Твэл дисперсионного типа

Полезная модель относится к области атомной энергии, в частности к композиционным материалам для топливных сердечников твэлов дисперсионного типа, применяемых в ядерных реакторах с водяным теплоносителем.
В ядерных энергетических реакторах применяются твэлы дисперсионного типа, отличающиеся тем, что их сердечник состоит из частиц ядерного топлива, равномерно распределенных в инертной матрице. Такая структура сердечника твэла локализует в частицах ядерного топлива и прилегающих к ним тонких слоях матрицы осколки деления, поэтому в твэлах отсутствует свободный объем для сбора газообразных осколков деления (Самойлов А.Г., Каштанов А.И., Волков B.C. "Дисперсионные тепловыделяющие элементы ядерных реакторов", том 1. Москва, Энергоиздат, 1982 г.).
У твэлов дисперсионного типа при хорошей теплопроводности матрицы, обеспечивающей надежный тепловой контакт между ядерным топливом и оболочкой, существенно снижен температурный уровень сердечника твэла, например перепад температур в сердечнике с матрицей из алюминиевого сплава в твэле реактора ВВЭР-1000 может быть снижен примерно в 15 раз (с 1500°С до 100°С). Это позволяет успешно эксплуатировать твэлы в маневренных режимах, сделать их менее безопасными в аварийных ситуациях, а в случае разгерметизации твэла снизить степень загрязнения теплоносителя, поскольку он будет контактировать с ядерным топливом только в месте дефекта. Кроме того, при низких температурах ядерное топливо меньше подвергается объемным изменениям от накапливаемых осколков деления и появляется возможность применения других видов ядерного топлива, например силицидов урана, сплавов урана с молибденом.
Однако меньшая концентрация ядерного горючего в сердечнике твэла дисперсионного типа требует увеличения массовой доли делимого нуклида, что соответственно уменьшает коэффициент конверсии нового ядерного топлива. Энерговыработка твэлов дисперсионного типа ограничена допустимым увеличением диаметра твэла или допустимой деформацией материала оболочки.
Известен твэл [Патент RU №2267175], имеющий внутри оболочки твэла топливный сердечник из дисперсионной композиции урансодержащих частиц и сплава алюминия, в которой объемное содержание урансодержащих частиц составляет до 45%, размер урансодержащих частиц составляет от 63 до 315 мкм. Оболочка и сердечник имеют диффузионное сцепление между собой, полученное при изготовлении твэла методом совместного выдавливания через формирующую матрицу составной цилиндрической заготовки, состоящей из топливного сердечника, заглушек и оболочки.
Однако недостаточная ураноемкость топливного сердечника из-за малой объемной доли топлива снижает экономическую эффективность твэла, а легкоплавкая алюминиевая матрица уменьшает стойкость твэла при локальных перегревах и аварийных ситуациях.
Известен способ (патент РФ №2086015, G21C 21/02, опубл. 27.07.1997) введения соединения урана в матрицу при изготовлении твэла дисперсионного типа. В оболочку помещают дисперсионную композицию, содержащую взятые в соответствующих долях крупку материала матрицы и частицы делящегося материала. Такую сборку пропускают через нагреватель, где по мере прохождения сборки происходит локальное зонное плавление матричного материала и распределение делящегося материала в зоне расплава (в матрице). По мере выхода сборки из зоны нагревателя происходит направленная кристаллизация матричного материала, обеспечивающая матрицу без пор и надежное сцепление дисперсионной композиции с внутренней поверхностью оболочки твэла. Для надежного обеспечения подпитки зоны расплава материалами делящегося вещества и матрицы и равномерного распределения крупки делящегося вещества в матрице сборку подвергают вертикальным вибрациям. Процесс ведется в вакууме. Герметизация второго конца твэла осуществляется методами сварки после соответствующей механической и химической подготовки.
Недостатком способа является то, что полученная матрица практически не содержит пор, что вызывает трудность при компенсации распухания топлива. Кроме того, недостатком является сложность изготовления твэла.
9
Известен также (патент РФ №2125305, опубл. 20.01.1999, МПК G21C 3/20) способ введения соединения урана в матрицу при изготовлении тепловыделяющего элемента ядерного реактора, в котором смесь частиц, содержащих делящийся изотоп в требуемом количестве, и частиц теплопроводящей матрицы прессуют в пористые блоки с объемом пор от 5 до 30%, помещают эти блоки в металлическую оболочку и герметизируют ее. Для изготовления сердечника могут быть использованы частицы сплава урана с 9% молибдена в количестве от 20 до 55% по объему, при этом матрица может быть изготовлена из порошка алюминия или циркония в количестве от 35 до 60% по объему.
Недостатком этого способа является сложность изготовления матрицы с заданной величиной свободного объема и его равномерным распределением в матрице для компенсации распухания топлива, а также небольшая объемная доля топлива, что снижает ураноемкость топливного сердечника и ухудшает экономические характеристики реактора.
9
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по решаемой технической проблеме является твэл (патент RU №2112287 МПК G21C 3/58 3/64 21/02, опубл. 1998), в оболочке которого размещен топливный сердечник, состоящий из частиц делящейся фазы и пропиточного сплава на основе циркония, при этом частицы делящейся фазы соединены между собой и с оболочкой менисковыми мостиками пропиточного сплава на основе циркония, а поры составляют 15-45% от внутреннего объема оболочки твэла.
К недостаткам этого известного технического решения можно отнести довольно высокую объемную долю ядерного топлива на основе урана (около 60%). Для ядерного топлива на основе плутония или смеси урана и плутония объемная доля этого топлива не должна превышать 11% по плутонию или не более 19% по «энергетическому» диоксиду плутония (выделенному из отработавшего топлива), иначе очень высокое выделение энергии от твэла с топливом на основе плутония невозможно будет снять с поверхности оболочки твэла водяным теплоносителем, что приведет к перегреву и пережогу твэла.
Применение заявляемой полезной модели твэла дисперсионного типа может быть использовано в качестве оптимального вовлечения высвобождаемого «энергетического» плутония для реализации замкнутого по плутонию топливного цикла.
Технической проблемой является обеспечение работоспособности и надежности твэла при работе в режимах переменной мощности с использованием топливных частиц в виде соединений плутония или смеси соединений плутония и урана, получение металлургического сцепления топлива с оболочкой твэла, а также получение равномерно распределенной пористости от 15 до 45%, служащей для компенсации распухания топливного сердечника при работе в реакторе.
Техническим результатом является обеспечение возможности работы твэла дисперсионного типа в режимах переменной мощности.
Технический результат в конструкции твэла дисперсионного типа достигается тем, что оболочка с концевыми заглушками содержит топливный сердечник, состоящий из топливных частиц в виде гранул, распределенных в пропиточном сплаве на основе циркония, при этом топливные частицы соединены между собой и с оболочкой менисковыми мостиками пропиточного сплава на основе циркония, а поры составляют от 15 до 45% от внутреннего объема оболочки, при этом объемная доля топливных частиц составляет от 11 до 19%, а внутри оболочки размещены гранулы сплава циркония размером от 1/5 до 1/10 от внутреннего диаметра оболочки, образующие каркас внутри оболочки, причем в межкаркасном пространстве расположены топливные частицы, представляющие собой гранулы соединений плутония или смесь гранул соединений плутония и соединений урана размером от 0,05 до 0,1 мм, а гранулы сплава циркония соединены между собой и с оболочкой твэла пропиточным сплавом на основе циркония.
Гранулы сплава циркония засыпаются в оболочку с приваренной нижней заглушкой и подвергаются виброуплотнению. При этом внутри оболочки образуется каркас из крупных гранул сплава циркония (с размером гранул от 1/5 до 1/10 от внутреннего диаметра оболочки) с равномерно распределенной по длине твэла межгранульной пористостью. В образовавшуюся в каркасе межгранульную пористость засыпается с вибрацией смесь мелких гранул (по отношению к крупным гранулам каркаса) топливных частиц размером от 0,05 до 0,1 мм и гранул пропиточного сплава размером от 0,063 до 0,2 мм (метод инфильтрации).
Снаряженная гранулами оболочка с приваренной нижней заглушкой подвергается нагреву в вакууме выше температуры плавления пропиточного сплава на 40-80°С. При этом происходит смачивание стенок оболочки, гранул каркаса и гранул топливных частиц с перемещением расплава в места касаний этих гранул и стенок оболочки и «обволакивание» этих гранул слоем пропиточного сплава с образованием «менисковых» мостиков между ними. В местах первоначального расположения гранул пропиточного сплава остаются поры.
Металлургический контакт гранул топливных частиц и гранул сплава циркония, образующих каркас, между собой и со стенкой оболочки достигается за счет капиллярных свойств эвтектического пропиточного сплава на основе циркония. Эти сплавы представляют собой легкоплавкие эвтектики с температурой плавления 820-920°С. Основой сплава является цирконий, а компонентами сплава являются железо, бериллий и медь.
Результатом является возможность работы твэла дисперсионного типа по заявляемой полезной модели в режимах переменной мощности, так как изменение во времени мощности реактора напрямую связано с термомеханическими напряжениями в оболочке и сердечнике, которые, в свою очередь, связаны с различием их температурных уровней и коэффициентов термического расширения. В заявляемой полезной модели в трех компонентах твэла из четырех (оболочка из циркониевого сплава, каркас из гранул сплава циркония, пропиточный сплав на основе циркония) в качестве основного элемента содержится цирконий. Поэтому такой твэл дисперсионного типа имеет теплопроводность порядка 15-25 Вт/м⋅град, в отличие от низкой теплопроводности топлива порядка 4 Вт/м⋅град для твэлов контейнерного типа реактора ВВЭР-1000.
На фиг. 1 схематично представлен предлагаемый твэл, где 1 - оболочка, 2 - нижняя заглушка, 3 - верхняя заглушка, 4 - топливный сердечник.
На фиг. 2 представлено изображение части поперечного шлифа предлагаемого твэла, где 5 - оболочка, 6 - пропиточный сплав, 7 - гранулы сплава циркония, 8 - гранулы топлива, 9 - поры.
Хорошо видно наличие металлургического соединения пропиточного сплава с гранулами топлива и с крупными гранулами сплава циркония, а также пропиточного сплава с оболочкой твэла.
На фиг. 3 представлено изображение поперечного шлифа предлагаемого твэла, где 5 - оболочка, 6 - пропиточный сплав, 7 - гранулы сплава циркония, 8 - гранулы топлива, 9 - поры.
На фиг. 4 представлена гистограмма распределения линейной плотности плутония по длине твэла (см. пример 1), изготовленного методом виброуплотнения с последующим нагреванием и расплавлением пропиточного сплава (капиллярной пропиткой). Отношение максимальной линейной плотности плутония к средней линейной плотности плутония составляет 1,029, то есть не превышает 3%, что лучше допустимого отклонения для твэлов типа ВВЭР. Это происходит за счет того, что гранулы топлива расположены в равномерно распределенной пористости межгранульного пространства каркаса из крупных гранул сплава циркония.
Как видно из представленных данных, в топливном сердечнике сохраняется равномерно распределенная пористость от 15 до 45%, служащая для компенсации распухания топливного сердечника при работе в реакторе.
На фиг. 5 представлено сечение предлагаемого твэла после операции виброснаряжения, где 5 - оболочка, 6 - пропиточный сплав, 7 - гранулы сплава циркония, 8 - гранулы топлива, 9 - поры.
На фиг. 6 представлено сечение предлагаемого твэла после операции нагревания и расплавления пропиточного сплава, где 5 - оболочка, 6 - пропиточный сплав, 7 - гранулы сплава циркония, 8 - гранулы топлива, 9 - поры.
Примеры осуществления.
Пример 1.
В оболочке из циркониевого сплава Э110 диаметром 9,15×7,72 мм длиной 245 мм находятся гранулы циркониевого сплава Э110 (каркас), гранулы диоксида плутония, пропиточный сплав состава Zr-6,3 Fe-2,7 Be-2,0 Cu и поры. Объемная доля гранул циркониевого сплава Э110 (каркас) с размером от 1,0 до 1,2 мм составляет 44%, объемная доля гранул диоксида плутония с размером от 0,05 до 0,063 мм составляет 19%, объемная доля гранул пропиточного сплава с размером от 0,14 до 0,2 мм составляет 16%, объемная доля пор составляет 21%.
239
241
239
241
3
При этом в «энергетическом» диоксиде плутония (выделенном из отработавшего топлива) содержится 88% плутония, а количество делящихся изотопов Pu и Pu в плутонии в среднем составляет 65%, то есть объемная доля делящихся изотопов Pu и Pu в сердечнике твэла составляет 11%. Поры в топливном сердечнике позволяют полностью компенсировать распухание до выгорания 0,7 г-оск/см, а такое количество делящихся изотопов плутония в заявляемом твэле в пересчете на штатный твэл ВВЭР-1000 обеспечит выгорание 60-100 МВт⋅сут/кг урана.
После засыпки и виброуплотнения компонентов сердечника в оболочку твэла производят нагревание с расплавлением пропиточного сплава в вакууме при 860°С в течение 3 минут.
Возможна реализация заявляемой полезной модели с известными оболочками из циркониевых сплавов цилиндрической и сложной формы с описанными диаметрами от 5,8 до 13,6 мм, длиной до 3600 мм. В последнем случае при операции нагревания и расплавления пропиточного сплава применяется зонный нагрев снаряженного твэла в вакууме, в том числе и в горизонтальном положении. Из-за имеющихся капиллярных свойств пропиточных сплавов в заявляемой полезной модели при нагревании и расплавлении не происходит «стекания» расплава пропиточного сплава, а происходит «обволакивание» гранул каркаса, топливных гранул и стенок оболочки за счет высокого поверхностного натяжения пропиточного сплава.
Пример 2.
В оболочке из циркониевого сплава Э110 диаметром 6,8×5,8 мм длиной 245 мм находятся гранулы циркониевого сплава Э110 (каркас), смесь гранул диоксида плутония и гранул диоксида урана, пропиточный сплав состава Zr-8,8 Fe-9,2 Cu и поры.
Объемная доля гранул циркониевого сплава Э110 (каркас) с размером от 0,63 до 1,0 мм составляет 49%, объемная доля гранул диоксида плутония с размером от 0,05 до 0,063 мм составляет 8%, объемная доля гранул диоксида урана с размером от 0,05 до 0,063 мм составляет 5%, объемная доля гранул пропиточного сплава с размером от 0,10 до 0,16 мм составляет 12%, объемная доля пор составляет 26%.
В оболочку с приваренной нижней заглушкой засыпают крупные гранулы сплава Э110, которые образуют каркас (гранулы касаются друг друга и стенок оболочки). Далее в оболочку через полученный каркас засыпают смесь гранул топлива (диоксида плутония и диоксида урана) и гранул пропиточного сплава (метод инфильтрации) и производят виброуплотнение в течение 2 минут. После виброуплотнения компонентов сердечника производят нагревание с расплавлением пропиточного сплава в вакууме при 910°С в течение 3 минут.
По сравнению с прототипом заявляемая полезная модель твэла имеет такую же компенсационную межгранульную пористость от 15 до 45% от внутреннего объема оболочки твэла для компенсации распухания топливных частиц.
Так как получить в оболочке пористость при виброснаряжении менее 15% технологически затруднительно (для этого требуется подбор трех-четырех групп частиц с определенными фракционными составами и объемными соотношениями), то в заявляемой полезной модели твэла не реализуется пористость менее 15%.
Реализовать пористость в топливном сердечнике более 45% нецелесообразно, так как при этом размер гранул из сплава циркония, образующих каркас, может достигать до 1/3 от внутреннего диаметра оболочки, при этом количество пор уменьшается, а сами поры получаются слишком большими, что может привести к неравномерности распределения ядерного топлива как по длине, так и по радиусу твэла, кроме того, пористости от 15 до 45% вполне достаточно для достижения выгораний, превышающих выгорание штатного твэла реактора типа ВВЭР-1000.
Заявляемая полезная модель твэла имеет объемную долю ядерного топлива от 11 до 19%, которое гораздо меньше, чем у прототипа (57-60%). Это связано с тем, что используемое в заявляемой полезной модели ядерное топливо в виде соединений плутония или в виде смеси соединений плутония и соединений урана значительно более энергоемкое. Поэтому объемная доля ядерного топлива более 19% в заявляемой полезной модели твэла может привести к перегреву и выходу из строя твэла из-за очень высокого выделения энергии от топлива на основе плутония. Объемная доля ядерного топлива менее 11% нецелесообразна, так как при этом можно не достигнуть выгораний, полученных у штатных твэлов реактора ВВЭР-1000.
Таким образом, заявляемый твэл дисперсионного типа обеспечит работоспособность и надежность при его эксплуатации в режимах переменной мощности с сохранением совместимости материалов топливного сердечника и оболочки и возможностью компенсации распухания топлива.