ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
FUEL ELEMENT OF NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к активной зоне ядерного реактора.
Известен тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий таблетки из делящегося материала, помещенные в металлическую оболочку, концевые детали и компенсационный объем, заполненный инертным газом [А.С.Монахов. Атомные электрические станции и их технологическое оборудование, М.: Энергоиздат, 1986, с.89].
Недостатками такого тепловыделяющего элемента являются радиальная неравномерность теплового потока от осевого смещения таблеток делящегося материала и прямой контакт таблеток с внутренней поверхностью оболочки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является тепловыделяющий элемент ядерного реактора атомной электростанции, который представляет собой оболочку с размещенными в ней таблетками из делящегося материала. Оболочка с обоих концов герметично заглушена концевыми деталями [Г.Н.Ушаков. Технологические каналы и тепловыделяющие элементы энергетических ядерных реакторов. М.: Энергоиздат, 1981, с.29, рис.1.6].
Недостатками известного устройства являются:
- относительно высокая вероятность попадания частиц топливных таблеток в зазор между оболочкой и делящимся материалом в результате растрескивания таблеток из делящегося материала под действием температурных напряжений, появляющихся в процессе облучения;
- прямой контакт боковой поверхности таблеток из делящегося материала с внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента;
- невозможность обеспечения при изготовлении и в процессе эксплуатации равномерности зазора между боковой поверхностью таблетки и внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента.
Для исключения указанных недостатков в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, состоящем из металлической оболочки с концевыми деталями, внутри которой размещены таблетки из делящегося материала, имеющем компенсационный объем, предлагается в зазоре между внутренней поверхностью металлической оболочки и боковой поверхностью таблеток из делящегося материала разместить вставку из высокотемпературного материала и ориентировать ее вдоль оси тепловыделяющего элемента.
В частных случаях выполнения тепловыделяющего элемента предлагается:
- вставку выполнить с тремя гофрами;
- каждый гофр вставки выполнить в виде равносторонней трапеции с отношением сторон 1:2;
- вставку выполнить в виде фольги толщиной от 5 до 20 мкм;
- вставку выполнить из металла высокотемпературной группы, например молибдена, тантала, вольфрама;
- поверхности меньшего основания гофров вставки установить с касанием боковой поверхности таблеток из делящегося материала или внутренней поверхности оболочки;
- поверхности меньшего или большего основания гофров вставки установить с упором в соответствующие наружные поверхности таблеток из делящегося материала и внутреннюю поверхность оболочки;
- высоту гофров вставки выполнить равной суммарной высоте таблеток из делящегося вещества;
- высоту гофров вставки выполнить равной суммарной высоте таблеток из делящегося материала и высоте компенсационного объема.
Использование изобретения позволяет:
- исключить попадание осколков деления под оболочку в процессе облучения;
- исключить непосредственный контакт внутренней поверхности оболочки и боковой поверхности таблеток из делящегося материала;
- обеспечить при изготовлении и в процессе эксплуатации равномерность зазора между боковой поверхностью таблеток из делящегося материала и внутренней поверхностью оболочки.
Предлагаемый тепловыделяющий элемент ядерного реактора показан в виде поперечных сечений на фиг.1 и фиг.2, где приняты следующие обозначения: 1 -оболочка; 2 - таблетка из делящегося материала; 3 - зазор; 4 - вставка; 5 - гофр.
Тепловыделяющий элемент ядерного реактора содержит оболочку 1, таблетки 2 из делящегося материала, компенсационный объем, пружину и концевые детали.
В зазоре 3 между внутренней поверхностью оболочки 1 и боковой поверхностью таблеток 2 из делящегося материала размещена вставка 4.
Вставка 4 ориентирована вдоль оси тепловыделяющего элемента.
В качестве таблеток 2 из делящего материала используют: оксид плутония, карбид плутония, нитрид плутония, оксид урана, карбид урана, нитрид урана.
В частных случаях реализации устройства предусмотрено следующее.
Вставка 4 имеет не менее трех гофр 5.
Каждый гофр 5 вставки 4 выполнен в виде равносторонней трапеции с отношением сторон 1:2.
Вставка 4 выполнена в виде фольги толщиной от 5 до 20 мкм.
Вставка 4 выполнена из материала высокотемпературной группы: молибдена, тантала, вольфрама.
Поверхности меньшего основания гофров 5 вставки 4 установлены с касанием боковой поверхности таблеток 2 из делящегося материала 2 или внутренней поверхности оболочки 1.
Поверхности меньшего и большего основания гофров 5 вставки 4 установлены с упором в соответствующие наружные поверхности таблеток 2 из делящегося материала и внутренней поверхности оболочки 1,
Высота гофров 5 вставки 4 соответствует суммарной высоте таблеток 2 из делящегося материала.
Высота гофров 5 вставки 4 соответствует суммарной высоте таблеток 2 из делящегося материала и высоте компенсационного объема.
Такое выполнение тепловыделяющего элемента позволяет повысить надежность его работы.
Пример конкретного выполнения тепловыделяющего элемента.
Оболочка 1 выполнена из стали ЭП-823 в виде трубки длиной 850 мм, наружным диаметром 12,0 мм и толщиной стенки 0,4 мм и заполнена таблетками 2 из делящегося материала диаметром 10,9 мм и высотой 10-12 мм, например, оксида урана, образуя сердечник в 700 мм и компенсационный объем. В кольцевом зазоре между наружной поверхностью таблеток 2 из делящегося материала и внутренней поверхностью оболочки 1 установлена полоса фольги толщиной 20 мкм с шестью продольными гофрами 5 вставки 4 в виде равносторонней трапеции с шириной оснований 1 и 2 мм и высотой гофра 0,2 мм из молибдена.
В процессе эксплуатации реактора фольга обеспечивает дистанционирование таблеток 2 из делящегося материала от внутренней стенки тепловыделяющего элемента, защищает оболочку 1 от прямого контакта с осколками деления, служит буфером, снижая механическую нагрузку на оболочку 1 со стороны таблеток 2 из делящегося материала.