ТВЭЛ РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ
FUEL ELEMENT OF REACTOR ON FAST NEUTRONS

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов и чехловых тепловыделяющих сборок для активных зон реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем.
Известен тепловыделяющий элемент (далее - твэл) для формирования тепловыделяющих сборок (далее - ТВС) реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Твэл включает ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере, который выполнен в виде тонкостенной трубчатой оболочки из хромистой стали и концевых заглушек. Твэл также включает элемент дистанционирования в виде проволоки, навитой по спирали с большим шагом по его длине на наружную поверхность оболочки и закрепленной на концах твэла на оболочке или заглушках. Элемент предназначен для формирования ТВС в виде пучка параллельных твэлов, которые равномерно (с определенным относительным шагом) распределены по поперечному сечению ТВС и помещены в чехол сборки. Такая конструкция твэла и ТВС прошла практическую проверку в реакторах на быстрых нейтронах типа БН с натриевым теплоносителем. В эксплуатировавшихся реакторах типа БН наружный диаметр оболочки твэлов изменялся в диапазоне от 5,9 мм до 7,5 мм, толщина оболочки составляла около 0,3 мм, а диаметр проволоки для изготовления элемента дистанционирования, который определял минимальное расстояние между оболочками соседних твэлов в треугольной решетке ТВС, - около 1 мм. Однако такая конструкция твэла имеет недостатки при использовании в ТВС для разрабатываемых реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем и нитридным уран-плутониевым топливом. Это обусловлено тем, что для обеспечения оптимальных характеристик активных зон таких реакторов расстояние между оболочками соседних твэлов имеют существенно большую величину по сравнению с реакторами с жидкометаллическим теплоносителем типа БН. Так для проектируемого реактора типа БР-1200 наружный диаметр оболочки твэла может составлять более 10 мм, а расстояние между соседними твэлами в ТВС - более 3 мм. В этом случае использование известной конструкции для твэлов реактора типа БР-1200 связано с навивкой на тонкостенную трубку проволоки из нержавеющей стали диаметром около 3 мм. Такое исполнение твэла увеличит металлоемкость ТВС, что приведет к ухудшению нейтронно-физических характеристик активной зоны реактора. Кроме того, навивка с заданным натягом массивной проволоки на поверхность тонкостенной оболочки может привести к заметным искажениям геометрической формы твэла, например, к его искривлению или другой деформации. Другим недостатком такой конструкции твэла является жесткость элемента дистанционирования в поперечной плоскости сечения.
Известен твэл для формирования ТВС реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, который включает ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой стальной оболочки с заглушками, и элемент дистанционирования, размещенный на наружной поверхности оболочки и закрепленный по краям твэла (GB 1459562). Элемент представляет собой проволочную спираль в форме пружины, которая в свою очередь навита по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки. Такая конструкция позволяет обеспечить заданное расстояние между соседними твэлами в ТВС при относительно низкой металлоемкости элемента. Однако элемент в твэле такой конструкции изготавливается из относительно тонкой проволоки, длина которой в несколько раз превышает длину твэла. Поэтому при нагреве до рабочих температур металлического теплоносителя в активной зоне реактора общая длина проволоки существенно увеличивается, что может привести к локальным искажениям геометрической формы спирали и смещению ее витков относительно поверхности оболочки твэла. Это повышает вероятность формирования многочисленных очагов точечной фреттинг-коррозии в местах контакта относительно подвижных витков пружины с оболочкой твэла.
Известен твэл для формирования ТВС реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, который включает ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой стальной оболочки и концевых заглушек. На поверхности оболочки с большим шагом по спирали навит элемент дистанционирования, который закреплен на заглушках твэла (US 3944468). Элемент выполнен в виде двух сопряженных между собой деталей - тонкостенной трубки и размещенной внутри трубки армирующей проволоки. При этом на заглушках закреплена только проволока, а трубка зажимается между проволокой и наружной поверхностью оболочки при изготовлении твэла. Такая конструкция позволяет распределить свойства и функции элемента дистанционирования между его двумя составными частями и за счет этого обеспечить заданный комплекс его свойств. Необходимая прочность элемента в продольном направлении обеспечивается за счет выбора диаметра проволоки. Необходимое расстояние между твэлами в ТВС обеспечивается за счет выбора наружного диаметра трубки. Возможность деформации элемента и компенсации распухания топлива в радиальном направлении обеспечивается за счет малой толщины стенки трубки. Недостатком конструкции является ее сложность, относительно высокая металлоемкость, повышенная вероятность накопления примесей из теплоносителя в тонком зазоре между проволокой и трубкой, а также возможность образования застойных зон для свинцового теплоносителя внутри трубки. Это существенно повышает вероятность возникновения локальных зон перегрева оболочки и очагов коррозии в свинцовом теплоносителе в зонах контакта оболочки, проволоки и трубки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение металлоемкости твэла за счет снижения металлоемкости элемента дистанционирования. Достижение указанного технического результата способствует повышению нейтронно-физических параметров активной зоны реактора на быстрых нейтронах.
Технический результат в изобретении достигается тем, что в твэле для реактора на быстрых нейтронах (включающем ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой оболочки из стали и заглушек, элемент дистанционирования, навитый по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки и закрепленный на концах твэла к заглушкам; а также дополнительные детали, которые могут быть размещены внутри оболочки твэла, например, фиксаторы топливных таблеток или вставки из неделящихся материалов, металлический расплав и другое) элемент дистанционирования выполнен в форме скрученной вокруг продольной оси металлической ленты, ширина которой примерно равна минимальному расстоянию между соседними твэлами в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, а площадь поперечного сечения ленты задана в пределах от 0,1 до 0,5 от площади описанной вокруг этого сечения окружности.
Далее в описании упомянутый элемент дистанционирования, выполненный в форме скрученной вокруг продольной оси металлической ленты, обозначен для краткости как «витая лента» (далее используется без кавычек).
Выполнение витой ленты с шириной примерно равной минимальному расстоянию между соседними твэлами позволяет обеспечить их надежное дистанционирование между собой в тепловыделяющей сборке ядерного реактора.
Нижний предел площади поперечного сечения витой ленты - от 0,1 площади описанной вокруг этого сечения окружности - обусловлен необходимостью придать скрученной витой ленте определенную жесткость для сохранения заданной формы. Верхний предел площади поперечного сечения витой ленты - до 0,5 площади описанной вокруг этого сечения окружности - обусловлен необходимостью снижения металлоемкости элемента дистанционирования.
Возможные частные варианты выполнения твэла характеризуются приведенными ниже признаками.
Направление скручивания витой ленты вокруг продольной оси и направление навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла по спирали в предложенной конструкции твэла могут как совпадать, так и противоположны между собой. Оба варианта выполнения твэла с указанными частными признаками направлений скручивания и навивки обеспечивают эффективное дистанционирование твэлов между собой в тепловыделяющей сборке ядерного реактора.
Элемент дистанционирования выполнен из той же стали, что и оболочка твэла. Такое выполнение элемента дистанционирования позволяет использовать в активной зоне проверенный и коррозионностойкий материал с оптимальными характеристиками при рабочих температурах теплоносителя.
Кромки витой ленты скруглены, что позволяет избежать механических повреждений оболочек соседних твэлов в случае вибрационных колебаний твэлов в активной зоне.
Изобретение поясняется рисунками, приведенными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 приведено изображение витой ленты до навивки на твэл.
На фиг. 2 приведено изображение твэла (с совпадающими направлениями навивки элемента дистанционирования и скручивания ленты).
На фиг. 3 приведено изображение семи твэлов, дистанционированных между собой элементами дистанционирования в виде витых лент, имеющих прямоугольные поперечные сечения.
На фиг. 4 приведено изображение схемы дистанционирования твэла относительно соседнего твэла, в которой направления навивки элемента дистанционирования и скручивания ленты совпадают.
На фиг. 5 приведено изображение схемы дистанционирования твэла относительно соседнего твэла, в которой направления навивки элемента дистанционирования и скручивания витой ленты противоположны.
Твэл в соответствии с одним из возможных вариантов выполнения изобретения (см. фиг. 2, фиг. 4 и фиг. 5) содержит оболочку (1), которая по торцам герметизирована заглушками (3). На наружную поверхность оболочки (1) навит по спирали с большим шагом элемент дистанционирования, который включает витую ленту (2) и концевые участки (4). Концевые участки (4) приварены к заглушкам (3). Внутри оболочки (1) размещено ядерное топливо (5), а также, при необходимости, другие детали и материалы, например, фиксаторы топлива, элементы из неактивных материалов, металлические расплавы в зазоре между топливом и оболочкой, и другие (не показаны).
Для обеспечения надежного дистанционирования твэла с каждым из соседних твэлов на одном шаге навивки элемента дистанционирования на оболочку шаг скручивания витой ленты определяется по формуле:
2
где S - шаг скручивания витой ленты вокруг продольной оси;
1
S - шаг навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла, определяемый из условия вибрационной прочности пучка твэлов в ТВС;
d - наружный диаметр оболочки твэла;
δ - ширина витой ленты;
2
l
N - количество полных витков скрученной с шагом S витой ленты на одном шаге S, которое определяется по следующим формулам:
- для однонаправленной навивки
- для разнонаправленной навивки
где n - число, выбираемое из ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. При этом большее значение n обеспечивает меньшее возможное отклонение между элементом дистанционирования и соседними твэлами, которое может возникнуть из-за погрешностей размеров при изготовлении твэла и тепловыделяющей сборки.
Однако выбираемое значение n ограничивается допустимым относительным удлинением материала витой ленты при пластической деформации материала в области продольных кромок при скручивании. Поэтому значение n должно удовлетворять условию:
- для однонаправленных направлений скручивания ленты и навивки элемента дистанционирования
- для разнонаправленных направлений скручивания ленты и навивки элемента дистанционирования навивки
5
изг
где δ(t) - удлинение при разрыве для материала ленты при температуре изготовления (скручивания);
зап
K - коэффициент запаса по допустимому удлинению при скручивании ленты.
Ниже приведены примеры осуществления твэла в соответствии с изобретением.
Пример 1. Изготавливают твэл с наружным диаметром оболочки 10,5 мм и ее толщиной 0,5 мм с элементом дистанционирования (2) в виде ленты с прямоугольным поперечным сечением 2,6×0,5 мм, причем углы прямоугольника закруглены с радиусом 0,25 мм. Оболочка (1) твэла и элемент дистанционирования (2) выполнены из стали, обладающей повышенной коррозионной стойкостью в среде свинцового теплоносителя. Ленту скручивают в холодном состоянии вокруг продольной оси с шагом 8,2 мм (шаг рассчитан по формулам (1), (2) и (4)), путем, например, протягивания через вращающуюся фильеру. При этом относительная деформация материала ленты в области продольных кромок составляет 42,7% (принята максимальная допустимая относительная деформация 50% при температуре 20°С по аналогии с листом из стали 10Х18Н9 и коэффициент запаса 1,1). При таком шаге на одном витке спирали укладывается 19 малых витков скрученной ленты. После этого лента (2) навивается на оболочку твэла (1) с шагом навивки 250 мм в направлении, совпадающем с направлением закрутки ленты вокруг центральной продольной оси, и закрепляется своими концевыми элементами (4) на заглушках (3) твэла.
Пример 2. Изготавливают твэл с элементом дистанционирования (2) с размерами, приведенными в примере 1. Для изготовления используют ленту с размерами, приведенными в примере 1. Ленту скручивают вокруг продольной оси с шагом 7,9 мм, и навивают на оболочку (1) твэла с шагом навивки 250 мм в направлении, противоположном направлению скрутки ленты вокруг центральной продольной оси, и закрепляют концевыми элементами (4) на заглушках (3) твэла.
Пример 3. Изготавливают твэл с элементом дистанционирования в виде витой ленты с учетом возможных предельных отклонений геометрических размеров твэла и элемента дистанционирования, которые заложены в технический проект твэла и ТВС реакторной установки БН-1200. Размеры прямоугольного поперечного сечения ленты составляют 2,56×0,5 мм. Наружный диаметр твэла - 10,53 мм. Шаг навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла - 258,3 мм. Лента скручивается вокруг продольной оси с шагом 20,10 мм и навивается на оболочку твэла. В этом случае в соответствии с методикой, изложенной в приложении 2, можно показать, что при наиболее неблагоприятном сочетании погрешностей в изготовлении твэла и ТВС максимальное возможное смещение соседнего твэла от его номинального положения составит 0,16 мм.
Предложенная конструкция позволяет существенно снизить металлоемкость твэла за счет выполнения элемента дистанционирования в виде витой ленты. Например, в активной зоне с твэлами с оболочкой наружным диаметром 10,5 мм, расположенными с шагом 13,1 мм в узлах треугольной решетки, при дистанционировании витой лентой с размерами поперечного сечения 2,6×0,5 мм относительная металлоемкость (отношение объемов элементов дистанционирования) витой ленты по сравнению с дистанционирующей проволокой диаметром 2,6 мм составляет 24,5%. Относительная металлоемкость витой ленты по сравнению с трубкой ∅ 2,6×0,5 мм составляет 39,4%, а по сравнению с трубкой ∅ 2,6×0,3 мм - 60,0%.
Кроме того, важным дополнительным техническим результатом предлагаемого изобретения является дополнительная турбулизация потока теплоносителя в тепловыделяющей сборке, набранной из твэлов, в которых используются в качестве дистанционирующих элементов витые ленты. Дополнительная турбулизация потока теплоносителя формируется благодаря скручиванию самих лент вокруг их осей, позволяет уменьшить возможность образования и площадь застойных зон теплоносителя, а, следовательно, и «горячих пятен» на оболочке твэла.
Достижение указанных технических результатов способствует улучшению нейтронно-физических характеристик и надежности работы активной зоны реактора на быстрых нейтронах. Указанные свойства технического решения позволяют предполагать возможность его практического применения при изготовлении твэлов и ТВС для реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем.