ТВЭЛ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENT

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к области твэлостроения для энергетических реакторов на тепловых нейтронах.
Тепловыделяющие элементы (твэлы) являются наиболее ответственными и самыми напряженными конструкциями активной зоны современного ядерного энергетического реактора. В общем виде твэл состоит из герметичной оболочки, внутри которой размещается ядерное топливо, и локализуются радиоактивные продукты деления. Оболочка твэла обеспечивает требуемую механическую прочность конструкции, ее размерную стабильность, а также защищает ядерное топливо и продукты деления от коррозионно-эрозионного воздействия теплоносителя. Выход твэла из строя приводит к наиболее опасным последствиям - попаданию ядерного топлива и продуктов деления в контур теплоносителя. Твэл считается работоспособным, если он в течение всего времени эксплуатации герметичен и его геометрические размеры не изменились настолько, чтобы заметным образом ухудшились внешнее охлаждение и объемное распределение температур в активной зоне. Поэтому одна из главных задач при разработке активной зоны любого ядерного реактора гетерогенного типа заключается в создании надежных конструкций твэлов. (Ф.Г. Решетников, Ю.К. Бибилашвили, И.С. Головнин и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, М.: Энергоатомиздат, 1995, [1] с.40).
Основной причиной разгерметизации оболочек твэлов является коррозионное растрескивание под действием растягивающих напряжений и очаговая коррозия. При расчете напряженного и деформированного состояний материала оболочки в зависимости от состояния контакта топливо - оболочка используются две модели - газовый зазор (раздельная работа топливной таблетки и оболочки, когда на материал оболочки действуют температурные напряжения, давление теплоносителя и газообразных продуктов деления) и твердый контакт (совместная работа оболочки и топлива).
z
y
На первом этапе облучения твэлов материал оболочки работает в области упругих деформаций без растрескивания, как в трубе под внутренним давлением. При совместной работе топливной таблетки оболочки происходит возникновение контактных напряжений на границе раздела. При этом изменяется тип напряженного состояния материала оболочки и соотношение осевых напряжений σ и окружных σ:
z
у
σ/σ=1/2 - для первой модели;
z
y
σ/σ=1 - для второй модели.
На втором этапе облучения материал оболочки работает в условиях вязко-упруго-пластических деформаций. При достижении предельных напряжений в материале оболочки происходит коррозионное растрескивание по одному из возможных механизмов.
Для твэлов ВВЭР наиболее широкое распространение в России и за рубежом получили стержневые твэлы, состоящие из цилиндрической металлической оболочки, внутри которой размещается ядерное топливо в виде диоксида обогащенного урана (топливная таблетка), концевых деталей, необходимых для герметизации оболочки, фиксирующего элемента, обеспечивающего размещение ядерного топлива в требуемом положении, свободного объема (газосборника), снижающего давление газов на оболочку, возникающее при накоплении газообразных продуктов деления (Хе, Kr) ([1] с.45-46, рис.2.1).
2
Сам же твэл ядерного реактора, например ВВЭР-1000, представляет собой трубчатую оболочку круглого сечения, заполненную таблетками из диоксида урана UO (топливные таблетки) и герметично уплотненную концевыми деталями посредством сварки. Трубчатая оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава. Наружный диаметр трубки твэла 9,1±0,05 мм, ее толщина 0,65±0,03 мм, а внутренний диаметр - 7,72+0,08 мм. В эту трубку с зазором 0,19-0,32 мм помещены таблетки диоксида урана высотой 20 мм и диаметром 7,53-0,05 мм. Данная конструкция твэла принята в качестве прототипа. (Мирный атом. Развитие ВВЭР. Ядерное топливо. URL: http://www.mimyiatom.ru/nuclear_fuel.htm) [2].
Однако такая конструкция твэла имеет существенный недостаток, так как максимальная деформация растяжения при распухании топливной таблетки на наружном слое оболочки находится на уровне 4-5%.
Основной задачей предлагаемого изобретения является создание такой конструкции твэла, которая позволяет резко снизить максимальную деформацию растяжения при распухании топливной таблетки на наружном слое.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение уровня действующих напряжений в материале оболочки твэла за счет изменения схемы нагружения, вместо плоского напряженного состояния используется схема изгиба в овальной витой оболочке, а также отсутствие дистанционирующих решеток при сборке твэлов в кассеты.
Технический результат достигается тем, что твэл ядерного реактора состоит из трубчатой оболочки герметично уплотненной концевыми деталями посредством сварки, изготовленной из циркониевого сплава, внутри которой размещены топливные таблетки из диоксида урана, при этом трубчатая оболочка выполнена с овальным сечением и витой, объем между внутренней поверхностью трубчатой оболочки и топливными таблетками заполнен с виброуплотнением шариками из алюминиевого сплава, толщина трубчатой оболочки составляет не менее 0,3 мм, диаметр шариков составляет 1,5-2 мм и выполняется следующее соотношение:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mi>п</mi></msub></mrow></mfrac><mo>></mo><mn>1,5</mn></mrow>
;
p
где d - диаметр ребра оболочки, мм;
п
d - диаметр полочки оболочки, мм.
Сплав алюминия представляет собой сплав С-80.
На фиг.1 изображен поперечный разрез предлагаемого твэла ядерного реактора.
Элементы, изображенные на фигуре, обозначены следующим образом:
1 - топливная таблетка;
2 - трубчатая оболочка;
3 - шарики из алюминиевого сплава;
p
d - диаметр ребра оболочки, мм;
ш
d - диаметр шариков, мм;
т
d - диаметр топливных таблеток, мм;
п
п
r=d/2 - радиус полочки оболочки, мм;
δ - толщина трубчатой оболочки, мм;
т
Твэл ядерного реактора состоит трубчатой оболочки 2, герметично уплотненной концевыми деталями посредством сварки. Трубчатая оболочка 2 изготовлена из циркониевого сплава. Внутри трубчатой оболочки 2 размещены топливные таблетки 1 из диоксида урана с диаметром d.
Трубчатая оболочка 2 выполнена с овальным сечением и витой. Выполнение трубчатой оболочки 2 с овальным сечением приводит к резкому снижению действующих напряжений в материале оболочки 2 при радиационном распухании топливной таблетки 1. А выполнение трубчатой оболочки 2 витой позволяет при сборке твэлов в кассету обходиться без дистанционирующих решеток.
ш
Для уменьшения угловой зависимости температуры трубчатой оболочки 2 объем между внутренней поверхностью трубчатой оболочки 2 и топливными таблетками 1 заполнен шариками 3 из алюминиевого сплава. В качестве алюминиевого сплава может быть использован сплав С-80. При этом заполнение шариками 3 вышеуказанного объема произведено с виброуплотнением, что позволяет полностью заполнить этот объем шариками 3. Диаметр шариков d составляет 1,5-2 мм. Толщина δ трубчатой оболочки 2 составляет не менее 0,3 мм. При этом выполняется соотношение:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mi>п</mi></msub></mrow></mfrac><mo>></mo><mn>1,5</mn></mrow>
;
p
где d - диаметр ребра оболочки, мм;
п
d - диаметр полочки оболочки, мм.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mi>п</mi></msub></mrow></mfrac><mo>></mo><mn>1,5</mn></mrow>
p
т
Данное соотношение диаметров выбрано именно таким, потому что при
уменьшается преимущество предлагаемой конструкции твэла. Это происходит из-за того, что d=>d, т.е. овальное сечение стремится к круглому сечению.
Для экспериментальной проверки преимуществ предлагаемой конструкции твэла было проведено механическое испытание овальных колец, где процесс радиационного распухания топливной таблетки имитировался специальными дорнами. Максимальные окружные деформации определялись по изменению радиуса кривизны поверхности оболочки. Для изготовления образцов профильной оболочки использовалась трубка из сплава Э110, диаметром 9,1 мм и толщиной стенки 0,56 мм. Дорнование проводилось до диаметра 11,0 мм. Затем проводилось профилерование до получения значения описанного диаметра 12,8 мм.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mi>ϕ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>0,00036</mn></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mi>ϕ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>0,022</mn></mrow>
Результаты проведенных сравнительных механических испытаний показывают, что при радиальном увеличении диаметра топливной таблетки при радиационном распухании на 0,2 мм максимальные деформации растяжения оболочки будут равны
- для предлагаемого твэла,
- для прототипа, т.е. более в 60 раз меньше. Таким образом, видно, что решена задача предлагаемого изобретения - резкое снижение максимальной деформации растяжения при распухании топливной таблетки на наружном слое.
Отсюда следуют следующие преимущества предлагаемого изобретения: снижение уровня действующих напряжений в материале оболочки твэла за счет изменения схемы нагружения, вместо плоского напряженного состояния используется схема изгиба в овальной витой оболочке; снижение скорости распространения трещины по толщине оболочки из-за сопротивления упругого ядра между областями растягивающих сжимающих деформаций за счет использования овальной витой оболочки; а также отсутствие необходимости в дистанционирующих решетках при сборке твэлов в кассеты.