Таблетка СНУП топлива

Полезная модель относится к области ядерной энергетики, в частности к изготовлению твэлов с таблетками смешанного нитридного уран-плутониевого (далее-СНУП) топлива для быстрых реакторов.
Твэлы со СНУП-топливом для быстрых реакторов разрабатываются в рамках реализации замыкания ядерного топливного цикла, включающего в себя основные стадии, такие как облучение топлива в реакторе, извлечение отработавшего топлива и отделение конструкционных элементов, радиохимическая переработка топлива, изготовление топливных таблеток, твэлов и ТВС, повторное облучение в реакторе.
Известна таблетка и способ получения нитридного ядерного топлива (RU 2 627 682, МПК G21C 3/62, опубл. 2017 г.). Данный способ относится к получению указанного ядерного топлива с применением стадий смешения исходных порошков, спекания порошков с получением плотной таблетки и последующей термической обработки.
Однако нитридное топливо представляет собой таблетку, содержащую нитрид америция, а технический результат направлен на снижение количества радиоактивных отходов, представляющих собой минорные актиниды.
В процессе эксплуатации твэлы быстрых реакторов работают в условиях термомеханического взаимодействия оболочки с таблетками, образующими топливный столб. Это взаимодействие является следствием различных коэффициентов термического расширения материала таблеток и оболочки, распухания топливного столба при выгорании ядерного топлива, наличие в оболочке крошки и сколов таблеток, заклинивания таблеток в оболочке твэла. Термомеханическое взаимодействие зависит от конструкции таблеток и оказывает значительное влияние на работоспособность твэлов. При этом работоспособность твэлов повышается при уменьшении термомеханического взаимодействия таблеток с оболочкой.
Послереакторные исследования твэлов с таблетками СНУП топлива цилиндрической формы показывают, что наблюдается удлинение оболочки твэлов и образование «бамбуковой» структуры на оболочке. Анализ результатов исследований профилометрии твэлов показывает, что образование неровностей на оболочке происходит с характерным шагом, равным высоте топливной таблетки. Термомеханический анализ формоизменения таблетки при работе в твэле показывает, что происходит заклинивание распухающего топливного столба в оболочке, при этом наступление фазы термомеханического взаимодействия топлива с оболочкой наступает раньше проектного выгорания за счет формоизменения топливной таблетки, что снижает выгорание топлива.
Технической проблемой является усовершенствование конструкции таблеток СНУП топлива для твэлов быстрых реакторов.
Техническим результатом является увеличение ресурса эксплуатации, работоспособности твэлов быстрых реакторов и повышение выгорания топлива путем улучшения качества таблеток СНУП топлива за счет увеличения прочности их торцов, а также уменьшение их термомеханического взаимодействия с оболочкой твэла и термического расширения топливного столба в аксиальном направлении.
1
Технический результат достигается за счет того, что таблетка СНУП топлива выполнена в форме цилиндра с наружными фасками и сферическими лунками, причем наружная фаска, соединяющая боковую цилиндрическую поверхность с торцевой площадкой, проходит под углом α к плоскости поверхности торцевой площадки равным 25-35°, отношение высоты фаски к диаметру таблетки составляет h/D=0,03±0,001, при этом лунки располагаются на торцевых площадках симметрично центральной оси таблетки, а отношение высоты лунки к диаметру таблетки составляет
2
1
h/D=0,06±0,002, отношение диаметра лунки к диаметру таблетки составляет D/D=0,7±0,02.р
Таблетка СНУП топлива содержит микролегированную добавку нитрида алюминия от 0,5 до 1,0 мас. %, распределенного равномерно по всему объему таблетки.
На фигуре представлен эскиз заявляемой таблетки ядерного топлива.
Таблетка СНУП топлива выполнена в форме цилиндра 1 с наружными фасками 2 и сферическими лунками 3, причем наружная фаска, соединяющая боковую цилиндрическую поверхность с торцевой площадкой, проходит под углом α к плоскости поверхности торцевой площадки равным 25-35°.
Наружные фаски обеспечивают повышение ресурса эксплуатации усовершенствованного СНУП топлива за счет уменьшения механического взаимодействия топлива и оболочки в зоне стыка таблеток и предотвращения технологических сколов их кромок, что приводит к снижению образования крошки внутри твэла при снаряжении и транспортировке твэлов. Данный результат достигается за счет снижения остаточных напряжений в областях наружных фасок, что способствует повышению прочности торцов таблеток и, соответственно, уменьшению повреждаемости таблеток в процессе их изготовления и снаряжения твэлов, оптимальный угол составляет 25-35°. При угле фаски меньше 25° и больше 35° уменьшается прочность торцов таблеток, вследствие чего увеличивается количество сколов при изготовлении таблеток и снаряжении твэлов и, соответственно, что приводит к увеличению механического взаимодействия таблеток с оболочкой твэла, что снижает ресурс эксплуатации и работоспособность твэлов быстрых реакторов.
Наличие лунок обеспечивает увеличение локального свободного объема в твэле, необходимого для компенсации распухания топлива при глубоком выгорании и снижения термического расширения топливного столба в аксиальном направлении. Проектный расчет для твэла быстрого реактора показывает, что при соотношении высоты лунки к диаметру таблетки составляет h2/D=0,06±0,002 и диаметра лунки к диаметру таблетки D1/D=0,7±0,02 выгорание повышается до 12,0% т.а.
Микролегирование СНУП топлива выполняется с целью увеличения его выгорания. В данном случае выгорание топлива увеличивается за счет увеличения пластичности топлива, обусловленного необходимостью снижения негативного воздействия топлива на оболочку твэла на стадии механического взаимодействия оболочки с топливной таблеткой, поскольку деформация оболочки может привести к ее разрушению.
Увеличение значения пластичности (высокотемпературной ползучести) СНУП топлива осуществляется путем добавления к нитридному порошку на стадии обработки в аппарате ABC нитрида алюминия, легированного оксидом иттрия, в количестве 0,5-1,0%. Согласно результатам экспериментов, добавка AlN в СНУП топливо в количестве 0,5-1,0% позволяет добиться требуемого эффекта.
Технология изготовления таблеток СНУП топлива представляет собой последовательность следующих стандартных операций:
- приготовление смеси исходных компонентов синтеза нитрида (оксиды урана и плутония, углерод);
- прессование шашек из смеси исходных компонентов;
- термообработка шашек;
- разрушение шашек, получение пресс-порошка;
- прессование таблеток;
- термообработка таблеток;
- контроль таблеток.
Таким образом, разработана конструкция таблетки СНУП топлива обеспечивающая увеличение ресурса эксплуатации, работоспособности твэлов быстрых реакторов и повышение выгорания топлива путем улучшения качества таблеток СНУП топлива за счет увеличения прочности их торцов, а также уменьшение их термомеханического взаимодействия с оболочкой твэла и термического расширения топливного столба в аксиальном направлении.