Тепловыделяющий элемент

Тепловыделя́ющий элеме́нт (ТВЭЛ) — главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В ТВЭЛах происходит деление тяжёлых ядер 235U или 239Pu, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. ТВЭЛ должен обеспечить отвод тепла от топлива к теплоносителю и препятствовать распространению радиоактивных продуктов из топлива в теплоноситель.

ТВЭЛ состоит из топливного сердечника, оболочки и установочных деталей. Несколько ТВЭЛов и крепёжно-установочные элементы объединяются в единую конструкцию, которая называется тепловыделяющая сборка (ТВС). Конструкция и материалы ТВЭЛа определяются конструкцией реактора: гидродинамикой и химическим составом теплоносителя, температурными режимами, требованиями к нейтронному потоку. В большинстве реакторов ТВЭЛ представляет собой герметичную трубку из стали или циркониевых сплавов внешним диаметром около сантиметра и длиной десятки — сотни сантиметров, заполненную таблетками ядерного топлива.

Устройство 

Внутри ТВЭЛов происходит выделение тепла за счёт ядерной реакции деления топлива и взаимодействия нейтронов с веществом материалов активной зоны и теплоносителя, которое передаётся теплоносителю. Конструктивно каждый твэл состоит из сердечника и герметичной оболочки.

Помимо делящегося вещества (233U, 235U, 239Pu), сердечник может содержать вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива (238U, 232Th).

Сердечник 
Сердечники бывают металлическими, металлокерамическими или керамическими. Для металлических сердечников используются чистые уран, торий или плутоний, а также их сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком. Материалом металлокерамических сердечников служат спрессованные смеси порошков урана и алюминия. Для керамических сердечников спекают или сплавляют оксиды или карбиды урана или тория (UO2, ThC2).

Высоким требованиям по механической прочности и устойчивости физических свойств и геометрических размеров в условиях интенсивного нейтронного и γ-излучения наиболее соответствуют керамические и металлокерамические сердечники, однако из-за наличия наполнителя для них требуется ядерное топливо повышенного обогащения (с содержанием 235U до 10 % и более). Для повышения стойкости сердечника, в него иногда добавляют материалы, интенсивно поглощающие нейтроны (например, молибден).

В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из диоксида урана (UO2), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения — отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки твэла к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка к плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.

Оболочка 

Хорошая герметизация оболочки твэлов необходима для исключения попадания продуктов деления топлива в теплоноситель, что может повлечь распространение радиоактивных элементов в активную зону и первый контур охлаждения реактора. Контроль герметичности оболочек на работающем реакторе производится по уровню этих элементов в первом контуре реактора. Также химическая реакция урана, плутония и их соединений с теплоносителем может повлечь деформацию твэла и другие нежелательные последствия.

Материал оболочки твэлов должен обладать следующими свойствами:
 высокая коррозионная, эрозионная и термическая стойкость;
 он не должен существенно изменять характер поглощения нейтронов в реакторе.

Оболочки твэлов в настоящее время изготавливают из сплавов алюминия, циркония, нержавеющей стали. Сплавы алюминия используются в реакторах с температурой активной зоны менее 250—270 °C, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400 °C, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой более 400 °C. Иногда используют и другие материалы, например, графит.

В случае использования керамических сердечников, между ними и оболочкой оставляют небольшой зазор, необходимый для учёта различных коэффициентов теплового расширения материалов, а для улучшения теплообмена оболочку твэла вместе с сердечниками заполняют газом, который хорошо проводит тепло, чаще всего для этих целей используют гелий. В процессе работы твэла исходный зазор (примерно 100 мкм по радиусу) уменьшается, вплоть до полного исчезновения.

Конструктивное исполнение 
Твэл реактора ВВЭР-1000 представляет собой трубку, заполненную таблетками из диоксида урана UO2 и герметично уплотненную. Трубка твэла изготовлена из рекристализованного циркония, легированного 1 % ниобия (сплав Zr1Nb). Плотность сплава 6,55 г/см³, температура плавления 1860 °C. Для сплава Zr1Nb температура 350 °C является своеобразной критической точкой, после которой прочностные свойства сплава ухудшаются, а пластические увеличиваются. Наиболее резко свойства изменяются при температурах 400—500 °C. При температуре выше 1000 °C цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200 °C эта реакция протекает быстро (минуты) (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (1860 °C) и образуется водород).

Наружный диаметр трубки твэла 9,1±0,05 мм, толщина 0,65±0,03 мм, внутренний диаметр — 7,72+0,08 мм.

В трубку с зазором 0,19—0,32 мм в диаметре помещены таблетки диоксида урана высотой 9-12 мм и диаметром 7,57−0,03 мм. В середине таблеток имеются отверстия диаметром 2,3 мм, а края скруглены фасками. В холодном состоянии общая длина столба таблеток в твэле составляет 3530 мм. Длина трубки твэла составляет 3800 мм, положение столба топливных таблеток зафиксировано разрезными втулками из нержавеющей стали и пружиной, не препятствующими тепловым перемещениям.

При герметизации твэла его внутренняя полость заполняется гелием под давлением 20—25 атм. Внутренний объём твэла (в холодном состоянии 181 см³) на 70 % заполнен таблетками топлива. Длина твэла 3837 мм, масса топлива 0.93-1.52 кг, на нижней концевой пробке имеется поперечное отверстие для крепления к нижней опорной решетке тепловыделяющей сборки.

Герметичность каждого твэла проверяется гелиевым течеискателем. Герметизирующие элементы твэла (трубка и концевые детали) образуют оболочку, а таблетки диоксида урана — топливный сердечник.

Цирконий удачно сочетает ядерные и физические характеристики с механическими свойствами, коррозионностоек в большинстве сред, применяемых в качестве теплоносителей ядерных реакторов и достаточно технологичен.

Таблетки диоксида урана имеют высокую температуру плавления (около 2800 °C), не взаимодействуют с водой и паром даже при высоких температурах, совместимы с материалом оболочки твэла.

Диоксид урана имеет низкую теплопроводность (в 40 раз меньше, чем у стали). Плотность диоксида урана 10,4—10,7 г/см³. При протекании цепной реакции в объёме топливных таблеток равномерно выделяется энергия до 0,45 кВт/см³ (450 кВт/л).

Это тепло отводится из объёма таблеток к поверхности трубок (оболочек), охлаждаемых водой, поэтому наибольшая температура устанавливается на оси симметрии таблеток.

При номинальной мощности реактора температура на оси твэла составляет около 1600 °C, а на поверхности таблеток — около 470 °C. Максимальная температура достигает соответственно 1940 и 900 °C. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °C, на оболочке — 23 °C. Температура наружной поверхности трубки твэла составляет около 350 °C. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м², а линейный тепловой поток — 17 кВт/м трубки.

При номинальной мощности давление гелия достигает 80—100 атм, а топливный сердечник твэла удлиняется от нагрева на 30 мм.

Содержание делящегося 235U в массе топливных таблеток составляет до 5 % в начале кампании и всего лишь 3 % урана может быть израсходовано от этой доли.

Для загрузки в реактор твэлы объединяются в так называемые тепловыделяющие сборки (ТВС), которые в случае твёрдого замедлителя размещают в специальных каналах, по которым протекает теплоноситель. В реакторах с жидким замедлителем сборки размещаются непосредственно в его объёме.

Характеристики 
Основной параметр твэла — глубина выгорания топлива. В современных ВВЭР глубина выгорания достигает 50-60 МВт·сут/кг за 4,5—5 лет (3 кампании по 1,5 года или 5 по году).

См. также 
 Отработавшее ядерное топливо
 Пьюрекс-процесс

Примечания

Ссылки 
 Обзор надежности топливных сборок энергетических реакторов, МАГАТЭ
 Топливная компания Росатома «ТВЭЛ»
 «Атомный путь» — видеофильм «mercatorstudio» про изготовление ТВЭЛ.

Устройство ядерного реактора
Ядерная химическая технология