ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РЕАКТОРОВ (ВАРИАНТЫ)
FUEL ELEMENT FOR RESEARCH REACTORS (VERSIONS)

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов (твэлов) и тепловыделяющих сборок (ТВС) для исследовательских реакторов с ядерным топливом низкого (менее 20%) обогащения.
В связи с необходимостью существенного снижения обогащения ядерного топлива исследовательских реакторов возникла проблема изменения конструкции и технологии изготовления твэлов и ТВС, которые могли бы быть использованы. При этом использование твэлов и ТВС новой конструкции в уже существующих реакторах на территории России и за рубежом не должно приводить к снижению эксплуатационных характеристик активных зон и к существенным затратам на реконструкцию самого реактора.
Известны ТВС с трубчатыми твэлами, которые используются в российских исследовательских реакторах бассейнового типа, например реакторах ИРТ-М, ВВР-М, ИВВ-М (Гончаров В.В. и др. «Труды Второй Международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Женева, 1958». Т.2. М., Атомиздат, 1959, стр.243; Гончаров В.В. и др. Доклад № 323, представленный на третью международную конференцию по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1964)). Каждая такая ТВС состоит из несущего наружного твэла с квадратной, шестиугольной или круглой формой в поперечном сечении, к которому жестко присоединены верхние и нижние концевые детали, фиксирующие с зазором между собой несколько внутренних концентрично расположенных кольцевых трубчатых твэлов. Каждый трубчатый твэл в поперечном сечении представляет собой кольцо из наружной и внутренней оболочек, изготовленных, например, из алюминиевого сплава, между которыми расположен дисперсионный топливный сердечник. По торцам наружной и внутренней оболочек сердечник твэла герметизирован торцевыми заглушками кольцевой формы.
Однако при использовании топлива с обогащением по урану-235 менее 20% изготовление трубчатых твэлов с требуемыми характеристиками сопряжено со значительными технологическими трудностями, которые связаны с ограничением максимальной объемной доли частиц топливной составляющей в сердечнике до 30%.
Известен тепловыделяющий элемент для исследовательских реакторов и тепловыделяющая сборка на его основе (патент RU 2267175 C2, G21C 3/32, 3/02). Тепловыделяющий элемент выполнен в виде трубчатой оболочки, герметизированной по торцам заглушками цилиндрической формы. Оболочка изготовлена из сплава алюминия и выполнена с дистанционирующими винтовыми ребрами на наружной поверхности, а внутри оболочки толщиной от 0,30 до 0,45 мм размещен топливный сердечник. Оболочка и топливный сердечник имеют диффузионное сцепление между собой, полученное методом совместного выдавливания через формирующую матрицу составной цилиндрической заготовки металлокерамического сердечника, заглушек и оболочки. Наружная поверхность оболочки с диаметром описанной окружности от 4,0 до 8,0 мм снабжена четырьмя дистанционирующими винтовыми ребрами. Каждое винтовое ребро расположено в плоскости поперечного сечения под углом 90° к соседнему ребру и закручено по спирали с шагом от 100 до 400 мм, преимущественно от 300 до 340 мм. Топливный сердечник изготовлен из дисперсионной композиции, содержащей частицы урана в матрице из сплава алюминия при объемной доле частиц до 45%. Размер содержащих уран частиц составляет от 63 до 315 мкм. Это техническое решение является наиболее близким к заявляемому тепловыделяющему элементу и принято за прототип.
Однако известная конструкция твэла не позволяет обеспечить требуемую загрузку топлива с обогащением менее 20% по урану-235, что снижает эксплуатационные параметры реакторов.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей по модернизации существующих исследовательских реакторов, активные зоны которых различаются своими размерами и формой.
Техническим результатом является создание конструкции твэла, позволяющей в более широком диапазоне изменять ураноемкость твэла при сохранении высоких показателей его надежности и безопасности.
Поставленная задача по первому варианту решения достигается тем, что тепловыделяющий элемент для исследовательских реакторов выполнен в виде тонкостенной, герметизированной по торцам трубчатой оболочки из сплава циркония, выполненной в поперечном сечении в форме четырехлучевой звезды, скругленные выступы которой образуют закрученные по спирали дистанционирующие ребра, в центре оболочки размещен топливный сердечник в виде цилиндрического стержня, диаметр которого составляет от 0,85 до 0,95 диаметра вписанной в оболочку окружности из сплава урана и 1,5-9 мас.% молибдена, между оболочкой и стержнем размещен контактный материал.
В частных случаях выполнения изобретения по первому варианту контактный материал выполнен в виде порошка алюминия в силуминовой матрице; наружные дистанционирующие и внутренние центрирующие ребра навиты с шагом 200-400 мм, преимущественно 300-340 мм; оболочка выполнена толщиной от 0,15 до 0,3 мм.
Поставленная задача по второму варианту решения достигается тем, что тепловыделяющий элемент для исследовательских реакторов выполнен в виде тонкостенной, герметизированной по торцам трубчатой оболочки из сплава циркония, выполненной в поперечном сечении в форме четырехлучевой звезды, скругленные выступы которой образуют закрученные по спирали дистанционирующие ребра, в центре оболочки размещен топливный сердечник в виде цилиндрического стержня из сплава урана и 1,5-9 мас.% молибдена, на поверхность сердечника нанесено покрытие толщиной 0,08-0,15 мм, выполненное, например, из сплавов циркония или нитрида циркония, между оболочкой и стержнем размещен контактный материал.
В частных случаях выполнения изобретения по второму варианту покрытие выполнено с тремя или четырьмя продольными центрирующими выступами на наружной поверхности высотой от 0,1 до 0,3 мм.
В других частных случаях выполнения изобретения по второму варианту контактный материал выполнен в виде порошка алюминия в силуминовой матрице; наружные дистанционирующие и внутренние центрирующие ребра навиты с шагом 200-400 мм, преимущественно 300-340 мм; оболочка выполнена толщиной от 0,15 до 0,3 мм.
Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-фиг.4.
На фиг.1 представлено поперечное сечение твэла по первому варианту изобретения.
На фиг.2 - фиг.4 представлены поперечные сечения твэла по второму варианту изобретения.
Твэл по первому варианту решения (см. фиг.1) состоит из трубчатой оболочки 1 толщиной от 0,15 до 0,3 мм, выполненной из сплава циркония, и герметизирующих оболочку 1 торцевых заглушек (на фиг.1 не показаны). Оболочка 1 выполнена в поперечном сечении в форме четырехлучевой звезды, скругленные выступы которой образуют закрученные по спирали наружные дистанционирующие ребра, которые навиты с шагом 200-400 мм, преимущественно 300-340 мм. В центре оболочки 1 размещен топливный сердечник 2 в виде цилиндрического стержня из сплава урана и 1,5-9 мас.% молибдена, диаметр сердечника 2 составляет от 0,85 до 0,95 диаметра вписанной в оболочку 1 окружности. Между оболочкой 1 и стержнем 2 размещен контактный материал 3, который выполнен в виде порошка алюминия в силуминовой матрице.
Твэл по второму варианту решения (см. фиг.2-фиг.4) состоит из трубчатой оболочки 4 толщиной от 0,15 до 0,3 мм, выполненной из сплава циркония, и герметизирующих оболочку 4 торцевых заглушек (заглушки на фиг.2-фиг.4 не показаны). Оболочка 4 выполнена в поперечном сечении в форме четырехлучевой звезды, скругленные выступы которой образуют закрученные по спирали наружные дистанционирующие ребра, которые навиты с шагом 200-400 мм, преимущественно 300-340 мм. В центре оболочки 4 размещен топливный сердечник 5 в виде цилиндрического стержня из сплава урана и 1,5-9 мас.% молибдена. На поверхность сердечника 5 нанесено покрытие 6 толщиной 0,08-0,15 мм, выполненное, например, из сплавов циркония или нитрида циркония. В частном варианте исполнения на наружной поверхности покрытия 6 выполнены три продольных центрирующих выступа 7 (см. фиг.3) или четыре продольных центрирующих выступа 8 (см. фиг.4) высотой от 0,1 до 0,3 мм. Между оболочкой 4 и сердечником 5 размещен контактный материал 9, который выполнен в виде порошка алюминия в силуминовой матрице.
Решение технической задачи - возможность изменения в широком диапазоне ураноемкости твэла при сохранении высоких показателей его надежности и безопасности - по первому варианту решения достигается оптимальным сочетанием характеристик и конструктивных особенностей твэла: использованием материала топливного сердечника (сплава урана и 1,5-9 мас.% молибдена) и соотношением геометрических размеров сердечника и оболочки (диаметр сердечника составляет от 0,85 до 0,95 диаметра вписанной в оболочку окружности), а также выбором других параметров твэла, приведенных в описании.
Решение технической задачи - возможность изменения в широком диапазоне ураноемкости твэла при сохранении высоких показателей его надежности и безопасности - по второму варианту решения достигается оптимальным сочетанием характеристик и конструктивных особенностей твэла: использованием материала топливного сердечника (сплава урана и 1,5-9 мас.% молибдена) и соотношением геометрических размеров сердечника, покрытия, центрирующих выступов и оболочки, которые приведены в описании.
Решение этой технической задачи в заявленных вариантах выполнения изобретения позволит расширить технологические возможности по модернизации существующих исследовательских реакторов, активные зоны которых различаются своими размерами и формой.