ТОПЛИВНЫЙ СТЕРЖЕНЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТОК ДЛЯ ТАКОГО СТЕРЖНЯ
FUEL ROD AND METHOD OF MAKING PELLETS FOR SAID FUEL ROD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к новому типу топливного стержня.
Предполагаемые применения нового типа топливного стержня включают ядерные водо-водяные энергетические реакторы (ВВР) и газоохлаждаемые ядерные реакторы на быстрых нейтронах (ГБЯР), называемые реакторами 4-го поколения.
Для целей всей этой заявки термин «ядерные реакторы» относится к общепринятому значению этого термина, используемому в настоящее время, а именно энергетические установки, вырабатывающие энергию, основанную на реакциях деления ядер, с помощью тепловыделяющих элементов, в которых происходят реакции деления ядра, которые выделяют энергию в виде теплоты, при этом энергия извлекается из тепловыделяющих элементов посредством теплообмена с теплоносителем, который охлаждает эти тепловыделяющие элементы.
Для целей всей этой заявки термин «топливный стержень» относится к официальному значению термина, определение которому дано, например, в словаре по ядерной физике и технике, а именно трубка небольшого диаметра (или суженная), заглушенная с обоих торцов, образующая тепловыделяющий элемент ядерного реактора и содержащая ядерное топливо. При таком выполнении образуется тепловыделяющий элемент с ядерным топливом, для которого в настоящем описании изобретения используется предпочтительный термин - «топливный стержень».
Изобретение, таким образом, раскрывает новую конструкцию топливных стержней, проявляющих улучшенные термомеханические свойства во время механических взаимодействий между таблетками ядерного топлива и оболочкой.
Уровень техники
Существуют различные типы топливных тепловыделяющих элементов, используемые в зависимости от режимных параметров и характеристик реактора. Так называемые энергетические установки 3-го поколения и, в частности, водо-водяные энергетические реакторы (ВВР) используют тепловыделяющие элементы стержневого типа с круглым поперечным сечением.
Автор изобретения поставил цель - усовершенствовать конструкцию тепловыделяющего элемента и начал со стремления понять основы конструирования всех известных тепловыделяющих элементов реактора и выявить их функциональные ограничения.
Тепловыделяющий элемент должен проявлять следующие основные качества:
плотность его делящихся атомов должна соответствовать параметрам воздействия нейтронов и плотности энергии на единицу объема реакционно-способного объема,
он должен передавать теплоту между ядерным топливом и теплоносителем,
он должен удерживать твердые и газообразные продукты ядерного деления, выделяемые топливом при работе реактора. Реакции деления ядра, происходящие внутри ядерного топлива, генерируют твердые и газообразные продукты деления, которые обуславливают возможное значительное распухание ядерного топлива. Процесс распухания, в частности газового распухания, активируется теплотой, которая приводит в действие также механизмы, за счет которых газообразные продукты деления выделяются за пределы ядерного топлива. Поэтому необходимо, чтобы оболочка тепловыделяющего элемента была способна без утраты целостности компенсировать эти деформации и газообразные выбросы из топлива.
Интенсивность реакций ядерного деления внутри топлива непосредственно взаимосвязана с величиной тепловой мощности на единицу объема, которую следует отводить к теплоносителю через оболочку тепловыделяющего элемента.
Поэтому необходимо минимизировать термическое сопротивление между источником теплоты и охлаждающим теплоносителем для того, чтобы ограничить максимальную температуру топлива и эффекты, вызванные тепловым потоком: градиентом в ядерном топливе и различными расширениями топлива и оболочки.
Плотность расщепляющегося материала (ядерного топлива) в реакционно-способном объеме зависит, главным образом, от формы тепловыделяющих элементов, которая ограничивает их способность к размещению в заданном объеме со стремлением к максимальному коэффициенту заполнения этого объема при сохранении в то же время необходимой пропускной способности для хладагента с тем, чтобы обеспечить отвод теплоты, выделяемой тепловыделяющими элементами, при допустимых потерях давления.
Основные тепловыделяющие элементы, традиционно используемые в ядерных энергетических установках, могут быть классифицированы на три типа, а именно элемент пластинчатого типа (все формы), элемент цилиндрического типа, удлиненный по направлению оси (обычно имеющий круглое или кольцевое сечение), который образует элемент стержня, и элемент сферического типа, обычно в виде частицы небольшого диаметра (приблизительно равного одному миллиметру).
Кроме того, известны композитные тепловыделяющие элементы, сформированные из сферических частиц, заключенных в инертную матрицу, существующие в трех вышеупомянутых геометрических формах, а именно: шары, пластинки и компактные формы, используемые в высокотемпературных реакторах (ВТР).
Каждый из этих трех типов тепловыделяющих элементов объединяет в себе различные решения возникающих проблем, и необходим компромисс между существующими вариантами конструктивных решений для области применения. Область применения каждого тепловыделяющего элемента на практике ограничена характеристиками выбранной конструкции.
Так, пластинки выполнены с оболочкой, которая ведет себя подобно оболочкам с высокой степенью сплюснутости (соотношением между свободной длиной оболочки и ее толщиной).
Благодаря своей пластичности геометрическая форма материала оболочки сама приспосабливается к геометрии центральной части ядерного топлива. Это означает, что различные поперечные деформации в ядерном топливе и оболочке (распухание и растяжение) могут быть компенсированы при очень низком уровне механических напряжений. Однако пластинчатая конструкция имеет недостаточную способность сдерживать деформации, накладываемые на нее ядерным топливом в направлении толщины, вследствие очень низкой жесткости оболочки в поперечном направлении к ее поверхности. Эта свобода позволяет топливу деформироваться анизотропно и предпочтительно в вышеуказанном направлении. Кроме того, конструкция весьма неустойчива при действии изгибных напряжений в том случае, когда в плоскости размещения конструкции, ко всей конструкции или локально (например, в горячей точке) приложены усилия сжатия, в особенности в случаях, в которых топливное ядро тепловыделяющего элемента оказывается не присоединенным к оболочке (не находится с ней в контакте) или имеет место лишь слабый контакт.
Хороший тепловой контакт между ядерным топливом и оболочкой необходим для поддерживания температуры топлива в пределах интервала достаточно низких температур с тем, чтобы топливо не выделяло газообразные продукты деления при любых режимах работы реактора.
Поэтому пластинчатые тепловыделяющие элементы используют только для холодных ядерных топлив, другими словами, в интервале температур, в котором ядерное топливо не выделяет газы, и при умеренных уровнях тепловой энергии на единицу объема.
Параметры оптимизации пластинчатых элементов для заданной мощности на единицу объема обычно включают толщину пластины и качество контакта топлива и оболочки, контроль коррозии оболочки и отсутствия ухудшения ее способности к пластической деформации в процессе работы.
Основными видами нарушения работы пластинчатых элементов являются или утрата пластичности оболочки под действием приложенной деформации (коррозионное ухудшение или радиационное упрочнение), или увеличение термического сопротивления между ядерным топливом и теплоносителем (например, вследствие образования корродированной зоны на оболочке, создающей термическое сопротивление, отслаивания топлива от оболочки с образованием зазора вследствие локального выпучивания оболочки), обуславливающее повышение температуры ядерного топлива, выделение газообразных продуктов ядерного деления и повышение внутреннего давления внутри оболочки, приводящего к разрушению оболочки вследствие неконтролируемой ее деформации.
Цилиндрические тепловыделяющие элементы представляют собой, например, цилиндрические контейнеры с ядерным топливом, используемые в графитогазовых реакторах, стержни, используемые в водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР), или топливные элементы пруткового типа в ядерных реакторах на быстрых нейтронах (БР).
Конструкции этих цилиндрических элементов свойственно наличие радиального зазора между ядерным топливом в виде таблеток и оболочкой, внутри которой уложены эти таблетки с образованием столба, что позволяет компенсировать различные деформации между ядерным топливом и оболочкой; этот зазор способен, по меньшей мере, компенсировать различные расширения во время первого подъема мощности тепловыделяющего элемента, а также часть распухания топлива, которая не может быть ресорбирована им самим за счет текучести и повторного уплотнения в его внутренних полостях, другими словами, в полостях, образованных центральным отверстием и порами в топливе. Ядерное топливо должно также работать при температуре, при которой оно может активировать механизмы компенсации деформаций.
С другой стороны, оно выделяет некоторое количество газообразных продуктов деления топлива.
Второй расширительный объем образован внутри оболочки на конце столба таблеток ядерного топлива (топливных таблеток) для того, чтобы ограничить величину внутреннего давления в тепловыделяющем элементе.
Основными параметрами оптимизации этих цилиндрических элементов являются начальный радиальный зазор между ядерным топливом и оболочкой, другими словами, радиальный сборочный зазор, качество теплового соединения между ядерным топливом и оболочкой с помощью текучей среды (газовое уплотнение или уплотнение расплавленным металлом), действительная плотность заполнения сечения оболочки ядерным топливом, определяемая радиальным зазором, порами, пустотами, такими как центральное отверстие и/или линзообразные впадины на торцах таблетки, жесткость оболочки (толщина), механические свойства (максимальная прочность и способность к пластической деформации) и закономерности поведения оболочки и ядерных топлив (выпучивание и ползучесть).
Радиальный зазор между таблеткой и оболочкой, заполненный газом, и толщина оболочки образуют термическое сопротивление в радиальном направлении, которое определяет передачу теплоты между теплоносителем и таблетками ядерного топлива.
Термическое сопротивление в процессе работы изменяется, поскольку происходит изменение радиального зазора и ухудшение теплопроводности вследствие выделения газообразных продуктов ядерного деления. Изменение термического сопротивления усложняет контроль над максимальной температурой топлива, который заключается в том, что ядерное топливо не должно достигать своей температуры плавления при любых условиях работы. Кроме того, использование элемента такого типа в режиме «камера под давлением» предполагает использование материала, способного удерживать тепловыделяющий элемент в рабочем положении без риска внезапного разрыва (мгновенного и/или замедленного) под действием давления. Для достижения такого результата обычно применяют круглое сечение, поскольку оно лучше всего оказывает сопротивление действию давления. Таким образом, в ситуации механического взаимодействия между ядерным топливом и оболочкой оболочка, находясь под действием кольцевого растяжения, проявляет высокую кольцевую жесткость. В результате топливо в двух радиальных направлениях удерживается от перемещения, и только в осевом направлении оно частично имеет свободу, и эта частичная свобода зависит от сцепления между таблетками и оболочкой.
Окружное давление, которое действует на топливо со стороны оболочки, активирует действующие на топливо механизмы перераспределения, другими словами, переуплотнения.
Следовательно, выбор материала оболочки имеет особую важность в силу того, что он должен обеспечить достаточную предельную прочность на разрыв в заданном интервале рабочих температур, способность к пластической деформации при пластической и тепловой деформации и достаточную предельную прочность, обычно составляющую более чем 20 MПa.√m в интервале температур, соответствующем всей области, в которой работают тепловыделяющие элементы. В этой связи ограничивающие рабочие параметры этих элементов (температура и мощность в единице объема) устанавливают путем выбора оболочки (кратковременное сопротивление разрыву и предел ползучести в зависимости от температуры) и ядерного топлива (температура плавления).
Основным видом остаточного разрушения, связанного с рассматриваемым типом тепловыделяющего элемента, является кратковременное механическое взаимодействие между ядерным топливом и оболочкой, превышающее способность оболочки к деформации, например, в таких ситуациях, в которых мощность реактора возрастает до более высокого уровня по сравнению с предшествующим рабочим уровнем, или в таких рабочих условиях, в которых температура топлива не активирует его собственные механизмы автокомпенсации своих деформаций или активирует их лишь незначительно.
Наконец, в сферических элементах, например представляющих собой частицы, используемые в высокотемпературных реакторах (ВТР), различные покрывающие слои последовательно осаждают на делящийся сердечник, который должен быть центрирован. Это достигается за счет создания пустот в виде пор в пределах делящегося сердечника и в промежуточном слое, называемом «буфером», имеющим очень высокую пористость, который сохраняет сплошность между делящимся сердечником и слоями оболочки.
Различные деформации между ядерным топливом и оболочкой, другими словами, в покрывающем слое, компенсируются за счет заполнения пустот; во время работы постепенное уплотнение буфера под действием потока нейтронов освобождает радиальный зазор, который предотвращает сильное механическое взаимодействие между делящимся сердечником и покрывающими слоями. Кроме того, внутренние объемы внутри оболочки удерживают газообразные продукты деления, выделяемые делящимся ядерным топливом. Сферическая форма оболочки, таким образом, хорошо приспособлена для того, чтобы выдерживать возрастающее внутреннее давление.
Параметры оптимизации элементарных частиц являются существенными при выборе материала (тип, структура, свойства и закономерности поведения под действием потока нейтронов и температуры) и толщины различных слоев.
Следует отметить, что сферические тепловыделяющие элементы используют только в высокотемпературных и газоохлаждаемых реакторах (BP).
Основной режим их остаточного разрушения соответствует сильному взаимодействию между делящимся сердечником и покрывающими слоями (создание механического напряжения при заданной деформации оболочки), которое может вызвать разрушение защитной оболочки; исходя из этого сферическая оболочка является наихудшей формой оболочки, поскольку не оставляет направления для деформации ядерного топлива (помимо максимального уплотнения), чтобы ослабить силы взаимодействия (создание гидростатического давления во внутреннем объеме оболочки).
Рассмотренный тип сферического тепловыделяющего элемента используют также в разнообразных композитных формах, в которых частицы рассредоточены в матрице, через которую теплота передается теплоносителю, при весьма небольшом содержании ядерного топлива в реакционном объеме реактора, порядка нескольких % на единицу объема. Кроме того, с помощью такой конструкции уменьшается опасность разрушения оболочки при высоких интенсивностях горения (или сжигания) ядерного топлива.
С учетом вышеизложенного, автор изобретения считает, что каждый из трех типов тепловыделяющих элементов имеет свои преимущества, которые можно обобщить следующим образом:
пластинчатые характеризуются хорошей передачей теплоты и хорошей приспособляемостью при механическом взаимодействии между таблетками ядерного топлива и оболочкой,
цилиндрические тепловыделяющие элементы (стержни) и сферические элементы обладают хорошим сопротивлением давлению газообразных продуктов деления.
С другой стороны, с учетом изложенного, можно также заключить, что основной недостаток используемых в настоящее время элементов цилиндрического типа (стержней) заключается в том, что их термомеханические характеристики при осуществлении механического взаимодействия между таблетками ядерного топлива и оболочкой могут быть неконтролируемыми.
В связи с этим автор изобретения в качестве основной задачи поставил улучшение термомеханических характеристик тепловыделяющих элементов стержневого типа, работающих в условиях взаимодействия между таблетками ядерного топлива и оболочкой, используемых в настоящее время в реакторах 2-го и 3-го поколений.
Предлагаемые новые тепловыделяющие элементы могут быть также использованы для ядерных реакторов на быстрых нейтронах с газовым охлаждением 4-го поколения.
Более общая задача изобретения заключается в создании тепловыделяющего элемента стержневого типа, который объединяет преимущества, характерные для различных типов существующих тепловыделяющих элементов, подобных упомянутым выше, а также в том, чтобы стало возможным удовлетворить следующие технические требования:
1) достижение величин относительной массы топлива на единицу объема, равных величинам, реализуемым в существующих стержнях с круглым сечением,
2) обеспечение оптимальной передачи теплоты от таблеток ядерного топлива к теплоносителю в течение всего срока службы, при этом достигнутые показатели должны быть сравнимы с передачей теплоты при использовании пластинчатых элементов (теплообмен предпочтительно с двух противоположных сторон),
3) устранение опасности разрушения оболочки за счет контроля механического взаимодействия между таблетками ядерного топлива и оболочкой.
Другая задача изобретения заключается в обеспечении тепловыделяющего элемента стержневого типа, способ изготовления которого не соответствует полностью промышленному оборудованию, установленному для изготовления существующих тепловыделяющих элементов стержневого типа, имеющих круглое поперечное сечение.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решена в топливном стрежне, расположенном в продольном направлении, содержащем большое количество таблеток ядерного топлива, уложенных друг на друга, и оболочку, изготовленную из материала, прозрачного для нейтронов, окружающих столб таблеток, при этом в топливном стрежне в сечении, поперечном продольному направлению,
- оболочка имеет эллиптическую форму, а внутренняя поверхность имеет большую ось с длиной 2×а и малую ось с длиной 2×b,
- каждая таблетка ядерного топлива имеет в целом форму эллипса, усеченного на концах большой оси оболочки, малая ось каждой таблетки имеет длину 2×b, равную длине 2×b малой оси внутренней поверхности оболочки, за вычетом сборочного зазора j, образованного между таблетками и оболочкой, при этом разность между половиной длины усеченной большой оси таблетки и половиной длины большой оси оболочки (с-а) значительно много больше величины указанного сборочного зазора.
Для целей настоящего изобретения выражение «значительно» много больше, чем сборочный зазор, означает величину, настолько большую, чем сборочный зазор, что объемы внутренних полостей могут быть расположены с обеспечением разбухания топлива без какого-либо периферийного взаимодействия с оболочкой.
Для осуществления технического решения в соответствии с изобретением автором изобретения была предпринята попытка выявить механический процесс, происходящий в случае неконтролируемого механического взаимодействия между таблеткой и оболочкой, другими словами, в ситуациях, в которых кратковременное механическое взаимодействие происходит за пределами способности оболочки выдерживать деформацию.
Такие ситуации возникают, например, когда мощность реактора возрастает до уровня, превышающего существующую ранее рабочую мощность, или в режиме работы, в котором температура ядерного топлива не активирует в нем его механизмы перераспределения, другими словами, не активирует механизмы автокомпенсации его собственных деформаций или активирует их лишь незначительно.
В таких ситуациях в существующих топливных стержнях с круглым сечением проявляется очень сильное механическое взаимодействие между таблетками и оболочкой. В твердых сплошных цилиндрических таблетках в таких ситуациях существует температурный градиент, который уменьшается от их центра в направлении периферии; иначе говоря, холодная периферия таблетки обладает радиальной жесткостью, которая создает определенный вид кольцевой ограничивающей жесткости. Кроме того, поскольку таблетка лишь совсем немного приспосабливается сама по себе, упругость в радиальном направлении не проявляется. Следовательно, в таких ситуациях оболочка обладает кольцевой ограничивающей жесткостью, называемой мембранной жесткостью, созданной за счет большей части радиальных деформаций топливной таблетки. Другими словами, кольцевое ограничение происходит в этом радиальном направлении взаимодействия. Таблетка, таким образом, допускает лишь одно возможное направление релаксации, а именно осевое или продольное направление, которое обеспечивается локальной ползучестью топлива в направлении впадин, сформованных для этой цели на торцах каждой таблетки.
Автор изобретения пришел также к заключению о том, что если термомеханические характеристики топливного стержня необходимо улучшать в ситуации с очень сильным механически взаимодействием между таблеткой и оболочкой, то следует осуществить нижеследующие решения:
- уменьшить жесткость оболочки за счет изменения способа ее кольцевого ограничения и в случае круглого поперечного сечения придать оболочке овальный профиль. Механическое радиальное взаимодействие между таблеткой и оболочкой должно быть не осесимметричным. Следовательно, первоначально должно быть образовано овальное сечение оболочки с возможным механическим контактом между таблетками и оболочкой только в направлении малого диаметра (малой оси), и между таблетками и оболочкой должен быть образован зазор с тем, чтобы обеспечить перемещение, другими словами, расширение ядерного топлива в направлении большого диаметра (большой оси),
- соответственно, уменьшить жесткость холодной периферии таблетки за счет выполнения таблетки овальной формы. Это означает, что при действии напряжений на таблетку, имеющую овальную форму, взаимодействующие поверхности могут быть локализованы за счет выполнения их ортогональными только малому диаметру,
- создать не осесимметичный температурный градиент в таблетке, имея температурный градиент в большей степени, подобный температурному градиенту пластины, охлаждаемой с двух сторон; не осесимметричный температурный градиент в топливе может уменьшить кольцевую жесткость холодной периферии таблеток с круглым сечением, используемых в настоящее время, за счет создания более горячих участков на концах большой оси таблетки овальной формы. Такой тепловой эффект вносит вклад в уменьшение жесткости овального профиля, которую таблетка может иметь вдоль малой оси,
- создать больший объем пустот в поперечном сечении (оболочки) с тем, чтобы ядерное топливо, которое распухает и расширяется, могло в своем сечении перераспределить себя за счет текучести без создания любого другого напряжения или взаимодействия между таблетками и оболочкой. Это перераспределение за счет текучести возможно лишь в том случае, если указанные пустоты находятся в непосредственной близости от самых горячих участков таблетки, и силы реакции, приложенные к таблетке во время взаимодействия таблетки с оболочкой, действуют на эти самые горячие участки,
- сохранить механическую устойчивость поперечного сечения стержня, к которому приложено давление внешнего охладителя. В условиях очень сильного механического взаимодействия таблеток и оболочки полученная в результате жесткость за счет овализации сечения должна быть достаточной, чтобы сохранить геометрию поперечного сечения в стабильном состоянии.
Автор изобретения предлагает также прежде всего выполнить поперечное сечение топливного стержня эллиптической формы для улучшения его термомеханических характеристик в ситуациях механического взаимодействия между топливными таблетками и оболочкой.
Кроме того, автор изобретения попытался понять другой процесс, происходящий в тепловыделяющих элементах при нормальной работе реакторов, в которых используются эти элементы.
В существующих реакторах, таких как водо-водяные энергетические реакторы, тепловыделяющие элементы стержневого типа образованы из таблеток ядерного топлива, имеющих круглую цилиндрическую форму, уложенных отдельно друг на друга и размещенных внутри оболочки в виде трубки, имеющей длину большую длины столба из таблеток с тем, чтобы оставить у концов столба объемы для расширения, необходимые для ограничения постепенного повышения давления в столбе из топливных элементов под действием газообразных продуктов деления ядерного топлива.
Передача теплоты между таблетками ядерного топлива и теплоносителем происходит в радиальном направлении через термическое сопротивление, созданное радиальным сборочным зазором, образованным между таблетками и оболочкой, заполненной газом в начале периода работы тепловыделяющего элемента, и толщиной материала оболочки.
Контроль этого термического сопротивления в течение срока работы тепловыделяющего элемента гарантирует, что допустимые пределы температуры топлива не будут превышены. Автор изобретения, таким образом, считает, что в конструкции нового топливного стержня должны быть приняты во внимание следующие факторы:
передача теплоты через радиальное газовое уплотнение, калиброванное в начале срока работы,
наличие свободных объемов, образованных в поперечном направлении по отношению к направлению передачи теплоты.
Обычные тепловыделяющие элементы пластинчатого типа способны компенсировать деформации, обусловленные воздействием ядерного топлива, посредством «пластичности» их оболочки при весьма низком механическом напряжении в оболочке, поддерживая в то же время передачу теплоты в направлении деформации. Автор изобретения, таким образом, считает, что тепловыделяющие элементы должны быть выполнены очень узкими, другими словами, необходимо, чтобы они имели в сечении большую величину отношения длины к толщине (ширине) для того, чтобы они могли компенсировать деформации, созданные ядерным топливом в направлении толщины при очень низких величинах напряжения в оболочке.
Соответственно, автор изобретения пришел к заключению, что тепловыделяющему элементу, выполненному с сечением в форме эллипса, в соответствии с изобретением, предпочтительно должны быть присущи три вышеупомянутые основные особенности, другими словами, он должен иметь:
эллиптическое поперечное сечение, в котором большая ось имеет длину 2×а, малая ось - длину 2×b, степень сплюснутости сечения равна отношению а/b;
форма таблетки также должна быть эллиптической, образующей в сборке радиальный зазор между таблетками и калиброванной оболочкой, сравнимый с зазором, имеющимся в типичных топливных стержнях с круглым поперечным сечением;
наличие свободных объемов у концов большой оси таблетки, полученных за счет усечения указанной оси.
Автор изобретения нашел, таким образом, решение, раскрытое в настоящем изобретении, а именно таблетки с эллиптическим поперечным сечением, усеченным вдоль их большой оси, уложенные отдельно одна на другую внутри оболочки эллиптической формы с радиальным зазором, образованным во время сборки вдоль не усеченной части таблеток, и камерами расширения газообразных продуктов деления на усеченных концах таблеток.
Результатом, достигнутым за счет этого нового поперечного сечения стержня, является желаемое улучшение термомеханических характеристик в условиях очень сильного механического взаимодействия между таблетками и оболочкой, обусловленное тем, что:
указанное взаимодействие ограничено участками механического контакта таблетки и оболочки, ортогональными малой оси поперечного сечения, что позволяет оболочке компенсировать деформации, созданные таблеткой, за счет уменьшения ее эллипсности и, таким образом, в пределах толщины оболочки создаются только изгибающие напряжения, локализованные на ее концевых участках вдоль большой оси 2×а;
температурный градиент в таблетке способствует большей гибкости механической характеристики таблетки в процессе взаимодействий;
сочетание в целом эллиптической формы таблетки и наличия значительных газовых уплотнений у концов ее большой оси создает теплопередачу преимущественно в направлении малой оси при горячей сердцевине таблетки, проходящей вдоль большой оси и холодными периферийными частями, ограниченными участками, контактирующими с оболочкой. Механическая жесткость, которую проявляет таблетка при взаимодействии в направлении ее малой оси, будет в значительной степени уменьшена за счет почти полного отсутствия арочного эффекта, создаваемого холодными периферийными участками таблетки;
локальное сопротивление передаче теплоты между таблетками и оболочкой на усеченных концах таблетки, другими словами, вдоль больших осей, повышает температуру участков поверхности таблетки в этой зоне. Таким образом, при механическом взаимодействии с оболочкой топливная таблетка подвергается сжатию, главным образом, вдоль ее малого диаметра, при этом наличие горячей зоны до самой ее поверхности на концах большой оси означает, что она может деформироваться за счет ползучести преимущественно вдоль большой оси. Эта степень свободы при выдавливании за счет ползучести в направлении поперек концевым пустотам позволяет таблетке компенсировать увеличение объема за счет деформации ползучести преимущественно вдоль этого направления, минимизируя соответствующим образом деформацию, созданную механическим взаимодействием таблетки с оболочкой вдоль ее малой оси.
Специалисты в данной области техники будут предпринимать усилия для обеспечения геометрической стабильности эллиптического сечения стержня, находящегося под действием сил давления, приложенных к теплоносителю от внешнего источника, действующих во время нормального функционирования реактора, в котором параметров жесткости, связанных с топливной таблеткой с тем, чтобы препятствовать сплющиванию поперечного сечения.
Этими параметрами могут быть следующие:
степень сплюснутости поперечного сечения (соотношение между большой и малой осями), которая изменяет тепловые характеристики таблетки и, следовательно, ее жесткость для сжатия вдоль малой оси,
размеры полостей, расположенных на концах вдоль большой усеченной оси «с» таблетки, которые определяют температуру и, следовательно, величину деформации ползучести таблетки вдоль этого направления (жесткость против выдавливания в направлении полостей, определяющую до некоторой степени жесткость таблетки для сжатия вдоль ее малой оси).
Таким образом, новая геометрия стержня, предложенная согласно настоящему изобретению, придает поперечному сечению геометрическую устойчивость, гарантируя контроль над градиентом температуры и передачей теплоты от таблетки во время нормальной работы, обеспечивая в то же время компенсацию деформаций, созданных действием таблетки на оболочку в ситуации механического взаимодействия, за счет подбора степени сплюснутости сечения и за счет конструкции с усечением таблетки и, следовательно, выпучивания таблетки на ее концах, что минимизирует механические напряжения в оболочке благодаря распределению созданных деформаций между таблеткой и оболочкой и благодаря также выбранному подходу к решению проблемы, в соответствии с которым оболочка подвергается напряжениям изгиба за счет овальной формы сечения.
Предпочтительно сборочный зазор «j» для размещенных в оболочке таблеток, образованный в пределах длины усеченной большой оси «с», меньше или равен 10% длины большой оси 2×а оболочки.
2
2
Если стержень, соответствующий изобретению, предназначен для водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР), оболочку предпочтительно выполняют из сплава циркония или сплава М5 (ZrNbO), а топливные таблетки предпочтительно изготавливают из керамических материалов, таких как UO, (U, Pu)O или из смесей на основе оксида урана и переработанных оксидов плутония.
3
2
2
Если стержень, соответствующий изобретению, предназначен для использования в газоохлаждаемых ядерных реакторах на быстрых нейтронах (ГБЯР), оболочку предпочтительно изготавливают из жаростойкого огнеупорного или наполовину огнеупорного металлического материала, подобного, например, сплавам на основе ванадия или из пластичных керамических материалов, таких, например, как TiSiC, относящихся к классу МАХ фаз, а топливные таблетки предпочтительно изготавливают из керамических материалов подобных (U, Рu) С, (U, Рu)O.
Заявленное изобретение относится также к тепловыделяющей сборке с ядерным топливом, содержащей большое количество топливных стержней, подобных описанным выше и установленных вместе в дистанционирующей решетке.
Помимо этого изобретение относится к оболочке, выполненной из материала, прозрачного для нейтронов, проходящих в продольном направлении, и с эллиптическим сечением, проходящим поперек этого продольного направления.
Кроме того, изобретение относится к таблетке ядерного топлива, которая расположена в продольном направлении и имеет в целом усеченную эллиптическую форму с усеченной большой осью в сечении, проходящем поперек продольного направления расположения таблетки.
Изобретение относится также к способу изготовления таблетки ядерного топлива, имеющей в продольном направлении высоту Н и в целом усеченную эллиптическую форму с усеченной большой осью, имеющей длину 2×с, и малой осью длиной 2×b в сечении, проходящем поперек продольного направления, при этом в способе осуществляют следующие этапы:
- приготовление порошка ядерного топлива на этапе так называемого пеллетирования (приготовления таблеток),
- прессование порошкообразного ядерного топлива по контуру сырой таблетки, осуществляемое в ряде матриц высотой Н, выполненных с усеченным эллиптическим поперечным сечением с длиной большой оси 2×с и длиной малой оси 2×b,
- спекание прессованной таблетки ядерного топлива.
Следует отметить, что термин «сырая таблетка» означает таблетку, которая не была подвержена спеканию.
Предпочтительно отношение Н/(2×с) высоты Н к длине 2×с большой оси равно, по меньшей мере, 1,2.
Таким образом, новая геометрия топливного стержня, описанная в соответствии с изобретением, также обеспечивает возможные предполагаемые усовершенствования в части изготовления топливных стержней. Усеченная эллиптическая форма поперечного сечения топливных таблеток означает, что отмеченные выше два новшества в способе изготовления ниже могут быть сформулированы иначе:
- в отношении способа прессования таблеток: новая форма таблеток означает, что ось прессования может располагаться вдоль направления малой оси эллиптического сечения (вместо расположения оси прессования вдоль оси цилиндра, как это имеет место для известных таблеток с круглым сечением). Этот новый способ прессования может обеспечить лучший контроль над равномерностью плотности прессования и, следовательно, геометрии спеченной таблетки,
- исключение сошлифовки, осуществляемой для подгонки диаметра таблетки: новая эллиптическая форма поперечного сечения стержня подразумевает, что оболочка вынуждена входить в контакт с поверхностями таблетки (ортогональными малой оси) благодаря действию внешнего давления сразу же, как только температура теплоносителя в реакторе возрастает.
Следовательно, тепловые характеристики таблетки не зависят от первоначального сборочного зазора между таблетками и оболочкой. Таким образом, в отличие от ситуации, сложившейся в уровне техники, отсутствует необходимость в подгонке геометрических размеров таблетки, поскольку отклонения размеров, полученные при спекании, становятся допустимыми (в частности, за счет рассмотренного выше более совершенного способа прессования).
,
Настоящее изобретение относится также к способу укладки топливных таблеток в оболочке из прозрачного для нейтронов материала таким образом, чтобы изготовить топливный стержень, в котором топливные таблетки, полученные непосредственно после спекания с помощью описанного выше способа изготовления, укладывают внутри оболочки, имеющей в целом эллиптическую форму, при этом длина малой оси внутренней (эллиптической) поверхности оболочки равна 2×b и равна длине 2×b малой оси таблеток плюс величина сборочного зазора, при этом разность между половиной длины усеченной большой оси таблеток и половиной длины большой оси оболочки (с-а) много больше величины сборочного зазора j.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и характерные особенности изобретения будут более ясными из нижеследующего подробного описания топливного стержня согласно изобретению со ссылкой на фиг.1 и фиг.1А, содержание которых раскрыто ниже.
На фиг.1 показан топливный стержень согласно изобретению, вид в продольном частичном разрезе;
на фиг.1А показан топливный стержень, изображенный на фиг.1, вид в поперечном разрезе;
на фиг.2 показан топливный стержень согласно изобретению, вид в перспективе;
на фиг.3 показана оболочка согласно изобретению, предназначенная для размещения столба из таблеток, одна из которых показана на фиг.2, вид в перспективе.
Осуществление изобретения
/
Для более ясного понимания описания продольные оси, вдоль которых будут расположены таблетки 6, оболочка 2 и стержень 1, образованный из этих элементов, обозначены все позицией XX.
Следует отметить, что
размеры а и b являются внутренними размерами эллиптической оболочки 2,
размеры А и В являются внешними размерами эллиптической оболочки 2,
/
/
размеры а и b соответствуют размерам неусеченной таблетки 6,
размер 2×с является длиной большой оси таблетки 6 ядерного топлива, усеченной в соответствии с изобретением.
На фиг.1 представлен топливный стержень 1 согласно изобретению, в конфигурации, готовой для использования в ядерном реакторе, другими словами, находящийся в вертикальном положении, с таблетками 6, размещенными ближе к нижней части, как это отмечено ниже. Стержень 1 состоит из оболочки 2, изготовленной из сплава циркония, герметизированной на каждом из ее концов с помощью верхней заглушки 3 и нижней заглушки 4.
/
Внутри оболочка по существу разделена на две секции, одна 5 из которых находится в верхней части, формируя камеру для расширения газа, а другая секция вмещает способный к делению столб из таблеток 6 с ядерным топливом, каждая из которых расположена в продольном направлении XX стержня 1.
В показанном на фигуре столбе каждая таблетка 6 имеет приблизительно одинаковую высоту Н.
В расширительной камере 5 размещена спиральная пружина 7 сжатия, нижний конец которой опирается на столб таблеток 6, а другой конец пружины опирается на верхнюю заглушку 3.
/
Пружина 7 удерживает столб таблеток на месте в положении вдоль продольной оси XX, воспринимает продольное утолщение таблеток 6 в процессе работы и, кроме того, предотвращает выпучивание сечения оболочки, имеющей овальную форму.
Другими словами, пружина предотвращает чрезмерную овализацию сечения оболочки.
На фиг.1 представлено правильное (недеформированное) поперечное сечение стержня 1.
Оболочка 2 в соответствии с изобретением имеет постоянную толщину по всему периметру и в целом эллиптическую форму. Более конкретно, внутренняя поверхность 200 оболочки 2 эллиптической формы имеет большую ось длиной 2×а и малую ось длиной 2×b.
/
Таблетка 6 ядерного топлива имеет эллиптическую форму, усеченную на каждом конце большой оси оболочки. Другими словами, таблетка 6 имеет усеченную большую ось длиной 2×с и малую ось длиной 2×b.
Следует отметить, что размер с определяет расстояние от плоскости усечения таблетки 6 до ее центра.
/
Постоянный радиальный сборочный зазор j между таблеткой 6 и оболочкой 2 образован на эллиптических сторонах таблетки, иначе говоря, по всей длине 2×с таблетки. Другими словами, сразу после изготовления и перед использованием в качестве ядерного топлива в ядерном реакторе каждая топливная таблетка 6 имеет усеченное эллиптическое поперечное сечение, в котором длина b половины малой оси приблизительно равна длине b половины малой оси внутренней поверхности 200 оболочки 2 за вычетом сборочного зазора j.
Свободные объемы или расширительные полости 60 расположены на двух концах усеченной большой оси таблетки 6, другими словами, между усеченными торцами 61 таблетки 6 и внутренней поверхностью 200 оболочки 2.
Таким образом, параметры поперечного сечения топливного стержня 1 могут быть выражены на основе геометрических параметров таблетки 6 следующим образом.
/
/
/
Коэффициент овальности или коэффициент сплюснутости сечения таблетки «a/b», где а=a-j,
/
Коэффициент усечения таблетки «с/а».
/
/
Автор изобретения считает, что коэффициент сплюснутости «a/b» должен быть равен, по меньшей мере, 1,5 для достижения удовлетворительных тепловых характеристик, типичных для топливных пластин, описанных в международной заявке WO 2007/017503.
Представляется возможным использовать топливный стержень 1 с эллиптическим сечением в соответствии с изобретением в двух типах ядерных реакторов, функционирующих с использованием теплоносителя, охлаждающего активную зону, который поддерживают при более высоком давлении, чем давление в тепловыделяющих элементах.
Первое намеченное применение стержня заключается в его использовании при рабочих параметрах, реализуемых в водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР).
Стержень, таким образом, априори может быть выполнен из таких же составных материалов, которые используют для конструкций существующих типичных тепловыделяющих элементов, таких как стержни с круглым сечением, подобные известным в настоящее время; а именно, циркониевые сплавы или сплав М5 (ZrNbO) для оболочки и керамические материалы или смеси на основе оксида урана и переработанные оксиды плутония для топливных таблеток.
3
2
2
Второе намеченное применение топливного стержня заключается в его использовании именно для газоохлаждаемых реакторов на быстрых нейтронах, т.е. в условиях, в которых температуры оболочки являются высокими, находится в пределах интервала от 300°С до 900°С, и высокой является интенсивность потока быстрых нейтронов. Составными композитными материалами, используемыми для изготовления стержня, могут быть жаростойкие или наполовину жаростойкие металлы, например для изготовления оболочки используют сплавы на основе ванадия или пластичные керамические материалы, подобные ТiSiC, относящемуся к классу МАХ фаз, а для топливных таблеток - керамические материалы, подобные (U, Рu) С или (U, Рu) О.
Ниже описано одно определенное воплощение стержня с эллиптическим сечением, соответствующего настоящему изобретению. В этом воплощении стержень 1 спроектирован так, чтобы он соответствовал рабочим параметрам типичного водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР).
Ниже для сравнения приведены геометрические параметры, материалы и рабочие параметры типичного реактора ВВЭР.
Размеры стержня, выполненного с известным круглым сечением:
Оболочка: внешний диаметр D внеш = 9,5 мм, внутренний диаметр D внутр = 8,36 мм.
Топливные таблетки: диаметр = 8,2 мм.
Материалы:
2
Оболочка изготовлена из сплава М5, топливные таблетки - из UO.
Рабочие параметры:
3
Температура на внешней поверхности оболочки Т = 342°С, давление теплоносителя Р = 155 бар, мощность на единицу объема ядерного топлива = 320 Вт/см.
Скорость выгорания ядерного топлива = 60000 МВт день/тонна.
На основе этих сравнительных данных для стержня с известным круглым сечением автор изобретения предложил для нового эллиптического стержня согласно изобретению следующие геометрические размеры:
Сечение таблетки такое, как и у таблетки с обычным круглым сечением,
/
/
Коэффициент овальности а/b = 1,8,
/
/
/
Степень усечения равна с/а = 0,9, при этом стержень 1 характеризуется следующими размерами а, b, с:
/
/
/
а = 5,61 мм, b = 3,115 мм, с = 5,05 мм,
толщина оболочки 0,57 мм равна толщине оболочки с обычным круглым сечением,
радиальный сборочный зазор равен радиальному сборочному зазору между таблетками и оболочкой в стержне с обычным круглым сечением, в котором величина j ≈ 0,08 мм. Величину зазора j, образованного в сборной конструкции стержня между таблетками 6 и оболочкой 2 в соответствии с изобретением, измеряют вдоль малой оси b эллипса, при этом размеры эллиптического сечения оболочки следующие:
большая внутренняя ось 2×а = 5,69 мм,
малая внутренняя ось 2×b = 3,195 мм,
большая внешняя ось 2×А = 6,26 мм,
малая внешняя ось 2×В = 3,765 мм.
По отношению к выбранной для сравнения геометрии стержня с обычным круглым сечением, предназначенного для водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР), общее сечение стержня 1 с эллиптическим сечением в соответствии с изобретением увеличено порядка на 4,4%, а занятая топливом площадь сечения составляет приблизительно 92,5% от сечения оболочки.
Таким образом, суммарная полость j, 60, образованная начальным радиальным сборочным зазором j между таблетками 6 и оболочкой и плоскостями усечения 61 концов таблетки 6 (полость 60 между усеченными боковыми поверхностями 61 и внутренней поверхностью оболочки 2), составляет приблизительно 7,47% от внутреннего поперечного сечения оболочки, равного П×a×b.
При изготовлении оболочки 2 с эллиптическим сечением не существует особых технологических проблем.
,
,
,
/
Для изготовления таблетки 6 могут быть также использованы различные операции прессования. Коэффициент сплюснутости а/b, рассматриваемый в настоящем изобретении, равный 1,8 при приведенных выше геометрических размерах, означает, что становится возможным осуществить прессование каждой таблетки ортогонально, другими словами, вдоль направления малой оси а ее эллиптического сечения или, иначе говоря, по ее боковой поверхности, ограниченной высотой Н, а не вдоль оси XXцилиндрической поверхности, как это делают в настоящее время для стержней с круглым поперечным сечением.
Эллиптическая форма оболочки означает также, что таблетка после ее спекания может быть помещена в оболочку. Автор изобретения полагает, что прессование топливной таблетки по ее боковой поверхности высотой Н должно привести к меньшему разбросу толщин спеченных таблеток благодаря большей равномерности плотностей внутри таблетки после прессования.
Как было отмечено выше, в процессе работы реактора ВВЭР эллиптическая форма оболочки будет означать, что вследствие нахождения теплоносителя под давлением будет происходить контакт между внешними поверхностями таблеток и оболочкой (за исключением поверхностей, обращенных к концевым пустотам 60), другими словами, по всей длине 2×с.
Даже в начале срока службы термические характеристики таблеток 6 больше не зависят от начального сборочного зазора между таблетками 6 и оболочкой 2.
Анализ тепловых и термомеханических характеристик стержня с эллиптическим сечением, соответствующего изобретению, в условиях функционирования реактора ВВЭР, выбранного в качестве базового реактора, был проведен с помощью моделирования на ЭВМ с использованием программы расчета методом конечных элементов (CAST3M).
Моделирование было основано на предположении о постоянстве мощности, выделяемой ядерным топливом в течение срока эксплуатации, об изменении физических свойств материалов М5 оболочки и материала UO2 ядерного топлива в зависимости от температуры, вязкоэластичных свойствах материала оболочки и топлива (температурная ползучесть и ползучесть, вызванная облучением), распухания материалов под действием облучения и интенсивности выделения газообразных продуктов деления, произведенных ядерным топливом, порядка 6% (что является типичной величиной, установленной для стержней с круглым сечением, функционирующих со скоростью выгорания топлива 60000 МВт день/тонна).
Полученные результаты для работы стержня с указанной скоростью выгорания топлива равной 60000 МВт день/тонна показывают следующее:
- хороший контроль температуры в течение срока эксплуатации; с начала генерирования мощности радиальный зазор j между таблетками 6 и оболочкой 2 ликвидируется, а максимальная температура ядерного топлива изменяется от температуры начала срока эксплуатации, равной 683°С, до конечной температуры этого срока, равной 904°С.
Это изменение обусловлено ухудшением теплопроводности топлива под действием облучения и наличием газообразных продуктов деления, выделяемых топливом, которые снижают коэффициент теплопередачи между таблетками 6 и оболочкой 2.
Благодаря эллиптической форме сечения, поскольку размер таблетки вдоль направления передачи теплоты (ее малая ось) меньше, чем диаметр круглой таблетки с такой же площадью сечения, максимальная температура внутри топлива меньше, чем в стержне с обычным круглым сечением;
- хорошая общая термомеханическая характеристика в поперечном сечении таблетки ядерного топлива. Это обеспечивает контроль над деформациями сечения, поскольку текучесть эллиптического сечения таблетки ядерного топлива определяется температурой поверхности, достигаемой благодаря термическому сопротивлению, созданному полостями 60, образованными на усеченных концах 61 таблетки.
В начале срока эксплуатации локальная температура повышается (на боковых поверхностях 61) и на 136°С превышает температуру теплопередающих поверхностей (на участках 62), контактирующих с оболочкой.
В конце срока эксплуатации повышение локальной температуры (между усеченными концами 61 и участками 62) составляет 220°С.
Это тепловое равновесие, которое контролирует механическую стабильность сечения, получают посредством оптимизации геометрических параметров сечения, а именно коэффициента овальности а/b и его степени усечения с/а. Очевидно, что эти параметры зависят от каждого случая применения и их оптимизация зависит от рабочих параметров каждой таблетки ядерного топлива и механических свойств компонентов материалов, в частности от температурной ползучести и закономерностей поведения при облучении.
Хорошие термомеханические характеристики также приводят к хорошему контролю над внутренним давлением в стержне, созданным газообразными продуктами деления, выделенными ядерным топливом.
Наличие полостей 60 на усеченных концах 61 таблетки формирует дополнительные расширительные камеры, которые отсутствуют в стержне, имеющем обычное круглое сечение.
Наконец, хорошие термомеханические характеристики создают механическое взаимодействие между таблетками 6 и оболочкой 2, которое изгибает оболочку.
Созданные напряжения изгиба локализуются на концевых участках 200 оболочки, обращенных в сторону поверхностей 61 усечения таблетки ядерного топлива.
Текучесть материала оболочки 2 ограничивает во время работы эти механические напряжения величинами, составляющими менее 100 МПа.
Следовательно, оболочка по существу находится под действием только напряжений изгиба, действующих на ее овальную форму; она не подвергается действию кольцевой ограничивающей жесткости, как это может происходить с оболочкой стержня, имеющего обычное круглое сечение.
Деформации в сечении топливной таблетки 6 компенсируются, главным образом, благодаря выдавливанию топлива за счет текучести в направлении концевых полостей 60 под действием жесткости овальной формы усеченного эллиптического сечения таблетки, которая, таким образом, противодействуют деформациям расширения и распухания.
Другие усовершенствования и модификации могут быть осуществлены без выхода за пределы объема изобретения.
2
Для применения в водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР), находящихся в настоящее время в эксплуатации, можно было бы использовать обычно применяемые материалы, а именно сплав циркония для оболочки 2 и UO для топливных таблеток 6 или смесь на основе обедненных оксидов урана и переработанных оксидов плутония, называемых также МОх. Характеристики стержня могут быть оптимизированы путем контроля характера изменения ползучести материалов оболочки и топлива в стержне с эллиптическим сечением в соответствии с изобретением.
Для применения в газоохлаждаемых реакторах на быстрых нейтронах (БР) использование пластически деформируемой оболочки является желаемым при ее изготовлении из ряда пластичных металлических и керамических материалов, указанных выше.