутствием пузырьков газа в жидком металле (пузырьков, образующихся при изготовлении или в результате выделении газообразных продуктов деления под действием облучения), ставит под сомнение термические выигрыши этого решения: эта проблема была отмечена при экспериментальных облучениях, в ходе которых было установлено, что она может привести к преждевременному выходу из строя топливного элемента/поглотителя по причине преждевременного разрыва оболочки [11]. Кроме того, говоря об ограничении перехода компонентов топлива/поглотителя (функция f6), при экспериментальных облучениях карбидного топлива в реакторах типа RNR-Na, проведенных с целью сравнения поведения границ раздела из гелия и из натрия, было отмечено, что жидкий металл способствует повышению хрупкости оболочки в результате ее науглероживания, вызванного увеличением перехода через натрий углерода из топлива, тогда как эта проблема не отмечается при использовании гелия [11], если не считать случая возникновения контакта таблетка/оболочка при смещении центра. В случае управляющего стержня с применением поглотителя из В₄С, оболочки на основе стали и натриевой прокладки возникает аналогичная проблема охрупчивания оболочки в результате выделения углерода из таблеток поглотителя, прохождения свободного углерода через натриевый канал и термохимического воздействия на внутреннюю сторону оболочки [8]. Наконец, что касается функции f8, отсутствие жесткости прокладки способствует перемещению фрагментов топлива/поглотителя, которые, попадая в пространство на границе раздела, могут вызвать овализацию и даже пробой оболочки при сжатии фрагмента между таблетками и оболочкой во время облучения. Такой пробой может привести к преждевременной потере функции обеспечения целостности/герметичности оболочки, тогда как овализация ухудшает характеристики, так как влияет на теплообмены и возможные механические взаимодействия между соседними топливными элементами/поглотителями. На практике экспериментальное исследование облучений топливных элементов показывает, что радиальный функциональный зазор между таблетками и оболочкой с первоначальным значением примерно менее 4% от величины радиуса таблеток позволяет свести к минимуму риск разрыва оболочки в результате пробоя за счет ограничения вероятности смещения фрагмента таблетки в сторону границы раздела [13]. Однако это ограничение, необходимость которого обусловлена требованиями безопасности, в определенной степени сказывается на продолжительности работы топливного элемента/поглотителя, поскольку существенно снижает срок службы без взаимодействия IMPG. По сути, любая длительная эксплуатация топлива/поглотителя в ядерном реакторе, являющаяся условием его экономической эффективности, в этом контексте предполагает, что работа при взаимодействии IMPG будет неизбежной в течение более или менее длительного периода, предшествующего завершению срока службы. Для поглотителя из В₄С, характеризующегося довольно высокой степенью распухания, чтобы замедлить появление IMPG, необходимо предусматривать довольно значительные зазоры таблетка/оболочка при изготовлении: как правило более 10% от радиуса таблеток, например, в реакторах RNR-Na, то есть сверх вышеупомянутых 4%, что представляет тем большую опасность, чем больше диаметр управляющего стержня, по крайней мере, в реакторе на быстрых нейтронах по сравнению с радиусом топливного элемента: например, для реактора SUPERPHENIX [8] таблетки поглотителя имеют диаметр 17,4 мм, тогда как топливные таблетки имеют диаметр примерно 7 мм. Таким образом, возникает реальный риск перемещения фрагмента таблетки в зазор таблетка/оболочка, и, чтобы удерживать фрагменты, была предусмотрена система с использованием рубашки [8]. Были предложены также другие решения для обеспечения работы при механическом взаимодействии между таблеткой и оболочкой IMPG, чтобы одновременно удовлетворить требования экономического характера и безопасности.

Они призваны преодолеть остаточные проблемы, которые не могут по отдельности решать ни граница раздела в газообразном виде, ни граница раздела в виде жидкого металла, а именно:

- необходимость снижения механической нагрузки на оболочку в ситуации контакта с поглотителем,

- минимизация охрупчивания оболочки в результате агрессивных химических воздействий.

Все эти предложенные решения заключаются в нанесении одного или нескольких промежуточных слоев материала в качестве всей или части границы раздела.

Для топливного прутка реактора RNR с металлической оболочкой, работающего при температуре не менее 700°С, в патенте GB 1187929 предложено применять промежуточный слой между топливными таблетками и оболочкой, выполненный на основе металлического урана. В этом патенте раскрыты:

- тесный контакт между промежуточным слоем и оболочкой,

- другая часть границы раздела с термической функцией, как правило, из натрия, между промежуточным слоем и оболочкой,

- дополнительный слой с функцией химической совместимости, как правило, из глинозема, между промежуточным слоем и оболочкой,

- бороздки, образующие пустотные зоны между топливом и промежуточным слоем,

- возможность выполнения промежуточного слоя и/или топливной таблетки с пористостью, придающей им плотность, не превышающую 85% от их теоретической плотности,

- урановый сплав или сплав урана и молибдена в качестве компонента промежуточного слоя.

Аналогичные решения были предложены для топливных стержней с оболочкой на основе циркония, используемых в реакторах REP.

Так, в патенте US4818477 предложено выполнять покрытие на основе выгорающих поглотителей нейтронов (борид, обогащенный ¹⁰В), покрывающее топливные таблетки по толщине от 10 мкм до 100 мкм, чтобы ослабить взаимодействие IMPG.

В патенте US 3969186 предложено выполнять металлическую рубашку на внутренней стороне оболочки, чтобы предупредить риск пробоя или разрыва оболочки в результате образования трещин при коррозии под напряжением и/или в результате механического взаимодействия IMPG.

В патенте US 4783311 предложено выполнять комбинированные покрытия на внутренней стороне оболочки (толщина от 4 мкм до 50 мкм) и на поверхности топливных таблеток (толщина от 10 мкм до 200 мкм), при этом покрытие на внутренней стороне оболочки из материала, такого как графит, обеспечивает, в частности, роль «смазки».

В патенте JP 3068895А предложено выполнять пластичный промежуточный слой с бороздками, позволяющий поглощать напряжения при возможном взаимодействии IMPG, при этом слой является пластически деформирующимся, что позволяет избежать распространения трещин на внутренней стороне оболочки.

Можно также упомянуть частицы топлива сферической формы, используемые в реакторах RHT и описанные в международной патентной заявке WO2009079068. Как описано в этой заявке, выполняют многослойную структуру с шариком топлива в центре и с оболочкой вокруг него, которые обеспечивают одновременно функции механической целостности и герметичности по отношению к газообразным продуктам деления топливного шарика и между которыми наносят пористый пироуглеродный слой с буферной функцией, чтобы обеспечить объем расширения для газообразных продуктов деления и топливного шарика.

Кроме того, проблематика ядерных управляющих стержней цилиндрической геометрии и круглого сечения уже касалась перемещения фрагментов поглотителя нейтронов в пространство раздела между таблетками и оболочкой (функция f8), как было описано в исследовании использования материала В₄С в реакторах RNR-Na [8]. Под действием распухания, вызываемого выделением гелия при поглощении нейтронов на ¹⁰В, таблетка поглотителя делится на фрагменты. Таким образом, она высвобождает микрофрагменты, которые заполняют пространство между таблетками и оболочкой и ускоряют появление взаимодействия IMPG с одновременной механической нагрузкой на оболочку, которая быстро приводит к недопустимому повреждению. Было применено решение, согласно которому таблетки поглотителя помещали в металлическую рубашку небольшой толщины [8]: оно позволяет изолировать фрагменты таблетки (в том числе в ситуации разрыва рубашки) и продлить, таким образом, срок службы управляющего стержня в определенных пределах.

В патенте US 4235673 раскрыто использование рубашки либо в виде ткани из металлических нитей (вариант выполнения, представленный на фиг.1 и 2), либо в виде металлических лент (вариант выполнения, представленный на фиг.3 и 4), спиралевидно намотанных вокруг столбика топливных таблеток, соединенной с запорными элементами на концах столбика топливных таблеток и расположенной между этом столбиком и оболочкой. Это технологическое решение рубашки согласно этому патенту US 4235673 ставит целью исключительно изолирование возможных фрагментов или фрагментов таблеток. Таким образом, рубашка согласно этому патенту US 4235673 выполняет только функцию изолирования фрагментов топливных таблеток, при этом функцию теплопередачи между таблетками и оболочкой должна выполнять заполняющая текучая среда, такая как натрий, как указано, например, в этом документе (столбец 4, стр. 23-30), а функцию компенсации объемного распухания таблеток должен выполнять функциональный зазор между рубашкой и оболочкой, размер которого предусмотрен для этой цели, что ясно указано в пункте 1 формулы изобретения в этом документе. Иначе говоря, патент US 4235673 раскрывает комбинированное решение границы раздела между рубашкой, соединяемой с концами столбика таблеток, и жидкостью-теплоносителем достаточной толщины между оболочкой и столбиком таблеток, чтобы оставить достаточный функциональный зазор для компенсации объемного распухания таблеток. Кроме того, комбинированное решение границы раздела согласно этому патенту US 4235673 является сложным в осуществлении и не может быть воспроизводимым, учитывая неподвижное соединение между рубашкой и запорными элементами на концах столбика топливных таблеток, и, следовательно, требует дополнительного этапа по время изготовления топливного стержня в ядерной среде. Согласно патенту US 4235673, это технологическое решение применяют для ядерных управляющих стержней, как указано в описании (столбец 3, стр.46).

Патент FR 2769621 раскрывает использование рубашки или манжеты из SiC, армированной волокнами SiC и располагаемой между столбиком таблеток поглотителя нейтронов, как правило, В₄С, и оболочкой. Решение согласно этому патенту FR 2769621 реально работать не может: описанный материал для рубашки является эквивалентом композита с керамической матрицей СМС. Однако исследования, проведенные авторами изобретения, показали, что такой композит не может длительно компенсировать объемное расширение или распухание упакованных таблеток. Действительно, материал СМС обладает высокой жесткостью (модуль Юнга примерно 200-300 ГПа) и низкой пластичностью (удлинение при разрыве менее 1%), которые быстро приводят к его разрушению, как только он оказывается в ситуации IMPG под действием объемного распухания поглотителя нейтронов. Кроме того, значения толщины рубашки, упомянутые в этом патенте FR 2769621, предполагают объемные доли поглотителя нейтронов, намного меньшие допустимых значений. При этом уменьшение объемной доли поглотителя требует увеличения содержания ¹⁰В, что приводит к неизбежному удорожанию.

В патенте JP 2004245677 раскрыто применение металлической рубашки, изготовленной из волокон, в частности, в виде оплетки, расположенной между набором таблеток поглотителя из карбида бора В₄С по всей его высоте. Как и в патенте US 4235673, сама эта рубашка не может обеспечивать все функции, требуемые от промежуточной прокладки таблетка/оболочка управляющего стержня: она в основном предназначена для изолирования фрагментов таблетки поглотителя (функция f8), поэтому должна применяется в сочетании с заполняющей жидкостью (жидкий металл, такой как натрий, упомянутый в патенте JP 2004245677) для выполнения первичных функций, в частности, механической (функция f1) и термической (функция f3). Поэтому данное решение можно применять только для ситуаций, в которых предложенная рубашка погружена в натрий, что ограничивает область ее применения реактором RNR-Na, но со всей очевидностью исключает ее применение, например, в реакторе REP или RNR-G, поскольку эти реакторы не допускают использования натрия (проблема совместимости с теплоносителем в реакторе REP и температуры кипения в реакторе RNR-G).

Наконец, в патенте US 4172262 раскрыто использование металлической детали, расположенной между столбиком таблеток поглотителя нейтронов и оболочкой, при этом деталь устанавливают только на нижней части столбика. Конкретный материал, предложенный в этом документе, а именно нержавеющая сталь марки 347, не является совместимым со сверхвысокими температурами, что делает его непригодным для реакторов RNR-gaz и в аварийных ситуациях для других реакторов.

В связи с вышеизложенным, изобретение призвано предложить усовершенствованную границу раздела между таблетками и оболочкой в ядерном управляющем стержне цилиндрической геометрической формы и круглого сечения, которая позволяет устранить недостатки описанных выше известных границ раздела.

Изобретение призвано также предложить способ изготовления ядерного управляющего стержня с усовершенствованной границей раздела таблетки/оболочка, который можно применять на существующем оборудовании для изготовления современных ядерных стержней круглого сечения.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

В связи с этим, объектом изобретения является ядерный управляющий стержень, проходящий в продольном направлении, содержащий множество таблеток из материала-поглотителя нейтронов, скомпонованных друг с другом в виде столбика, и оболочку, охватывающую столбик таблеток, в котором в сечении, поперечном к продольному направлению оболочка и таблетки имеют круглое сечение и в котором между оболочкой и столбиком упакованных таблеток, по меньшей мере, по высоте последнего расположена промежуточная прокладка тоже круглого сечения в сечении, поперечном к продольному направлению (XX') из материала, прозрачного для нейтронов и имеющего открытую пористость.

Согласно изобретению, промежуточная прокладка является структурой, механически не связанной одновременно с оболочкой и со столбиком таблеток, имеющей повышенную теплопроводность и открытую пористость, выполненной с возможностью деформироваться при сжатии под действием объемного распухания таблеток при облучении, при этом первоначальная толщина прокладки и ее коэффициент сжатия определены таким образом, чтобы механическая нагрузка, передаваемая на оболочку через таблетки при облучении, оставалась ниже заданного порогового значения.

Под повышенной теплопроводностью следует понимать коэффициент теплопроводности, достаточно высокий для обеспечения теплопередачи между столбиком таблеток поглотителя В₄С и оболочкой таким образом, чтобы гарантировать поддержание температуры в сердцевине таблеток поглотителя ниже их точки плавления.

Таким образом, объектом изобретения является промежуточная прокладка между упакованными таблетками и оболочкой, имеющая твердую структуру с высокой степенью пористости, предпочтительно составляющей от 30 до 95% от объема прокладки в холодном состоянии, и выполненная с возможностью обеспечения следующих функций до номинальных рабочих температур в ядерных реакторах:

- обеспечение, за счет своего сплющивания, радиального расширения упакованных таблеток поглотителя нейтронов при облучении без чрезмерной механической нагрузки на оболочку,

- обеспечение, за счет деформаций, не приводящих к нарушению непрерывности своей структуры, компенсации дифференциальных осевых деформаций между упакованными таблетками и охватывающей их оболочкой, причем при температуре и при облучении и без чрезмерной нагрузки на оболочку,

- обеспечение возможности прохождения выделяемых при облучении газов (гелия и трития) в возможные вентиляционные отверстия, выполненные в оболочке, и/или в расширительный сосуд, находящийся на конце оболочки и не содержащий поглотителя нейтронов,

- обеспечение защиты оболочки в связи с проблемами совместимости с материалом-поглотителем таблеток за счет задержания продуктов, выделяемых поглотителем таблеток, которые могут вызвать коррозию оболочки.

Промежуточную прокладку в соответствии с изобретением можно выполнить в любом ядерном управляющем стержне, предназначенном для использования в реакторах, теплоноситель в которых не находится или находится под давлением (как в случае реакторов RNR-G). В этом последнем случае необходимо, чтобы используемые оболочки имели достаточную стойкость к деформации ползучести, чтобы не прижиматься к топливным таблеткам во время работы. Как правило, идеально подходит оболочка из композиционного материала с керамической матрицей.

Твердую промежуточную прокладку определяют как прокладку, открытая пористость которой обеспечивает возможность объемного расширения таблеток поглотителя В₄С в течение продолжительного времени без чрезмерного механического воздействия на оболочку в пределах периодов облучения, не требующих остановки для перезагрузки и не превышающих сроки, предусмотренные для топливных элементов. Под «чрезмерным» следует понимать воздействие, в частности, в окружном направлении, которое может превышать пределы, установленные обычными критериями размерности для ядерного управляющего стержня [14]. Кроме того, необходимо соблюдать требования термических условий (эффективность и отсутствие прерывистости), нейтронных условий (возможная способность поглощения нейтронов и габариты), а также требования прохождения выделяемых газообразных продуктов деления в расширительный сосуд.

Можно предусмотреть материал(ы) промежуточной прокладки в соответствии с изобретением, которые делают невозможным любое немеханическое взаимодействие между поглотителем и материалом оболочки. Так, промежуточная оболочка за счет открытых пор может захватывать все или часть продуктов, выделяемых поглотителем, которые могли бы вступать в химические реакции с оболочкой и привести к деградации ее механических характеристик (например, проблема коррозии под напряжением).

Открытые поры прокладки и возможные функциональные зазоры, отделяющие промежуточную прокладку от таблеток и/или оболочки, могут быть заполнены газом, предпочтительно гелием, и/или жидким металлом, таким как натрий.

Благодаря своей плотности (собственная жесткость до порога механической нагрузки, сверх которого начинается ее сплющивание), твердая промежуточная прокладка в соответствии с изобретением обеспечивает центровку таблеток в оболочке и препятствует любому смещению фрагмента поглотителя В₄С нейтронов.

Чтобы надолго задержать появление взаимодействия IMPG, можно предусмотреть толщину твердой промежуточной прокладки в несколько сот микрон. В любом случае необходимо, чтобы ее термические свойства с учетом, в случае необходимости, термических свойств газа и/или жидкого металла, в который она погружена, обеспечивали контроль за термическим поведением поглотителя нейтронов В₄С.

Твердая промежуточная прокладка должна иметь особые механические свойства. Так, необходимо, чтобы она обладала способностью деформироваться при сжатии, то есть радиально к направлению управляющего стержня, и при сдвиге (по окружности и в направлении, параллельном оси вращения стержня или прутка) в достаточной степени, чтобы компенсировать дифференциальные деформации таблеток поглотителя нейтронов и оболочки при облучении, не вызывая чрезмерных механических напряжений на уровне оболочки и не приводя к нарушению непрерывности прокладки в осевом и окружном направлениях. Эти механические свойства должны быть обеспечены при облучении для доз, которые могут достигать значений примерно от 100 до 200 dpa-Fe (флюенсы от 2 до 4·10²⁷ н/м²). Действительно, таблетки поглотителя нейтронов претерпевают объемное распухание, при котором увеличиваются их диаметр и длина. Поскольку оболочка распухает намного меньше, чем поглотитель, во время облучения промежуточное пространство между таблетками и оболочкой закрывается. Кроме того, столбик таблеток удлиняется намного больше, чем оболочка, что приводит к продольному сдвигу между ними. Таким образом, необходимо предусматривать, чтобы промежуточная прокладка могла:

- за счет своей деформации сплющивания компенсировать закрывание границы раздела с жесткостью, совместимой с механической прочностью оболочки, что исключает присутствие локально плотных зон (дефекты, связанные со способом изготовления, с уплотнением при облучении…),

- компенсировать деформацию продольного скольжения между столбиком поглотителя нейтронов и оболочкой за счет своего удлинения (влияние коэффициента Пуассона) вследствие радиального сплющивания и/или за счет деформации сдвига (при этом предполагается, что поверхностное сцепление с оболочкой и/или с поглотителем с передачей осевого усилия совместимо с механической прочностью оболочки); и/или за счет перетекания с вязкой осевой экструзией в зазор под действием радиального сжатия.

Промежуточную прокладку в соответствии с изобретением выполняют сплошной по всей ее высоте: в любом случае стараются найти компромисс, чтобы при компенсировании вышеупомянутой деформации продольного скольжения не происходило нарушения осевой непрерывности прокладки.

Наконец, необходимо, чтобы любые виды деформации прокладки не приводили к ее фрагментации, следствием которой может стать перемещение фрагментов в ситуациях частичного открывания границы раздела, как правило, при непредвиденной или при запланированной остановке реактора, что может вызвать риск последующего пробоя оболочки, например, во время повторного повышения мощности/температуры.

В случае необходимости, материалы для твердой промежуточной прокладки следует предусматривать таким образом, чтобы они имели максимальную способность поглощения нейтронов.

Сильная открытая пористость изготовленной таким образом структуры должна способствовать прохождению выделяемых газов в возможные вентиляционные отверстия, выполненные в оболочке, и/или в расширительный сосуд, находящийся в верхней части поглощающего элемента, при этом во время облучения эффективность должна снижаться как можно меньше (поскольку сплющивание структуры приводит к уменьшению общей пористости и количества открытых пор).

Большая поверхность обмена, обеспечиваемая структурой, должна способствовать удержанию продуктов, выделяемых поглотителем при облучении (например, углерода в случае В₄С), которые могут привести к охрупчиванию оболочки под действием коррозии.

Благодаря твердой промежуточной прокладке, выполненной в виде структуры в соответствии с изобретением, можно предусмотреть увеличение ее толщины по сравнению с обычными значениями толщины границы раздела между таблетками и оболочкой, чтобы продлить срок службы таблеток из материала-поглотителя нейтронов В₄С, что дает существенный экономический выигрыш без снижения уровня безопасности.

Открытая пористость промежуточной прокладки в соответствии с изобретением может иметь объем не менее 30% от общего объема изготовленной промежуточной прокладки. Предпочтительно этот объем составляет от 30% до 95% от общего объема изготовленной промежуточной прокладки и еще предпочтительнее - от 50% до 85%.

Разумеется, вышеуказанные пористость и геометрические размеры промежуточной прокладки представлены для промежуточной прокладки в холодном состоянии сразу после ее изготовления и до ее использования в ядерном реакторе.

Это же касается и других элементов управляющего стержня в соответствии с изобретением.

Открытую пористость в соответствии с изобретением можно количественно охарактеризовать при помощи различных известных методов измерения: например, посредством измерения плотности на оплетках и волокнах или посредством анализа рентгеновских снимков, или при помощи оптической микроскопии или оптической макроскопии.

Предпочтительно промежуточная прокладка имеет в сечении, поперечном к направлению (XX'), толщину, превышающую, по меньшей мере, 10% радиуса таблеток.

Промежуточная прокладка может быть выполнена в виде одной или нескольких волокнистых структур, таких как оплетка и/или фетр, и/или полотно, и/или ткань, и/или трикотаж. Объемное процентное содержание в ней волокон предпочтительно составляет от 15 до 50%, что по существу соответствует пористости в пределах от 50 до 85%, то есть оптимальному компромиссу между искомой сжимаемостью прокладки и высокой теплопроводностью с одновременным эффективным изолированием любого возможного осколка поглотителя.

Согласно варианту выполнения, промежуточную прокладку можно выполнить в виде оплетки, содержащей множество слоев углеродных волокон и множество слоев волокон карбида кремния, укладываемых на слои углеродных волокон.

В альтернативном варианте промежуточную прокладку можно выполнить из одного или нескольких ячеистых материалов, таких как пеноматериал.

Промежуточная прокладка может быть выполнена на основе керамики или на основе металла.

Для реактора на быстрых нейтронах с газовым охлаждением (RNR-gaz) предпочтительно в качестве базового материала оболочки можно выбрать композиционный материал с огнеупорной керамической матрицей (СМС), такой как SiC-SiC_f, в случае необходимости, в сочетании с рубашкой на основе жаропрочного металлического сплава.

Для реактора на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (RNR-Na) можно предусмотреть оболочку из металлического материала.

Объектом изобретения является также способ изготовления ядерного управляющего стержня, содержащий следующие этапы:

a) по меньшей мере, частично выполняют промежуточную прокладку круглого поперечного сечения из материала, прозрачного для нейтронов, в виде структуры из материала с высокой теплопроводностью и с открытой пористостью, обладающего способностью деформироваться от сжатия по своей толщине;

b) по меньшей мере, частично выполненную прокладку вводят в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения, открытую, по меньшей мере, на одном из своих концов и выполненную из материала, прозрачного или не прозрачного для нейтронов,

c) в прокладку, вставленную в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения, вводят множество таблеток из карбида бора В₄С не более чем по высоте прокладки,

d) после завершения выполнения прокладки полностью закрывают оболочку.

Согласно первому варианту, этап а содержит следующие подэтапы:

- множество плетеных слоев, содержащих волокна карбида кремния, укладывают на множество плетеных слоев углеродных волокон, которые, в свою очередь, расположены на оправке,

- многослойную оплетку подвергают сжатию в цилиндрической пресс-форме,

- в сжатую оплетку впрыскивают растворимое связующее вещество,

- производят выпаривание растворителя,

этап b осуществляют при помощи оправки, с которой входит в контакт оплетка, после чего оправку удаляют;

и после этапа с производят вакуумную термическую обработку, чтобы удалить связующее и обеспечить контакт прокладки с множеством упакованных таблеток и с оболочкой.

Плетеные слои могут быть двухмерного типа с углом плетения 45° относительно оси оправки.

Углеродные волокна могут быть волокнами типа Thornel® P-100, каждое из которых содержит 2000 нитей, и могут быть измельченными.

Волокна карбида кремния являются волокнами типа HI-NICALON^TM типа S, каждое из которых содержит 500 нитей.

Предпочтительно растворимым связующим является поливиниловый спирт.

Согласно второму варианту, этап а содержит следующие подэтапы:

- пласты углеродных волокон связывают между собой в виде трубы на оправке,

- производят термическую обработку (например, при температуре 3200°С в атмосфере аргона),

- термически обработанную трубу подвергают сжатию в цилиндрической пресс-форме,

- в сжатую трубу нагнетают растворимое связующее,

- производят выпаривание растворителя,

этап b выполняют при помощи оправки, с которой труба входит в контакт, после чего оправку удаляют;

после этапа с производят вакуумную термическую обработку, чтобы удалить связующее и обеспечить контакт прокладки с множеством упакованных таблеток и с оболочкой.

Углеродные волокна могут быть волокнами типа Thornel® P-125.

Как и в первом варианте, предпочтительно растворимым связующим является поливиниловый спирт.

Согласно третьему варианту, этап а содержит следующие подэтапы:

- выполняют трубу из вспененного углерода, содержащего открытые ячейки,

- производят химическое осаждение из паровой фазы сплава W-Re на трубу из вспененного углерода.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания ядерного управляющего стержня в соответствии с изобретением со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид в частичном продольном разрезе ядерного управляющего стержня в соответствии с изобретением.

Фиг.1А - вид в поперечном разрезе ядерного управляющего стержня, показанного на фиг.1.

Фиг.2 представляет в виде кривых результаты испытаний на цикличное сжатие промежуточной прокладки в соответствии с изобретением, причем этот вид напряжения является характерным для работы при облучении в ядерном реакторе (не стабилизировавшейся, учитывая колебания мощности).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

Представленным элементом является ядерный управляющий стержень. Этот элемент представлен в холодном состоянии, то есть сразу после завершения изготовления управляющего стержня, но до начала использования в ядерном реакторе.

Управляющий стержень в соответствии с изобретением содержит в направлении снаружи внутрь:

- оболочку 1 из металлического(их) материала(ов) или из СМС (композиционный(ые) материал(ы) с керамической матрицей), в случае необходимости покрытую рубашкой на своей внутренней стенке,

- первый монтажный зазор 2 (факультативный, так как он может быть выбран при изготовлении в результате процесса выпаривания связующего, как было указано выше),

- твердую прокладку 3 с открытой пористостью в соответствии с изобретением,

- второй монтажный зазор 4 (факультативный, так как он может быть выбран при изготовлении в результате процесса выпаривания связующего, как было указано выше),

- образующий столбик набор таблеток 5 из материала-поглотителя нейтронов, которым является карбид бора В₄С.

Твердая прокладка 3 с открытой пористостью в соответствии с изобретением имеет высоту, превышающую высоту столбика упакованных таблеток 5. Разность высоты между твердой пористой прокладкой 3 и столбиком упакованных таблеток предусмотрена таким образом, чтобы этот столбик оставался в осевом направлении напротив прокладки в течение всей фазы облучения во время работы ядерного реактора, в ходе которой он удлиняется при распухании под действием облучения. Так, согласно документу [8], поглотитель реактора SUPERPHENIX предназначен для работы на 10²² захватов на см³ поглотителя за год, и степень удлинения при распухании В₄С составляет примерно 0,05% для 10²⁰ захватов на см³ поглотителя, то есть удлинение составляет примерно 5% за год облучения.

Для изготовления твердой пористой прокладки 3 в соответствии с изобретением можно применять разные типы материалов и предпочтительно волокнистые структуры с возможным размещением в них матрицы или ячеистые материалы с открытой пористостью.

Волокнистые структуры могут быть выполнены в виде оплеток, фетра, пластов, тканей или трикотажа или в виде их комбинаций с объемным процентным содержанием волокон в них, по меньшей мере, 15% и даже, по меньшей мере, 5% в случае фетра до уплотнения. Волокна могут представлять собой керамические соединения (углерод, карбиды, нитриды или оксиды) или металлические соединения (такие как W, сплавы W-Re, Mo-Si₂…). Для выполнения волокнистых структур с целью применения в качестве пористой прокладки 3 в соответствии с изобретением можно применять классические технологии плетения, формования фетра или пластования, связывания, тканья или вязания [4].

Для повышения теплопроводности материала или для защиты волокон можно предусмотреть нанесение покрытий из огнеупорных химических соединений (керамические или металлические соединения) на волокна. В этом случае покрытия характеризуются таким объемным процентным содержанием, при котором конечный материал, то есть волокнистая структура, усиленная покрытием, имеет от 30% до 85% открытых пор и даже до 95% в случае фетра. Эти покрытия можно наносить на волокнистые структуры при помощи классических технологий химического осаждения из паровой фазы (CVD) [1] или других технологий, таких как пропитка полимером-предшественником керамики, пиролиз…

Прокладку 3 можно устанавливать на место, либо располагая ее вокруг таблеток 5, затем вводя сборку прокладка 3/таблетки 5 в оболочку 1, либо сначала вводя ее в оболочку 1 с последующим введением таблеток.

Физический контакт между оболочкой 1 и прокладкой 3, с одной стороны, и между прокладкой 3 и таблетками 5, с другой стороны, можно получить во время повышения температуры в ядерном реакторе за счет дифференциального теплового расширения, причем прокладка 3 при этом расширяется в большей степени. Другое решение для обеспечения этого физического контакта состоит в радиальном сжатии прокладки 3 и затем, после установки на место сборки оболочка 1 - прокладка 3 - таблетки 5, в прекращении сжатия прокладки перед использованием в ядерном реакторе, для которого предназначен управляющий стержень.

Предпочтительно ячеистые материалы или пеноматериалы являются материалами с открытой пористостью, в которых степень пористости составляет от 30% до 85% и диаметр ячеек в которых предпочтительно является меньшим 100 мкм, чтобы избегать смещения «макро-фрагментов» таблеток, но остается достаточно высоким для обеспечения сообщения между порами. Состав этих материалов может быть основан на керамических или металлических соединениях. Для выполнения ячеистых материалов с целью их применения в качестве пористой прокладки 3 в соответствии с изобретением можно применять классические технологии нагнетания пузырьков газа или соединений, генерирующих пузырьки газа, в расплавленный материал или использовать исходное соединение (органическая смола для углерода), порошковую металлургию с применением порообразующих соединений или частиц, нанесение соединения на пеноматериал, служащий подложкой [2], [7]. Затем базовый пеноматериал можно усилить посредством нанесения покрытия из соединения (выбранного из керамических или металлических соединений) или того же происхождения, что и пеноматериал, или имеющего другую природу. Это нанесение можно осуществить, например, посредством осаждения из паровой фазы (CDV) [1].

Ниже приведены три примера ядерных управляющих стержней в соответствии с изобретением с характеристиками главной системы управления (SCP) реактора SUPERPHENIX [8]: во всех этих примерах управляющий стержень содержит набор цилиндрических таблеток 5 поглотителя нейтронов из карбида бора диаметром 17,4 мм и оболочку 1, охватывающую столбик упакованных таблеток и имеющую диаметр 19,8 мм, то что дает зазор таблетка/оболочка радиальной толщиной 1,2 мм (в холодном состоянии).

Если сравнить с описанным ниже решением прокладки, в случае управляющего стержня SCP реактора SUPERPHENIX [8] столбик таблеток поглотителя окружен рубашкой толщиной 200 мкм, обеспечивающей изолирование фрагментов таблеток, образующихся при облучении, и пространство таблетка/оболочка заполнено жидким натрием, обеспечивающим эффективную теплопередачу. Завершение срока службы такого управляющего стержня связано, в частности, с наступлением ситуации взаимодействия IMPG, когда объемное расширение таблеток В₄С приводит к заполнению свободного радиального пространства, первоначально отделяющего столбик таблеток от оболочки, и к резко возрастающей механической нагрузке на оболочку. Поскольку толщину рубашки (200 мкм) следует вычесть из первоначальной толщины зазора таблетка/оболочка (1,2 мм), запас расширения таблеток составляет примерно 1 мм при радиусе таблетки 8,7 мм, что дает степень допустимого расширения порядка 11,5% до появления взаимодействия IMPG. Эти характеристики обычно позволяют получать плотность захвата нейтронов порядка 200·10²⁰ захватов на см³ поглотителя.

При использовании твердой пористой прокладки в соответствии с изобретением, если наступление конца срока службы считать при полном исчезновении пористости прокладки (за счет сплющивания при объемном расширении таблеток В₄С), можно рассчитать возможный выигрыш в плотности захвата нейтронов на основании первоначальной пористости, предусмотренной для прокладки в соответствии с изобретением. Для перехода от рубашки толщиной 200 мкм к прокладке толщиной 1,2 мм необходимо иметь пористость прокладки в значении, равном отношению 1/1,2, то есть порядка 83% (прокладка при 17% теоретической плотности образующего ее материала), чтобы добиться плотности захвата, получаемой с решением типа рубашки, и использовать, кроме того, преимущество центровки таблетки/оболочка. Следует уточнить, что в данном случае не принимается в расчет термическое влияние прокладки (вычисления показывают, что оно является влиянием второго порядка в том, что касается степени распухания поглотителя).

Пример 1: Оплетка со слоями из SiC/слои С

Первый ряд из наложенных друг на друга трех слоев оплетки выполняют из углеродных волокон (коммерческое название Thornel® P-100), каждое из которых состоит из 2000 нитей и которые измельчают, чтобы уменьшить диаметр нити) на оправке со следующими характеристиками:

- внутренний диаметр: 17,5 мм

- наружный диаметр: 19,0 мм

- тип плетения: двухмерное

- угол плетения: 45°.

Второй ряд из трех слоев оплетки поверх предыдущего ряда слоев оплетки выполняют из волокон карбида кремния (коммерческое название HI-NICALON^TM типа S), каждое из которых содержит 500 нитей, со следующими характеристиками:

- внутренний диаметр: 19,0 мм

- наружный диаметр: 21,2 мм

- тип плетения: двухмерное

- угол плетения: 45°.

Полученную таким образом многослойную оплетку 3 подвергают сжатию в цилиндрической пресс-форме с внутренним диаметром 19,7 мм. Затем в оплетку вводят растворимое связующее, в данном случае поливиниловый спирт, потом растворитель выпаривают.

После этого оплетку 3 извлекают из формы и вводят в металлическую оболочку 1 с внутренним диаметром 19,8 мм. Затем удаляют центральную оправку и в оплетку вводят столбик таблеток 5 поглотителя нейтронов из карбида бора В₄С диаметром 17,4 мм. Связующее удаляют посредством термической обработки всего комплекса в вакууме. Затем прекращают сжимать оплетку 3, и она входит в физический контакт с таблетками 5 и с оболочкой 1.

Таким образом, оплетка 3 имеет толщину при изготовлении, равную общему монтажному зазору между оболочкой 1 и таблетками 5, то есть 1,2 мм.

Затем оболочку закрывают с двух концов, например, посредством пайки. Хотя это и не показано, перед окончательным этапом закрывания в расширительную камеру или сосуд 6 устанавливают спиральную пружину сжатия, нижний конец которой опирается на набор таблеток 5 и другой конец которой опирается на верхнюю пробку. Основными функциями этой пружины является удержание набора таблеток 5 вдоль продольной оси XX' и поглощение удлинения топливного столбика в течение времени под действием продольного распухания таблеток 5.

Полученный таким образом ядерный управляющий стержень с твердой пористой прокладкой 3 в соответствии с изобретением можно использовать по его назначению в ядерном реакторе на быстрых нейтронах.

Пример 2: Связанная углеродная структура

Пласты углеродных волокон (коммерческое название Thornel® P-25) связывают между собой в виде трубы с внутренним диаметром 17,5 мм и с наружным диаметром 21,2 мм на оправке из графита.

Затем всю сборку подвергают термической обработке при 3200°С в атмосфере аргона. Полученную трубу сжимают в цилиндрической пресс-форме с внутренним диаметром 19,7 мм. Затем в структуру вводят растворимое связующее, в данном случае поливиниловый спирт, потом растворитель выпаривают.

После этого полученную твердую пористую прокладку 3 извлекают из формы и вводят в оболочку 1 с внутренним диаметром 19,8 мм. Затем удаляют центральную оправку и в смешанную структуру прокладка 3/оболочка 1 вводят столбик таблеток 5 поглотителя нейтронов из карбида бора В₄С диаметром 17,4 мм.

Связующее удаляют посредством термической обработки всего комплекса в вакууме. Прокладка 3 разжимается и входит в контакт с упакованными таблетками 5 и с оболочкой 1.

Затем оболочку 1 закрывают с двух концов, например, посредством пайки. Хотя это и не показано, перед окончательным этапом закрывания в расширительную камеру или сосуд 6 устанавливают спиральную пружину сжатия, нижний конец которой опирается на набор таблеток 5 и другой конец которой опирается на верхнюю пробку. Основными функциями этой пружины является удержание набора таблеток 5 вдоль продольной оси XX' и поглощение удлинения топливного столбика в течение времени под действием продольного распухания таблеток 5. Полученный таким образом ядерный управляющий стержень с твердой пористой прокладкой 3 в соответствии с изобретением можно использовать по его назначению в ядерном реакторе на быстрых нейтронах.

Пример 3: вспененный углерод с покрытием из сплава W-Re 5%

Трубу с внутренним диаметром 17,4 мм и с наружным диаметром 19,8 мм из вспененного углерода, содержащего открытые ячейки диаметром 40 мкм, помещают в печь, предназначенную для химического осаждения из паровой фазы (на английском языке Chemical Vapor Deposition, CVD).

На образующие пеноматериал связи наносят покрытие толщиной примерно 7 мкм из сплава W-Re 5% посредством разложения смеси галогенсодержащих соединений вольфрама и рения.

Эту трубу из пеноматериала затем вводят в оболочку 1 с внутренним диаметром 19,8 мм, после чего в трубу из пеноматериала вводят столбик таблеток 5 поглотителя нейтронов из карбида бора В₄С диаметром 17,4 мм.

Затем оболочку можно закрыть с двух концов, например, посредством пайки. Хотя это и не показано, перед окончательным этапом закрывания в расширительную камеру или сосуд 6 устанавливают спиральную пружину сжатия, нижний конец которой опирается на набор таблеток 5 и другой конец которой опирается на верхнюю пробку. Основными функциями этой пружины является удержание набора таблеток 5 вдоль продольной оси XX' и поглощение в течение времени удлинения топливного столбика под действием продольного распухания таблеток 5. Полученный таким образом ядерный управляющий стержень с твердой пористой прокладкой 3 в соответствии с изобретением можно использовать по его назначению в ядерном реакторе на быстрых нейтронах.

Не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть другие усовершенствования. Так, в представленных выше примерах 1-3 твердая пористая прокладка 3 имеет толщину при изготовлении, то есть когда оболочка 1 закрыта и управляющий стержень готов к использованию, равную общему монтажному зазору, предусмотренному между оболочкой 1 и столбиком таблеток 5 из поглощающего материала В₄С.

Разумеется, можно предусмотреть зазоры (см. позиции 2, 4 на фиг.1), которые остаются после изготовления управляющего стержня при условии, что это допускают способы изготовления и свойства, в частности, дифференциального теплового расширения соответственно оболочки 1 и твердой пористой прокладки 3, с одной стороны, и прокладки 3 и таблеток 5, с другой стороны.

Эти зазоры, показанные на фиг.1 под позициями 2, 4, заполняют газом или жидким металлом, который естественным образом проникает в открытые поры твердой пористой прокладки 3 в соответствии с изобретением и в открытые поры таблеток 5 поглотителя нейтронов из В₄С.

Однако, в соответствии с изобретением и в отличие от известных решений, в частности, от решения по патенту US 4235673 монтажные зазоры не являются обязательными и, следовательно, не являются функциональными зазорами, предусмотренными для компенсации объемного распухания таблеток под действием облучения.

Кроме того, оправка, используемая для формирования твердой пористой прокладки, описанной в представленных примерах, может быть выполнена из других материалов, совместимых с материалами прокладки, таких как графит, кварц.

Точно так же, для финального этапа способа перед закрыванием оболочки, как описано в примерах 1-3, предусмотрена установка спиральной пружины сжатия. В целом, во время этого финального этапа перед этапом закрывания можно применять систему, называемую в области ядерной энергетики «системой внутренних элементов», то есть набор компонентов, таких как пружина, подкладка и т.д., функцией которых является обеспечение осевого позиционирования столбика таблеток внутри оболочки.

На фиг.2 представлено поведение при сжатии промежуточных прокладок в соответствии с изобретением с сильной открытой пористостью на основе оплеток или на основе фетра из материала SiC.

В частности, речь идет об испытаниях на цикличное сжатие, при этом каждый цикл представляет собой чередующиеся нагрузку и разгрузку, что показано на фиг.2 в виде контуров нагрузки в плоскости деформация-напряжение.

На оси абсцисс показаны значения степени сжатия (деформация в %) прокладки по ее толщине.

На оси ординат показаны значения механической нагрузки (напряжение в МПа), передаваемой прокладкой под действием ее сплющивания.

Таким образом, по сути указанные напряжения соответствуют радиальной механической нагрузки σ_r, которой может подвергаться оболочка ядерного управляющего стержня под действием объемного распухания скомпонованных друг с другом таблеток поглотителя нейтронов из В₄С, при этом напряжения напрямую передаются на оболочку при сжатии прокладки между таблетками и оболочкой. Эта радиальная нагрузка приводит к окружной размерной нагрузке σ_θ, интенсивность которой соответствует радиальной нагрузке, умноженной на показатель, порядок величины которого выражается отношением среднего радиуса r_G оболочки к ее толщине e_G, которое обычно составляет от 5 до 10: σ_θ ≈ (r_G/e_G) σ_r.

Таким образом, на фиг.2 проиллюстрирован тот факт, что промежуточная прокладка в соответствии с изобретением может работать как амортизатор напряжений: передаваемая нагрузка становится существенной только при достаточной степени сжатия, сверх которой передаваемая нагрузка постепенно возрастает вместе с силой сжатия, пока не достигнет (но без резкой кинетики) порогового значения предельной допустимой нагрузки. Так, при нагрузке σ_r, которую считают существенной, начиная от 1 МПа, степень сжатия составляет примерно соответственно 40% и 70% для прокладок типа оплетки и фетра, рассматриваемых на фиг.2.

В условиях работы при облучении в реакторе оболочка ядерного управляющего стержня может находиться под нагрузкой от поглотителя нейтронов В₄С, только если эта нагрузка остается ниже предела, обеспечивающего отсутствие разрыва оболочки. Так, если, например, установить пороговое значение допустимой окружной нагрузки σ_θ в 100 МПа (что представляет собой приемлемое значение по отношению к обычно допускаемым нагрузкам), то есть радиальной нагрузки σ_r порядка 10 МПа (при отношении r_G/e_G порядка 10), то, как видно на фиг.2, рассматриваемые прокладки типа оплетки и фетра допускают соответственно степень сжатия порядка 60% и 95%, ниже которого передаваемая на оболочку механическая нагрузка остается допустимой.

Следует отметить, что после испытаний, показанных на фиг.2, было установлено, что промежуточная прокладка в соответствии с изобретением в виде оплетки и прокладка в виде фетра сохранили свою целостность: таким образом, сохранилась структура оплетка/фетр без образования фрагментов, которые могли бы попасть в зазор между таблетками и нарушенной оболочкой в управляющем стержне реактора на быстрых нейтронах RNR.

Для достижения наилучших экономических показателей управляющий стержень должен как можно дольше оставаться в реакторе на быстрых нейтронах. Для обеспечения задачи безопасности, как правило, эти показатели ограничивают различными эксплуатационными условиями. Одним из наиболее строгих ограничений является необходимость гарантировать при любых обстоятельствах механическую целостность оболочки управляющего стержня. Это выражается определением предельной допустимой нагрузки на оболочку (напряжение и/или деформация, сверх которой целостность оболочки не может быть гарантирована). Однако в процессе облучения таблетки поглотителя нейтронов из В₄С претерпевают непрерывное объемное распухание, которое приводит к механическому взаимодействию таблетки/оболочка (IMPG), которое в конечном счете создает нежелательную нагрузку на оболочку. Таким образом, продолжительность эксплуатации ядерного управляющего стержня с поглотителем из В₄С тесно связана с моментом наступления чрезмерного взаимодействия. Описанная выше промежуточная прокладка в соответствии с изобретением дает удовлетворительный ответ, поскольку она допускает продолжительное объемное расширение или распухание таблеток. При заданной степени объемного распухания таблеток продолжительность зависит от первоначальной толщины прокладки и от степени сжатия, которую она допускает, прежде чем ее сжатое состояние не приведет к передаче нежелательной механической нагрузки на оболочку: первоначальная толщина прокладки тем меньше, чем выше допустимая степень сжатия.

На фиг.2 показано, что для достижения предела сжатия предложенных прокладок типа оплетки или фетра необходимы очень высокие значения степени сжатия, то есть при применении прокладки соответствующей толщины можно достичь большой продолжительности облучения. Большие значения толщины прокладки, характерные для управляющих стержней реактора на быстрых нейтронах, позволяют использовать прокладки с большой пористостью, которые обеспечивают легкое достижение и, возможно, даже превышение показателей решения с применением рубашки в SUPERPHENIX.

Кроме того, были проведены испытания на сдвиг в волокнистой структуре в соответствии с изобретением высотой порядка 1 см с воздействием на нее усилиями, соответствующими цикличным смещениям порядка 100 мкм при температурах порядка 400°С. При этих удлинениях в 1% волокнистая структура остается совершенно целой. В случае управляющих стержней реактора на быстрых нейтронах большие значения толщины прокладки позволяют также применять прокладки в соответствии с изобретением, содержащие несколько наложенных друг на друга слоев оплетки и/или фетра. При осевом сдвиге, которому подвергается прокладка под действием облучения, учитывая более выраженное удлинение столбика таблеток (эффект распухания), чем удлинение оболочки, эта многослойная структура снижает механическую нагрузку прокладки, допуская относительное скольжение слоев друг на друга и ограничивая за счет этого риск повреждения прокладки по причине сдвига.

ПРОЦИТИРОВАННЫЕ ССЫЛКИ:

[1] S. Audisio, Dépôt chimiques à partir d'une phase gazeuse, Techniques de l'ingénieur, M1660, 1985.

[2] J. Banhart, Manufacture, characterization and application of cellular metals and metal foams, Progress in Materials Science, Vol. 46. pp. 559-632, 2001.

[3] A. Berthet, B. Kaputsa, R. Traccucci, P. Combette, F. Couvreur, D. Gouaillardou, J.C. Leroux, J. Royer & M. Trotabas, Pressurized Water Reactor Fuel Assembly, in The nucear fuel of pressurized water reactor and fast reactors - Design and behaviour, (H. Bailly, D. Ménessier and C. Prunier, Editors), Lavoisier Publishing, Paris, pp. 271-436, 1999.

[4] L. Caramaro, Textiles à usages techniques, Techniques de l'ingénieur N2511, 2006.

[5] D. Gosset et P. Herter, Matériaux absorbants neutroniques pour le pilotage des réacteurs, Techniques de l'ingénieur B3720, 2007.

[6] Y. Guérin, In-reactor behaviour of fuel materials, in The nucear fuel of pressurized water reactor and fast reactors - Design and behaviour, (H. Bailly, D. Ménessier and C. Prunier, Editors), Lavoisier Publishing, Paris, pp. 77-158, 1999.

[7] L. Kocon et T. Piquero, Les aérogels et les structures alvéolaires: deux exemples de mousses de carbone, L'Actualité Chimique, n° 295-296, pp. 119-123, 2006.

[8] B. Kryger & J.M. Escleine, Absorber elements, in The nucear fuel of pressurized water reactor and fast reactors - Design and behaviour, (H. Bailly, D. Ménessier and C. Prunier, Editors), Lavoisier Publishing, Paris, pp. 531-565, 1999.

[9] J.Y. Malo, N. Alpy, F. Bentivoglio, F. Bertrand, L. Cachon, G. Geffraye, D. Haubensack, A. Messié, F. Morin, Y. Péneliau, F. Pra, D. Plancq & P. Richard, Gas Cooled Fast reactor 2400 MWTh, status on the conceptual design studies and preliminary safety analysis, Proceedings of the ICAPP'09 conference, (Tokyo, Japan, May 10-14, 2009).

[10] R.B. Matthews and R.J. Herbst, Nuclear Technology, Vol. 63, pp. 9-22, 1983.

[11] Hj. Matzke, Science of advanced LMFBR fuels, North Holland, Amsterdam, 1986.

[12] P. Millet, J.L. Ratier, A. Ravenet et J. Truffert, Fast Reactor Fuel Assembly, in The nucear fuel of pressurized water reactor and fast reactors - Design and behaviour, (H. Bailly, D. Ménessier and C. Prunier, Editors), Lavoisier Publishing, Paris, pp. 437-529, 1999.

[13] K. Tanaka, K. Maeda, K. Katsuyama, M. Inoue, T. Iwai and Y. Arai, Journal of Nuclear Materials, Vol. 327, pp. 77-87, 2004.

[14] Design and construction rules for fuel assemblies of PWR nuclear power plants, AFCEN, 2005.

Изобретение относится у конструкции управляющего стержня ядерного реактора. Между оболочкой и столбиком таблеток из материала-поглотителя нейтронов В₄С, по меньшей мере, по высоте этого столбика помещают промежуточную прокладку (3) из материала, прозрачного для нейтронов, в виде структуры (3), имеющей повышенную теплопроводность и открытую пористость. При этом структура выполнена с возможностью деформироваться при сжатии по своей толщине. Изобретение касается также соответствующих способов изготовления. Технический результат - предупреждение взаимодействия поглотителя с оболочкой, возможность выхода газообразных продуктов реакций поглощения нейтронов. 7 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ядерный управляющий стержень, проходящий в продольном направлении (XX'), содержащий множество таблеток (5) из материала-поглотителя нейтронов В₄С, скомпонованных друг с другом в виде столбика, и оболочку (1), охватывающую столбик таблеток, в котором в сечении, поперечном к продольному направлению (XX'), оболочка и таблетки имеют круглое сечение и в котором между оболочкой и столбиком упакованных таблеток, по меньшей мере, по высоте последнего расположена промежуточная прокладка (3) тоже круглого сечения в сечении, поперечном к продольному направлению (XX'), из материала, прозрачного для нейтронов, причем промежуточная прокладка является структурой (3), механически не связанной одновременно с оболочкой (1) и со столбиком таблеток (5), имеющей повышенную теплопроводность и открытую пористость, выполненной с возможностью деформироваться при сжатии по своей толщине таким образом, чтобы подвергаться сплющиванию под действием объемного распухания таблеток при облучении, при этом первоначальная толщина прокладки и ее коэффициент сжатия определены таким образом, чтобы механическая нагрузка, передаваемая на оболочку через таблетки при облучении, оставалась ниже заданного порогового значения, отличающийся тем, что промежуточная прокладка выполнена в виде оплетки, содержащей множество слоев углеродных волокон и множество слоев волокон карбида кремния, уложенных на слои углеродных волокон.

2. Ядерный управляющий стержень, проходящий в продольном направлении (XX'), содержащий множество таблеток (5) из материала-поглотителя нейтронов В₄С, скомпонованных друг с другом в виде столбика, и оболочку (1), охватывающую столбик таблеток, в котором в сечении, поперечном к продольному направлению (XX'), оболочка и таблетки имеют круглое сечение и в котором между оболочкой и столбиком упакованных таблеток, по меньшей мере, по высоте последнего расположена промежуточная прокладка (3) тоже круглого сечения в сечении, поперечном к продольному направлению (XX'), из материала, прозрачного для нейтронов, причем промежуточная прокладка является структурой (3), механически не связанной одновременно с оболочкой (1) и со столбиком таблеток (5), имеющей повышенную теплопроводность и открытую пористость, выполненной с возможностью деформироваться при сжатии по своей толщине таким образом, чтобы подвергаться сплющиванию под действием объемного распухания таблеток при облучении, при этом первоначальная толщина прокладки и ее коэффициент сжатия определены таким образом, чтобы механическая нагрузка, передаваемая на оболочку через таблетки при облучении, оставалась ниже заданного порогового значения, отличающийся тем, что промежуточная прокладка выполнена в виде одного или нескольких пластов углеродных волокон.

3. Ядерный управляющий стержень, проходящий в продольном направлении (XX'), содержащий множество таблеток (5) из материала-поглотителя нейтронов В₄С, скомпонованных друг с другом в виде столбика, и оболочку (1), охватывающую столбик таблеток, в котором в сечении, поперечном к продольному направлению (XX'), оболочка и таблетки имеют круглое сечение и в котором между оболочкой и столбиком скомпонованных таблеток, по меньшей мере, по высоте последнего расположена промежуточная прокладка (3) тоже круглого сечения в сечении, поперечном к продольному направлению (XX'), из материала, прозрачного для нейтронов, причем промежуточная прокладка является структурой (3), механически не связанной одновременно с оболочкой (1) и со столбиком таблеток (5), имеющей повышенную теплопроводность и открытую пористость, выполненной с возможностью деформироваться при сжатии по своей толщине таким образом, чтобы подвергаться сплющиванию под действием объемного распухания таблеток при облучении, при этом первоначальная толщина прокладки и ее коэффициент сжатия определены таким образом, чтобы механическая нагрузка, передаваемая на оболочку через таблетки при облучении, оставалась ниже заданного порогового значения, отличающийся тем, что промежуточная прокладка выполнена из одного или нескольких ячеистых материалов на основе углерода, такого(их) как пеноматериал.

4. Ядерный управляющий стержень по любому из пп.1, 2 или 3, в котором открытая пористость промежуточной прокладки имеет объем, по меньшей мере равный 30% от общего объема изготовленной промежуточной прокладки.

5. Ядерный управляющий стержень по п.4, в котором открытая пористость промежуточной прокладки имеет объем, составляющий от 30% до 95% от общего объема изготовленной промежуточной прокладки.

6. Ядерный управляющий стержень по п.5, в котором открытая пористость промежуточной прокладки имеет объем, составляющий от 50% до 85% от общего объема изготовленной промежуточной прокладки.

7. Ядерный управляющий стержень по п.1, в котором промежуточная прокладка имеет в сечении, поперечном к направлению (XX'), толщину, превышающую по меньшей мере 10% радиуса таблеток.

8. Ядерный управляющий стержень по п.1, в котором объемное процентное содержание волокон в промежуточной прокладке составляет от 15 до 50%.

9. Ядерный управляющий стержень по п.1 для реактора на быстрых нейтронах с газовым охлаждением (RNR-gaz), в котором в качестве базового материала оболочки применен композиционный материал с огнеупорной керамической матрицей (СМС), такой как SiC-SiC_f, и таблетки поглотителя выполнены из В₄С.

10. Ядерный управляющий стержень по п.1 для реактора на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (RNR-Na), в котором оболочка выполнена из металлического материала, и таблетки поглотителя выполняют из В₄С.

11. Ядерный управляющий стержень по п.1 для реактора на воде под давлением (REP) или на кипящей воде (REB), в котором оболочка содержит композиционный материал с огнеупорной керамической матрицей (СМС), и таблетки поглотителя выполнены из В₄С.

12. Ядерная сборка поглотителя, содержащая множество управляющих стержней по п.1 и расположенных в виде решетки.

13. Способ изготовления ядерного управляющего стержня, содержащий этапы, на которых:
a) по меньшей мере, частично выполняют промежуточную прокладку круглого поперечного сечения из материала, прозрачного для нейтронов, в виде структуры (3) из материала с высокой теплопроводностью и с открытой пористостью, обладающего способностью деформироваться от сжатия по своей толщине;
b) по меньшей мере, частично вводят выполненную прокладку в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения, открытую, по меньшей мере, на одном из своих концов и выполненную из материала, прозрачного или непрозрачного для нейтронов,
c) вводят в прокладку, вставленную в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения, множество таблеток из поглощающего нейтроны карбида бора В₄С, по меньшей мере, по высоте прокладки, которую вставляют в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения,
d) после завершения выполнения прокладки полностью закрывают оболочку,
причем согласно указанному способу этап а) реализован следующими подэтапами:
- множество плетеных слоев, содержащих волокна карбида кремния, укладывают на множество плетеных слоев углеродных волокон, которые, в свою очередь, расположены на оправке,
- многослойную оплетку подвергают сжатию в цилиндрической пресс-форме,
- в сжатую оплетку впрыскивают растворимое связующее вещество,
- производят выпаривание растворителя,
согласно которому этап b) осуществляют при помощи оправки, с которой входит в контакт оплетка, после чего оправку удаляют;
и согласно которому после этапа с) производят вакуумную термическую обработку, чтобы удалить связующее и обеспечить контакт прокладки с множеством упакованных таблеток и с оболочкой.

14. Способ по п.13, согласно которому плетеные слои являются слоями двухмерного типа с углом плетения 45° относительно оси оправки.

15. Способ по п.13 или 14, согласно которому углеродные волокна являются волокнами типа Thornel® P-100, каждое из которых содержит 2000 нитей и которые применяют измельченными.

16. Способ по п.13, согласно которому волокна карбида кремния являются волокнами типа HI-NICALON^TM типа S, каждое из которых содержит 500 нитей.

17. Способ по п.13, согласно которому растворимым связующим является поливиниловый спирт.

18. Способ изготовления ядерного управляющего стержня, содержащий этапы, на которых:
a) по меньшей мере, частично выполняют промежуточную прокладку круглого поперечного сечения из материала, прозрачного для нейтронов, в виде структуры (3) из материала с высокой теплопроводностью и с открытой пористостью, обладающего способностью деформироваться от сжатия по своей толщине;
b) по меньшей мере, частично вводят выполненную прокладку в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения, открытую, по меньшей мере, на одном из своих концов и выполненную из материала, прозрачного или не прозрачного для нейтронов,
c) вводят в прокладку, вставленную в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения, множество таблеток из поглощающего нейтроны карбида бора В₄С, по меньшей мере, по высоте прокладки, которую вставляют в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения,
d) после завершения выполнения прокладки полностью закрывают оболочку,
причем согласно указанному способу этап а) реализован следующими подэтапами:
- пласты углеродных волокон связывают в виде трубы на оправке,
- производят термическую обработку,
- термически обработанную трубу подвергают сжатию в цилиндрической пресс-форме,
- в сжатую трубу нагнетают растворимое связующее,
- производят выпаривание растворителя,
согласно которому этап b) выполняют при помощи оправки, с которой труба входит в контакт, после чего оправку удаляют;
и согласно которому после этапа с) производят вакуумную термическую обработку, чтобы удалить связующее и обеспечить контакт прокладки с множеством упакованных таблеток и с оболочкой.

19. Способ по п.18, согласно которому углеродные волокна являются волокнами типа Thornel® P-125.

20. Способ по п.18 или 19, согласно которому растворимым связующим является поливиниловый спирт.

21. Способ изготовления ядерного управляющего стержня, содержащий этапы, на которых:
a) по меньшей мере, частично выполняют промежуточную прокладку круглого поперечного сечения из материала, прозрачного для нейтронов, в виде структуры (3) из материала с высокой теплопроводностью и с открытой пористостью, обладающего способностью деформироваться от сжатия по своей толщине;
b) по меньшей мере, частично вводят выполненную прокладку в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения, открытую, по меньшей мере, на одном из своих концов и выполненную из материала, прозрачного или непрозрачного для нейтронов,
c) вводят в прокладку, вставленную в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения, множество таблеток из поглощающего нейтроны карбида бора В₄С, по крайней мере, по высоте прокладки, которую вставляют в цилиндрическую оболочку круглого поперечного сечения,
d) после завершения выполнения прокладки полностью закрывают оболочку,
причем согласно указанному способу этап а) реализован следующими подэтапами:
- выполняют трубу из вспененного углерода, содержащего открытые ячейки,
- производят химическое осаждение из паровой фазы (CVD) сплава W-Re на трубу из вспененного углерода.