Тепловыделяющий элемент энергети-чЕСКОгО ядЕРНОгО PEAKTOPA Советский патент 1981 года по МПК G21C3/16 

Изобретение относится к керги шческим тепловыделяющим элементам (ТВЭЛ) брикетного, типа, которое в настоящее время используются в днергетически}( ядерных реакторах. Известно конструктивное выполнение топливного элемента ядерного реактора, включающего кожух, заглушки и расположенные внутри кожуха таблетки (брикеты) с топливом |l1. Недостатком такого решения является необходимость выполнения: зазора между кожухом и топливными брикетами что значительно ухудриает теплопередачу от столба топливных брикетов, и, следовательно, ухудшает надежность работы такого элемента. Известна также конструкция тепловыделяющего элемента энергетического ядерного реактора, содержащего удлиненный трубчатый кожух и цилиндрические твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образующие столб топ ливных брикетов, соприкасающийся с опорными элементами внутри кожуха. Известный тепловыделяющий элемент предназначен для реакторов с воспроизводством топлива и крнструктивнбе выполнение опорных элементов внутри кожуха определяется фракцией поддержания необходимых физических условий внутри тепловыделяющего элемента и в активной зоне в целом, и связано с необходимостью создания зоны воспроизводства 2 J. Недостаток такой конструкции заключается в снижении безопасности за счет возможного механического взаимодействия между столбом топливных брикетов и кожухом во время эксплуатации. Между кожухом и множеством цилиндрических тел- имеется радиальный зазор около 0,3 мм, который оказывается совершенно неприемлемым с учетом теплопередачи от топлива к кожуху. Кроме того, зазор около 0,3 мм неизбежно вызывает повышение температуры в кергшическом топливе до слшиком больших значений и результирующий нагрев приводит к плавлению ндерного горючего с вытекающим отсю|да серьезным риском радиоактивного заражения. Встречаются повреждения ТВЭЛ, которые имеют вид небольших TpeitoH в . защитном кожухе, вызываемых сильнш механическим взаимодействием между топливными брикетами и кожухом. Необходимо также принимать во внимание другой тип повреждений, проявляющийся как местное разделение (по оси) внутр еннего длинного столба (стопки) топливных брикетов, в результате чег этот столб разделяется на две части., причем щель маждУ этими частями може достигать нескольких сантиметров. Цель изобретения - повшаение надежности за счет уменьшения механиче кого взаимодействия мееду столбом то ливных брикетов и кожухсн4 во время э сплуатации. Поставленная цель достигается тем что в тепловьаделякхцём элементе энергетического ядерного реактора, содержащем удлиненный трубчатый кожух, рас положённые соосно в кожухе цилиндрические твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образ оцие столб топливных брикетрв, соприкасающийся с опорными элементами внутри , трубчатый кожух.имеет, по меи&шей мере, три равномерно распределенных опорных элемента, выполненных в виде профилированных продольных ребер высотой не более 0,05 мм, расположенных вдоль внутренней цилиндрической поверхности кожуха, при этом ребра в поперечнсн « сечении выполнены в виде кругового сегмента, образованного внутренней окружностью защитного кожуха и хордой, либо в виде трапеции или в виде треугольника с закругленным выступом. ; На фиг. 1 показана конструкция ТВЭЛ для водяного ядерного реактора, продольный разрез; на фиг, 2 - то же поперечное сечение (увеличенный Ма-сштаб), нафиг. 3, 4 и 5 - детали различных воплсвцений трубчатого защи-Г ного кожуха для ТВЭЛ; на фиг. 6 и 7 в увеличенном масштабе условия, действующие вокруг участка сопряжения двух топливных брикетов в конструкции ТВЭЛ.. Трубчатый защитньШ кожух 1 изготавливают из сплава циркония (в большинстве случаев из циркалоя), из того же спла&а изготавливают обе концевых пробки 2 и 3. Концевые пробки снабжены продольно выступапци штырями 4 и 5 соответственно. Эти штьфи 4 и 5 служат для удержания ТВЗЛ внутри реактора в фиксированном положении. Столб брикетов б устанавливают внутри кожуха 1 с некоторым кольцевш« (радиальным) зазором, величина которо го лежит в пределах 0,07-0,15 км с ти пичной величиной допуска 0,05 мм (размеры, относ51щиеся к кольцевому зазору между кожухом и топливными бри кетами, приведены для холодного состояния ТВЭЛ и без учета величины опорных выступов на внутренней поверхности кожуха). Столь мгшые и точно выдерживаемые ра.змеры зазора требуются для того, чтобы .свести к минимуму падение «емпературы во время работы ТВЭЛ и вместе с тем избежать значи. тельного механическогЬ взаимодействия .между кожухом и брикетами, которое в ТВЭЛ обычной конструкции является потенциальным источником ухудшения технических характеристик. В процессе работы ТВЭЛ зазор уменьшается в той или иной степени, в зависимости от фактической теплоотдачи и степени выгорания ядерного топлива.. На поверхности кожуха нередко возникают кольцевые бугорки, расположенные в точкгис соединения соседних брикетов, появление этих бугорков связано с механическим взаимодействием между кожухом и брикетг1ми и искажением формы последних (они принимают форму песдчных часов):. Чтобы улучамть передачу тепла в кольцевом зазоре, во внутренний объем ТВЭЛ вводят газообразный гелий. В ТВЭЛ, предназначенных для реакторов с водой под давлением, используют гелий повышенного давления с тем, чтобы предотвратить пластическую деформацию защитного кожуха в процессе эксплуатации ТВЭЛ. Как видно из фиг. 1, внутри ТВЭЛ оставлен свободный объем 7, в котором за счет выделения газообразных продуктов распада и а счет избыточного количества, вводимого внутрь ТВЭЛ, гелия создается повышенное давление. В этом свободном пространстве располагается спиральная пружина 8, воздействующая на столб топливных брикетов. OcHOBHbovi назначением спиральной пружины 8 является удержание топливных брикетов на месте во время транспортировки и переноски ТВЭЛ, но следует отметить, что эта пружина не в состоянии предотвратить взаимное смещение брикетов по продольной оси ТВЭЛ в Процессе его эксплуатации. Выступгиощим частям опорных элементов, расположенных на внутренней поверхности трубчатого защитного кожуха (предпочтительнр изготавливать их заодно с кожухом% удобно придать форму идущих .в осевом направлении взаимно параллельных ребер 9, к.ак это показано для- конструкции (фиг. 2), Опорные элементы, выполненные в виде таких осевых (продольных) ребер, проходят вдоль ТВЭЛ по всей длине защитного кожуха, по крайней мере, по той части центрального отверстия кожуха, которая занята столбом топливных брикетов. Сфера применения предлагаемого изобретения охватывает также другие формы опорных элементов, например опорные элементы, ймекшие форму большого числа выступающих внутрь ТВЭЛ наростов, соответствующим образом расположенных один относительно другого., Фактическая форма внутренней поверхности защитного кожухав каждом отдельном случае может быть приспособлена для нескольких возможных конструкций ТВЭЛ, находящихся в данное время в производстве.

Высота опорных элементов(считая по радиусу ТВЭЛ) должна быть не более нормального кольцевого зазора (в холодном состоянии), например не больше 0,1 мм, а предпочтительно не больше 0,05 мм, с тем, чтобы получить допустимое падение температуры в кольцевом зазоре, остающемся при работе ТВЭЛ на полнуй мощность. Практически нижний предел высоты опорных элементом равен примерно 0,005 мм. Наличие опорных элементов позволяет суЦественно уменьшить величину обычного кольцевого зазора в холодном состонии ТВЭЛ, например вдвое и даже меньше. Таким образом, за счет введейия опорных элементов может быть достигнуто некоторое улучшение передачи тепла внутри ТВЭЛ. Далее, с точки зрения передачи тепла и распределения механических усилий между частями ТВЭЛ имеет значение форма опорных элементов. Форма каждого продольного опорного элемента в поперечном сечении может быть различной, как это видно из фиг. 2-5. Так на фиг. 2 покзаны продольные опорные элементы 9, имеющие в поперечном сечении трапецеидальную форму. На фиг. 5 более детально, в увеличенном масштабе, показаны опорные элементы фиг. 2, где каждый опорный элемент 9 закруглен возле своего основания и плоско стесан на верхушке (ближе к середине поперечного сечения ТВЭЛ).

На фиг. 4 показана в увеличенном масштабе деталь трубчатого защитного кожуха 1. |В предлагаемой конструкции продольные опорные элементы 9 имеют в поперечном сечении форму, соответствующую круговому сегменту, образованному круговой внутренней поверх,ностью трубчатого 1 и хордой С, проведенной внутри окружности, соответствующей сверлению трубчатого кожуха. Эта конструкция представляет особый интерес вследствие того, что она позволяет реализовать малые допуски на высоту ребер 9 (по радиусу ТВЭЛ), поскольку последняя находится в определенном геометрическом отношении с шириной ребра по окружности а эта ширина значительно больше высоты ребра, и поэтому при изготовлении трубчатого кожуха её можно вьщержать с большой точностью. Это значит, что форма поперечного сечения ребер 9, показанная на фиг. 4, особенно полезна при малых (мен-ьше 0,02 мм) эначёниях высоты ребер.

На фиг. 5 показана конструкция, в которой опорные элементы 9, расположенные на одном и том же трубчатом кожухе, имеют разные форг прперечного сечения. Каждый третий опорный элемент 9 имеет относительно малую ширину и большую высоту, так как он слабо сопротивляется деформации, и потому. обеспечивает наилучшее крепле

ние топливного брикета по п1; одольной оси. Промежуточные опорные элементы 9 имеют относительно большую ширину и малую высоту, так зто они лучше сопротивляются деформации и обеспечивают повышенную пе)едачу тепла от брикетов ядерного топлива к защитному кожуху.

Как видно из чер ежей| представляющих поперечные сечения, опорные элементы имеют врэле оснований выступы, соответствующие примерно половине толщины стенки кожуха, но здесь до-. рустимы и другие размеры. Контакт рпорных ребер с соседними топливными брикетами осуществляется по линиям различной длины в зависимости от формы ребра и от степени его деформации во время работы ТВЭЛ. -.

Число опорных элементов, ймекхцихся на внутренней поверхности защитного кожуха, варьируют в довольно широких пределах. Однако для продольных ребер, показанных на фиг. 2-6, практически нижний предел их числа равен трем, поскольку это минимальное число ребер, обеспечивающее хорошее центрирование топливных брикетов внутри защитного кожуха. Для этого минимального числа подразумевается равномерное распределение ребер по окружности внутренней поверхности защитного кожуха. В зависимости от метода получения ребер, их высоты, поперечного сечения число ребер может быть различным.

Между брикетами б возможно образование неравномерности 10 в пространстве 11 в области выемок 12 в брикетах..

Для оптимизации передачи тепла между, ядерным топливом и защитным ко жухом.желательно не только работать , с наименьшим возможным кольцевым зазором, но также обеспечить некоторую площадь контакта между опорными ребрами и топливными брикетами. В этой связи было установлено, что ширина (по окружности J контактной поверхности между каждым ребром и брикетом .. должна быть, как минимум, околоО,1мм Необходимо отметить, что это только желательное минимальное требование к величинеконтактной поверхности между ребром и брикетом, а в процессе эксплуатации ТВЭЛ эта цнфра может быть значительно больше.

Опорные элементы влияют в процессе работы ТВЭЛ на механические взаимодействия между топливными брикетами и заадитньам кожухсил таким образом, что повреждения ТВЭЛ предотвращаются в нескольких направлениях. Особенно важн1ши достоинствами облгщают опорные элементы (ребра, ориентированные параллельно продольной оси ТВЭЛ, так что наиболее предпочтительны конструкции ТВЭЛ с такими опорными элементгши. В дальнейшем подрааумева ются конструкции этого типа. Таким образом, следует рассмотреть влияние onopHEdx элементов на ра бочие характеристики ТВЭЛ, связанные с появлением механического контакта между топливными брикетами и защитным кожухом & процессе возрастания тепловой мощности, ввделяемой ТВЭЛ. При таком колыдевом зазоре механичес кий контакт теперь .возникает при меньшем уровне мощности, чем это тле ет место для ТВЭЛ с защитным кожухом не имеющим внутренних опорных элемен тов {прокладок;. Чем больше высота опорных элементов, тем ниже тепловая мощность, при которой возникает контакт . В данном случае высота опорных элементов подбирается «таким образом, чтобы механический контакт (с учетом некотсфой пластической деформации опорных элементов возникал при номинальной рабочей мощности. В этой свя зи, необходимо подчеркнуть, что обычные ТВЭЛ для водяных .реакторов конструируются таким образом, чтобы меж ду топливньюли брикетами и к зжухом имело место минимальное механическое действие. Как видно из фиг. 6, опорный элемент 9 подвергается в поперечном сечении некоторой ограниченной по вели чийе пластической деформации сжатия ввиду того, что действующее на опорный элемент давление первоначально . превьоиает свойственное его материалу сопротивление сжатию. По мере того, как опорный элемент все более сдавли вается в своем поперечном сечении, его сопротивление сжатия быстро возрастает, так что дальнейшее сдавлива ние затрудняется. Из фиг. 7,иллюстри вид продольного сечения трубчатого защитного кожуха 1 в местах соприкосновения соседних брикетов, видно, как под воздействием каждого топливйого брикета деформируется про дольный опорный элемент 9, вследствие этого образуется неравномерность 10 в пространстве 11 между бри кетами 64 Топливные брикеты изготавливают с выемками 12 на торцах, как это показано на фиг. 7, чтобы получить такую форму торцов или неравномерностей 10, чтобы предотвращалось относительное смещение брикета и защитного кожуха по продольной оси. Сдавливание опорного элемента 9 в пр дольном направлении получает определенное отражение в форме брикетов 6, внешне входной с очертанием песочных часов. Таким образом, опорные элементы препятствуют местному прямо му контакту между внутренней поверхностью защитного кожуха и острыми краякш брикетов на их торцах. Теперь рассмотрим влияние опорных элементов в такой ситуации, когда ме ханическое взаимодействие, возникающее при.появлении трещины в прочном керамическом тойливном брикете при внезапном увеличении выделяемой мощности, приводит к разрушению защитного кожуха. Во время работы реактора топливные брикеты 6 внутриТВЭЛ подвергаются некоторому растрескиванию, вследствие влияния температурных перепадов внутри брикета. Типичной может быть картина образования радиальных трещин повсему поперечному сечению брикета 6, представленная на фиг. 2 В продольном сечений того же брикета наблюдаются поперечные трещины, но в меньшем числе. Во время работы реактора все эти трещины остгиотся несколько расширенными по направлению к наружной части поперечного сечения ТВЭЛ. При возрастании выделяемой мощности эти существующие в брикете трещины еще более расширяются и могут образовываться новые трещины. При таких условиях и при отсутствии опорных элементов возникают нарушения структуры материала защитного кожуха на тех подверженных напряжениям участках, которые находятся напротив открывшихся в брикете трещин в зоне его механического контакта с кожухом. Присутствие, опорных элементов радикальным образом меняет механизм образования повреждений в защитном кожухе, связанный с радиальными трещинами, которые влияют на поверхность Зсццитного кожуха. Следует отметить, что главная часть трещин в брикете образуется на участках между широко расставленными опорными элементами 9, где нет контакта между брикетом и кожухом или этот контакт незначителен (см. фиг. 2j. Поэтому расширение трещин не приводит к возникновению местных перенапряжений и деформированию лежащих напротив этих трещин участков защитного кожуха, а за счет сил трения, действующих на отдельные опорные элементы 9, растягивается все сечение защитного кожуха, лежащее между этими опорными элементами. Абсолютное растяжение этого вида поглощается материалом кожуха тем лучше, чем больше расстояние, на котором действует растяжение , по отношению к ширине трещины, т.е. чем дальше разделены друг от друга опорные элементы 9. Далее, трещины в материале брикета, расположенные между опорными элементами, много легче подвергаются дальнейшему раопирению, чем одиночные трещины, KOTOF«:ie расположены в зоне контакта с опорными элементами. Для расширения последних необходимо не только преодолеть сопротивление деформации у материала кожуха, но также сопротивление за счет внутреннего трения в материале брикета. Обращаясь теперь к рассмотрению картины поперечных трещин в керамических топливных брикетах, можно отметить, ч-цо эти трещины при отсутствии опорных элементов обычно не вызывают повреждений в материале защитного кожуха при возрастании 91аделяемой мощности. Причиной этого, по всей вероятности, является тот факт, что расширению трещин в брикете прот востоит одновременно действующее изменен|1е формы брикета, приводящее к тому, что он приобретает форму песочных часов. Поэтому в данном случае наблюдает ся сильное противодействие разрушающим усилиям, которые обычно передают ся на ограниченные участки защитнохчэ кожуха, в результате подобных местны относительных перемещений, сопровождакхдих механическое взаимодействие между брикетом и кожухом, а потому при использовании конструкции с опор ными элементами повреждение кожуха будет мало или вообще отсутствует. Это означает, что подобному проти водействию подвергаются и другие явления сходной природы, связанные с механическими взаимодействиями этого типа, например явления усталости и коррозии из-за перенапряжений. В отношении других видов повреждений, вызываемых относительными периодическими перемещениями брикета и защитного кожуха по продольной оси во время работы реактора,, а именно образования продольных трещин в брикетах и ненормального увеличения дли ны столба брикетов за счет разбухания , полезная функция опорных эле ментов проявляется самым простым образом. При первом нарастании выделяе мой мощности до такого уровня, при котором достигается механический кон такт между брикетами и опорными элементами, последние до некоторой степени сдавливаются по высоте, а особе но в точках вдоль самих брикетов (эт уже отмечалось выше. В то же время промежуточные участки опорных элементов в точках соприкосновения между брикетами остаются почти в неприкосновенности или даже несколько увеличиваютсяпо высоте. Таким образом, меяиу торцовыми поверхностями брикетов на опорных элементах образу ются участки резких неоднородностей (фиг. 7) или же выступающие небольши плоскости. Поэтому каждый отдельный брикет остается фиксированным в сюевом направлении и его смещение относительно, защитного кожуха исключаетс Таким образом, топливные брикеты не способствуют проявлению, дефектов в виде осевых трещин того типа, который ранее был ртнесен за счет самоуплотнения или самопроизвольного роста материала брикета. Одновременно с этим исключается и разбухание материала брикетов. При брикетах, фиксированных по продольной оси описанным выше способом, увеличение выеляемой мощности приводит к тому, что от каждого отдельного брикета происходит растяжение згшдатного кожуха в осевом направлении мехсдУ упоминавшимися ранее неболы ими плоскими площадками на опорных элемёнтгш, и растязкение равномерно распределяется по всей длиЕ|е защитного кожуха. Все изложенное вьаае способствует безопасности работы тепловьщелякцего элемента. Формула изобретения 1.тепловыделяющий элемент эиергетического ядерного реактора, содержащий удлиненный трубчатый кожух, расположенные соосно в коз1сухе цилиндрические твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образующие столб топливных брикетов, соприкаса-г ющийся с опорньвли элементами внутри кожуха, отличающийся тем, что с целью повышения надежности за счет уменьшения механического взаимодействия между столбом топливных брикетов и кожухом во время эксплуатации, трубчатый кожух имеет, по меньшей мере, три равномерно распределенНых опорных элемента, выполненных в виде профилированных продольных ребер высотой не более 0,05 мм, расположенных вдоль внутренней цилиндрической поверхности кожуха. 2.Элемент по п. 1, отличающийся тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде кругового сегмента, образованного внутренней окружностью защитного кожуха и хордой. 3.Элемент по п. 1, отличающийся тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде трапеции. . 4.Элемент по п. 1,отлича-1 ющийся тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде треугольника с закругленным выступом. Источники информации, принятые во внимание при экспертиэе 1.Крамеров А.Я. Вопросы конструирования ядерных реакторов. М., Атомиздат, 1971, с. 137, рис. 7,1. 2.Патент Англии 1233689, кл. G б С опублик. 1970.

Ut.f