ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ РЕАКТОРА
REACTOR FUEL ELEMENT

Изобретение относится к ядерной технике, к конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов), используемых для формирования активных зон ядерных реакторов, в частности для высоко энергонапряженных активных зон исследовательских реакторов.
К настоящему времени известно множество конструкций твэлов, в частности стерженьковых твэлов. Одной из важнейших задач при конструировании твэлов является обеспечение возможно большего удельного энерговыделения в активной зоне реактора. При охлаждении водой обычно величина теплосъема ограничивается температурой поверхности твэла.
Известен, например, стерженьковый твэл водо-водяного энергетического реактора ВВЭР-1000, описанный в патенте RU №2244347, кл. G21C 3/02) [1]. Стерженьковый твэл содержит топливный сердечник, размещенный в цилиндрической оболочке. Теплопередающая поверхность такого твэла минимальна.
Известен стерженьковый твэл для исследовательских реакторов, описанный в патенте RU №2267175, кл. G21C 3/02 [2].
Твэл выполнен в виде трубчатой, герметизированной по торцам заглушками оболочки из сплава алюминия толщиной от 0,30 до 0,45 мм, с четырьмя дистанционирующими винтовыми ребрами на наружной поверхности. Каждое ребро выступает над оболочкой на высоту от 0,4 до 1,0 мм, 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. Внутри оболочки размещен топливный сердечник из дисперсионной композиции ураносодержащих частиц и сплава алюминия, в котором объемное содержание ураносодержащих частиц составляет до 45%.
В описываемом стерженьковом твэле для исследовательских реакторов за счет дистанционирующих ребер внешняя поверхность хотя и увеличена, но развита недостаточно эффективно, а температура по периметру твэла не выровнена.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является твэл типа СМ. Он хорошо зарекомендовал себя в работе и подробно описан в литературе [3] (Цыканов В.А. Тепловыделяющие элементы для исследовательских реакторов. Монография. Димитровград, 2001, с.250 - прототип). Этот твэл планируется использовать в строящемся реакторе ПИК [4] (Агеенков В.И., Волков B.C., Солонин М.И., Гарусов Е.А., Звездкин B.C., Коноплев К.А., Бек Е.Г., Ильяшик М.И., Потоскаль Г.Г., Самохин М.Г., Цибуля В.А. Параметры и технология изготовления твэлов реактора ПИК. Атомная Энергия, 2002, т.92, вып.6, с.438-444).
Твэл типа СМ (штатный твэл реактора ПИК) имеет поперечное сечение крестообразной формы (фиг.1). Размер внешне описанной окружности составляет 5.15 мм; радиус впадины 1 мм; радиус лопасти 0.5 мм; толщина стальной оболочки 0.15 мм. По длине лопасти твэла закручены и образуют винтовую линию с шагом 30 см. Этим обеспечивается дистанционирование твэлов в треугольной решетке кассеты с шагом 5.23 мм.
c
o
ш
ш
2
2
На фиг.1а приведено поперечное сечение этого твэла, поперечное сечение топливного сердечника S=7.23 мм, поперечное сечение оболочки S=2.50 мм, смачиваемый периметр Р=17.17 мм, поперечное сечение ячейки в топливной сборке S=23.69 мм, развитая поверхность теплопередачи в ячейке P/S=7.25 1/см.
3
2
с
0
max
На фиг.2 приведено расчетное распределение температуры по сечению твэла при плотности энерговыделения в топливном сердечнике из урана и бериллиевой бронзы q=19.48 кВт/см и коэффициенте теплосъема с поверхности твэла, нагретой до 100°С водой, α=79000 Вт/мК. Такие параметры соответствуют наиболее энергонапряженному твэлу реактора ПИК. Расчет выполнен при значениях теплопроводности сердечника λ=109 Вт/мК и теплопроводности оболочки λ=17.4 Вт/мК. Как следует из приведенного расчетного распределения температуры, неравномерность энергосъема по периметру твэла составляет , где t - максимальная, а  - средняя температура поверхности твэла.
Расчеты выполнены методом конечных элементов по программе ANSYS, позволяющей решать тепловые и прочностные задачи в трехмерной геометрии [5] (www.femdoc.by.ru.).
Наличие неравномерности теплосъема по периметру твэла является недостатком.
По сравнению с цилиндрическим стерженьковым твэлом с эквивалентной площадью поперечного сечения топливного сердечника развитая поверхность теплопередачи твэла СМ в 1.64 раза больше. Расчетное увеличение максимального температурного перепада между поверхностью твэла и водой на цилиндрическом стерженьковом твэле по сравнению с максимальным температурным перепадом на штатном крестообразном твэле СМ составляет всего 1.16 раза. Место во впадине твэла ограничивает теплосъем с твэла, и, следовательно, возможную мощность реактора. Известно предложение для устранения данного недостатка изъять центральную часть уранового сердечника, разместив в ней вытеснитель [6] (Федосеев В.Е., Цыканов В.А., Старков В.А. Совершенствование конструкции крестообразного твэла для повышения его теплотехнических характеристик. Атомная Энергия, 2005, т.98, вып.4, с.274-280). Этим самым исключается полезный объем активной зоны, что приводит как к технологическим трудностям изготовления твэла, так и к ухудшению нейтронных характеристик реактора, т.к. нейтронные потоки пропорциональны удельной объемной мощности в активной зоне реактора.
Задачей данного изобретения является обеспечение выравнивания теплосъема по периметру твэла и снижения температуры на его поверхности, что приведет к более эффективному использованию твэла и позволит улучшить нейтронные характеристики.
Поставленная задача достигается тем, что в известном тепловыделяющем элементе реактора, имеющем поперечное сечение крестообразной формы, новым является то, что лопасти теловыделяющего элемента у основания сужены и расширены в центральной части. На конце лопасти твэла выполнен дистанционирующий выступ.
Неочевидность подхода к решаемой задаче заключается в том, что в предлагаемом техническом решении использован не известный путь изъятия центральной части уранового сердечника, заменив его на вытеснитель, как это описано в работе [6], а разработана такая конфигурация поперечного сечения лопасти крестообразного твэла, которая обеспечивает снижение температуры по периметру твэла и тем самым дает возможность увеличить величину теплосъема с твэла и улучшить нейтронные характеристики реактора.
На фиг.1 представлен штатный твэл реактора ПИК [4] (Агеенков В.И., Волков B.C., Солонин М.И., Гарусов Е.А., Звездкин B.C., Коноплев К.А., Бек Е.Г., Ильяшик М.И., Потоскаль Г.Г., Самохин М.Г., Цибуля В.А. Параметры и технология изготовления твэлов реактора ПИК. Атомная Энергия, 2002, т.92, вып.6, с.438-444) крестообразного сечения (прототип - твэл типа СМ).
На фиг.1а представлено поперечное сечение штатного твэла крестообразной формы реактора ПИК, где: 1 - лопасть твэла, 2 - впадина между лопастями, 3 - топливный сердечник твэла, 4 - оболочка твэла.
На фиг.2 представлено расчетное распределение температуры (в градусах Цельсия) по поперечному сечению наиболее энергонапряженного твэла типа СМ в реакторе ПИК.
На фиг.3 представлено поперечное сечение заявляемого твэла, где: 1 - лопасть твэла, 2 - впадина между лопастями, 3 - топливный сердечник твэла, 4 - металлическая оболочка твэла. Лопасти твэла у основания сужены и расширены в центральной части.
На фиг.4 представлено поперечное сечение заявляемого твэла с дистанционирующим выступом 5 на концах лопасти 1.
На фиг.5 представлено расчетное распределение температуры (в градусах Цельсия) по поперечному сечению заявляемого твэла.
На фиг.6 представлено расчетное распределение температуры (в градусах Цельсия) по поперечному сечению заявляемого твэла с дистанционирующими выступами на концах лопастей.
ш
2
На фиг.7 показана расчетная интенсивность температурных напряжения S в штатном твэле реактора ПИК в кг/мм.
m
2
На фиг.8 показана расчетная интенсивность температурных напряжений в заявляемом твэле S в кг/мм.
2
2
3
2
с
o
На фиг.3 площадь сердечника равна 7.15 мм, площадь оболочки 3.4 мм, смачиваемый периметр 23.2 мм, развитая поверхность теплосъема в ячейке 9.8 1/см. Для исключения из рассмотрения физики реактора здесь соотношение металл-вода практически сохранено таким как в штатной ячейке твэла. Внешний диаметр описанной окружности твэла сохранен как у штатного (5.15 мм), толщина стальной оболочки также составляет 0.15 мм. Поскольку поперечное сечение сердечника составило 0.99 от штатного, то для сохранения мощности ячейки значение q=19.68 кВт/см в расчете температуры, приведенной на фиг.5. Здесь значения коэффициента теплосъема с поверхности твэла водой, нагретой до 100°, принято таким же, как и у штатного твэла (α=79 кВт/мК). Теплопроводность сердечника и оболочки принята как у штатного твэла (λ=109 Вт/мК, λ=17.4 Вт/мК). Очевидно, что температура по поверхности твэла практически выровнена: . Из приведенных данных на фиг.2 и 3 следует, что температурный перепад между поверхностью штатного твэла и водой оказывается в 146/81=1.8 раза больше, чем для перепада температуры между поверхностью заявляемого твэла и водой. Это произошло как за счет практически полного выравнивания температуры, так и за счет увеличения теплопередающей поверхности.
2
2
3
2
с
o
с
o
max
В тепловыделяющих сборках твэлы устанавливаются в треугольной решетке и возможно точечное касание концами лопастей соседних твэлов. Для исключения перегрева твэлов в месте касания лопасти твэлов заканчиваются дистанционирующим выступом, как это показано на фиг.4 (пункт 2 формулы изобретения). Здесь площадь поперечного сечения топливного сердечника оказалась равна 6.5 мм, площадь поперечного сечения оболочки 3.5 мм, смачиваемый периметр твэла 23.6 мм, развитая поверхность теплосъема в ячейке равна 10 1/см. Оказалось, что у заявляемого твэла поперечное сечение оболочки превышает поперечное сечение оболочки штатного твэла в 1.4 раза, а поперечное сечение сердечника составляет 0.91 от штатного. Поэтому для сохранения мощности в ячейке расчет температуры был выполнен для q=21.50 кВт/см. Значения α, λ и λ сохранены как у штатного твэла (α=79 кВт/мК, λ=109 Вт/мК и λ=17.4 Вт/мК). Данные расчета приведены на фиг.6. Неравномерность энергосъема по периметру твэла составляет  (t - максимальная, а  - средняя по периметру температура твэла). Из сравнения данных на фиг.2 и 6 следует, что максимальный перепад температуры между поверхностью штатного твэла и водой превышает таковой для твэла, изображенного на фиг.6, в 146/81=1.8 раза.
ш
m
1
2
2
3
3
1
1
2
3
с
o
4
2
4
2
-5
-5
Перепад температуры между максимальным значением в топливном сердечнике и водой для штатного твэла превышает таковой для заявляемого твэла (у которого лопасти у основания сужены и расширены в центральной части) в 290/145=2 раза. Это обстоятельство приводит к меньшему значению температурных напряжений в твэле предложенной формы. На фиг.7 приведена интенсивность температурных напряжений в штатном твэле S и на фиг.8 в твэле с заявляемым профилем поперечного сечения S. По определению, интенсивность напряжений S=max(|S-S|,|S-S|,|S-S|), где S, S и S - главные напряжения. В расчете принят модуль Юнга сердечника равным 1.36·10 кг/мм, оболочки - 2.11·10 кг/мм. Коэффициент линейного расширения топливного сердечника λ=1.66·10 1/К, оболочки - λ=1.3·10 1/К. Как следует из сравнения расчетных значений интенсивности температурных напряжений, приведенных на фиг.7 и фиг.8, максимальное температурное напряжение в оболочке штатного твэла превышает максимальное температурное напряжение в оболочке заявляемого твэла в 80/53=1.5 раза.
Снижение максимальной температуры поверхности твэла полезно, т.к. позволяет форсировать удельную мощность активной зоны реактора и увеличить нейтронные потоки или увеличивает запас до разрушения при неконтролируемом выбеге мощности реактора.
Существенное отличие заявляемого твэла от штатного (прототипа) заключается в форме лопастей твэла, у которого лопасти у основания сужены и расширены в центральной части. Винтовая закрутка лопастей по длине твэла для обеспечения дистанционирования и концевые элементы выполнены как у штатного твэла. Как и штатные, предлагаемые твэлы собираются в тепловыделяющие сборки, из которых формируется активная зона реактора.