Твэл энергетического ядерного реактора

 

Сущность изобретения: твэл содержит таблеточный топливный сердечник в герметичной оболочке из сплава циркония. Концевые заглушки также выполнены из сплава циркония, причем одна из заглушек через шейку-геттер контактирует с топливом. Длина шейки выбрана в пределах от двух до шести толщин стенки оболочки твэла, а отношение площади поперечного сечения шейки S_ш к площади поперечного сечения головки S_г выбрано в пределах 1/7≅ S_ш/S_г≅ 1/2. Длина головки-геттера l_г определена из соотношения l_г/l_тс≥ 0,001·(A/3,5-1), где А максимально допускаемое по условиям изготовления содержание влаги в таблетках топлива в пределах 3,5 ppm≅ A≅ 7,0 ppm; l_тс длина топливного столба твэла. Для исключения диффузии водорода из головки в шейку и заглушку возможно выполнение шейки из обрезка трубы из нержавеющей стали. 3 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, более конкретно к конструкции твэлов промышленных ядерных реакторов, оболочки которых выполняют из сплавов циркония, например, твэлов типов РБМК, ВВЭР, АСТ и др.

Известны конструкции твэлов с оболочками из сплавов Zr, в которых допускают контакт топлива с нижней заглушкой, выполняемой (так же, так и верхняя заглушка) из того же сплава циркония, что и оболочка твэла, а также с пружинным, выполняемым из сплава Zr, (но другого состава), фиксатором, установленным в компенсационном объеме твэла [1] Недостаток таких твэлов (штатная конструкция твэлов зарубежных и отечественных реакторов типов РБМК и ВВЭР) заключается в том, что в контакте заглушки и фиксатора с топливом, вследствие повышения температуры соприкасающихся с последним деталей выше температуры трубы-оболочки твэла наблюдаются случаи объемного локального (типа "sunburst") гидрирования заглушки и фиксатора. Гидрирование заглушки и последующая диффузия водорода в близко расположенную зону сопряжения заглушки с оболочкой приводит к гидрированию и охрупчиванию последней и заканчивается, как правило, таким "тяжелым" видом разрушения твэла, как отрыв заглушки от оболочки по оболочке рядом с зоной сопряжения этих деталей.

Гидрирование пружины фиксатора способствует охрупчиванию и поломке части его витков, что особенно вредно для твэлов нижней половины симметричной двухъярусной ТВС (тепловыделяющей сборки) реакторов РБМК-1000 и РБМК-1500. Это приводит к опусканию в этих твэлах топливного столба (последний в нижней половине ТВС опирается на пружину фиксатора) и увеличению разрыва топлива в центральной части активной зоны реактора. В свою очередь увеличение разрыва топлива приводит к повышению всплеска энерговыделения в указанной зоне и, как следствие, к повышению перегрева оболочек концов твэлов в центральной части активной зоны, что, в конечном счете, активизирует процессы гидрирования оболочек в этой, наиболее наряженной зоне реактора.

Эти недостатки конструкции твэлов приводят к снижению надежности их работы в реакторах типа РБМК, ухудшают экологию, наносят существенный экономический ущерб.

Аналогом предлагаемого решения является твэл, описанный в работе Пикмана [2] в котором между столбом топлива и нижней заглушкой твэла и между столбом топлива и пружинным фиксатором в верхней части того же твэла введены тепловые сопротивления в виде 2 спеченных из Al₂O₃ или ZrO₂ таблеток.

Указанные тепловые сопротивления исключают перегревы, а следовательно, и локальное гидрирование нижней заглушки и фиксатора и сопровождающие их разрушения. (Случаев отрыва заглушки со стороны компенсационного объема твэлов за все время эксплуатации твэлов ни разу не наблюдалось. По-видимому, это обусловлено отсутствием контакта, с этой стороны твэлов, топлива с заглушкой, т.е. большим тепловым сопротивлением газового промежутка между топливом и заглушкой в этом месте) Недостатки аналога заключаются в следующем.

1. Исключение гидрирования нижней заглушки при наличии водорода под оболочкой твэла (главным образом из влаги, адсорбирующейся на таблетках топлива, что с меньшей или большей степени практически всегда имеет место) не исключает водород под оболочкой твэла. Следовательно, потенциально повышается опасность гидрирования и разрушения трубы-оболочки твэла в других местах (в первую очередь в зонах, где будут иметь место локальные перегревы, например, в местах, где имеется толстая окисная пленка снаружи оболочки, или в местах вскипания теплоносителя).

2. Введение в штатные твэлы теплоизоляторов усложняет и удорожает их производство, так как требует разработки новой технологии и оборудования для прессования и спекания керамических таблеток, введения их в твэлы, контроля наличия их в твэлах и т.п.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому решению является твэл [3] в котором одна из заглушек, через шейку, выполняющую роль теплового сопротивления, и головку, выполняющую роль геттера на водород и имеющую диаметр, меньший внутреннего диаметра оболочки, контактирует с топливом. При этом головка, шейка и тело заглушки выполнены как одно целое, отношение площадей поперечного сечения шейки и головки рекомендовано как 1: 16, а заглушка со стороны компенсационного объема твэла выполнена аналогичной заглушке со стороны контакта ее с топливом.

Недостатки прототипа заключаются в следующем.

1. Рекомендованное отношение площадей поперечного сечения шейки и головки 1: 16 практически соответствует соотношению тепловых сопротивлений, если бы вместо шейки был использован теплоизолятор, например из Al₂O₃, диаметром, равным диаметру головки-геттера.

Такое большое значение теплового сопротивления шейки практически исключает теплоотвод от головки-геттера, обусловливает нагрев последней до температур, превышающих 750-800^оС, что вызывает разложение гидрида циркония и выделение из него водорода обратно во внутритвэльную атмосферу. Последнее снижает эффективность работы головки-геттера по поглощению водорода, приближая такой вариант конструкции к аналогу и его основному недостатку.

2. Не указано в каких пределах для достижения основной цели изобретения следует выбирать длину шейки теплового сопротивления.

3. Существенным фактором, определяющим надежность работы головки-геттера, является объем металла этой головки, который должен быть связан с максимально возможным содержанием водорода под оболочкой твэла. Данные по определению высоты головки-геттера, и следовательно, ее объема в прототипе также отсутствуют.

4. Заглушка со стороны компенсационного объема твэла в прототипе выполнена аналогичной заглушке со стороны контакта ее с топливом.

Делать это бесполезно, так как водород будет поглощаться головкой только при условии нагрева ее до температур, примерно вдвое превышающих температуру внутренней поверхности оболочки твэла.

Цель изобретения заключается в устранении перечисленных недостатков прототипа, в повышении надежности твэла за счет повышения эффективности работы головки-геттера, а также в упрощении его конструкции и технологии изготовления.

Цель достигается тем, что в известном твэле энергетического ядерного реактора, содержащем заполненную керамическими таблетками топлива оболочку из сплава циркония, загерметизированную с обеих сторон с помощью выполненных из сплава циркония заглушек, одна из которых через шейку, выполняющую роль теплового сопротивления и головку-геттер с диаметром, меньшим внутреннего диаметра оболочки, контактирует с топливом, длина шейки выбрана в пределах от двух до шести толщин стенки оболочки твэла, а отношение площади поперечного сечения шейки S_ш к площади поперечного сечения головки S_г выбрана в пределах: ≅ ≅ при этом длина головки-геттера l_г определена из соотношения ≥ -1, где А максимально допускаемое по условиям изготовления содержание влаги в таблетках топлива в пределах 3,5ppm ≅ A≅ 7,0 ppm; l_тс длина топливного столба твэла.

Для упрощения технологии введения в твэл резонансного поглотителя нейтронов, что очень важно для двухъярусных твэльных сборок (реакторов типа РБМК), так как позволяет погасить всплеск энерговыделения в наиболее напряженной части активной зоны реактора месте разрыва топлива в центре активной зоны, на шейку заглушки твэла может быть помещено разрезанное с одной стороны и обжатое по этой шейке кольцо, выполненное из проволоки металлического гафния, с наружным диаметром, не превышающим диаметр диска головки.

Для обеспечения реализации преимуществ предлагаемого твэла на оболочках, диаметр которых не превышает 8 мм, что делает сплошную шейку недостаточно прочной, головка с шейкой может быть выполнена отдельно от заглушки.

В этом случае она выполняется в виде диска с центральным отверстием и шлицами со стороны топлива, с шейкой трубчатой частью с противоположной стороны диска головки (отверстие и шлицы в диске головки необходимы для сообщения полости шейки с атмосферой твэла).

При этом в торцовой части рабочего диска заглушки со стороны топлива выполняется цилиндрическое углубление диаметром, меньшим наружного диаметра шейки (трубчатой ее части) на величину посадки с натягом. В это углубление рабочего диска заглушки трубчатой частью шейкой запрессовывается головка-геттер.

Такая конструкция удобна для введения в заглушку в трубчатую ее часть например, геттера на иод, что необходимо для предотвращения КРН (коррозионного растрескивания под напряжениями растяжения) в среде, содержащей иод, который является продуктом радиоактивного распада топлива.

Кроме того, для практического исключения возможности диффузии водорода из головки через шейку и рабочий диск заглушки в оболочку шейка может быть выполнена отдельно от головки из отрезка трубы из материала, с которым водород не взаимодействует, например, из нержавеющей стали, запрессованного по посадке с натягом в соответствующее цилиндрическое углубление в торцевой части диска головки.

Изобретение поясняется фиг.1-5.

Предлагаемый твэл изображен на фиг.1. Он состоит из заполненной топливом 1 оболочки 2 из сплава циркония, загерметизированной с обеих сторон с помощью заглушек 3 и 4, каждая из которых имеет тепловое сопротивление между столбом топлива и торцем заглушки, с фиксатором 5 в компенсационном объеме. Заглушка 4 выполнена из сплава циркония. Она может выполняться также из сплавов на основе других металлов, являющихся аналогами циркония по физико-химическим свойствам, например, титана. На торце заглушки 4, за одно целое с ней, выполнен цилиндрический выступ, состоящий из шейки 6, выполняющей функцию теплового сопротивления и сопротивления диффузии водорода, и головки 7, выполняющей функцию геттера для поглощения водорода в процессе эксплуатации твэла, т.е. после разогрева столба топлива.

На фиг.2, а приведен вариант, в котором на шейку 6 помещено разрезанное с одной стороны и обжатое по этой шейке кольцо 9, выполненное из проволоки металлического гафния (резонансного поглотителя нейтронов). Наружный диаметр такого кольца не должен превышать диаметр диска головки. Кольцо должно быть установлено с зазорами порядка 0,3-0,4 мм, препятствующими возможной диффузии водорода.

На фиг.2,б представлен вариант нижнего конца твэла с головкой 7 и шейкой 6, выполненными отдельно от заглушки 4. В этом случае сечение шейки выбрано таким же, как и в основном варианте (фиг.1). Но сама шейка выполнена в виде трубчатой части с наружным диаметром, соответствующим диаметру по посадке с натягом цилиндрического углубления в рабочем диске заглушки. При этом толщина стенки трубчатой части шейки выбирается так, чтобы она осаживалась по диаметру при запрессовке в цилиндрическое углубление рабочего диска заглушки 4. Практически толщина стенки шейки в этом случае выбирается равной 0,3-1 от δ оболочки (меньшая величина соответствуют большей δ оболочки и большая меньшей δ оболочки), т.е. в пределах 0,3-0,4 мм. Для сообщения полости трубчатой части шейки с атмосферой твэла в головке выполняется центральное отверстие (диаметром 2-2,5 мм), а на торце ее, контактирующем с топливом, могут выполняться шлицы-проpези, соединяющиеся с центральным отверстием в головке.

Такая геометрия шейки предпочтительна для твэлов с оболочками, наружный диаметр которых не превышает 8 мм. Однако она может использоваться и для твэлов РБМК-1000 и РБМК-1500, так как позволяет простым способом ввести в зону разрыва топлива двухъярусной ТВС поглотитель нейтронов 10, например, металлический Нf или геттер для поглощения иода.

На фиг. 2, в показан вариант нижнего конца твэла, в котором шейка выполнена отдельно и от головки и от заглушки, виде отрезка трубы 6 из материала, практически нереагирующего с водородом и не пропускающего его, например, из нержавеющей стали.

Этот вариант предложен для исключения даже принципиальной возможности диффузии водорода из головки в зону сопряжения оболочки и заглушки, а следовательно, и исключения в принципе охрупчивания и разрушения этой зоны.

В этом случае выбор толщины стенки отрезка трубы из нержавеющей стали осуществляется аналогично выбору толщины стенки трубчатой части шейки соответственно (фиг.2,б, и цилиндрические углубления в торцах заглушки и головки выполняют диаметром, меньшим наружного диаметра отрезка трубы-шейки на величину посадки с натягом.

Такой выбор толщины стенки трубы-шейки и посадочных размеров сопрягаемых деталей обеспечивает осадку по диаметру концов трубы-шейки при запрессовке ее в заглушку и головку и позволяет простым способом прочно и надежно соединить эти детали в единое целое.

Разумеется, внутрь трубы-шейки 6 при необходимости простейшим способом могут быть помещены различные поглотители 10, например, нейтронов или иода. Геометрия головки 7 заглушки 4 выбиралась исходя из следующего.

Диаметр диска головки D_г выбран равным D_г= d-(0,5-2) δ, где d внутренний диаметр оболочки твэла; δ толщина стенки оболочки твэла, исходя из того, что, с одной стороны, между головкой и оболочкой должен существовать зазор, исключающий возможность диффузии водорода напрямую из головки в оболочку, с другой стороны, этот зазор должен быть достаточным, чтобы не затруднять сборку и сварку оболочки твэла с заглушкой. И, наконец, последнее этот зазор не должен значительно уменьшать объем головки, иначе это потребует увеличения ее высоты и, следовательно, для ТВС типа РБМК увеличения разрыва топлива, что недопустимо. Нижняя граница предела (0,5-2) δ выбрана преимущественно для оболочек твэлов с толщиной стенки δ порядка 1 мм, а верхняя для оболочек, у которых δ 0,4 мм.

Длину (высоту) головки l_г определяли пользуясь соотношением ≥ -1.

Это соотношение получено на основании следующих соображений.

Объем металла головки (минимальный должен быть пропорционален максимальному количеству водорода, которое может содержаться под оболочкой твэла.

Максимальное количество водорода в твэле пропорционально массе топлива и максимальному содержанию в нем влаги, разложение которой и дает водород.

Первое из этих условий определено следующим образом.

При одном и том же содержании влаги во всех таблетках топлива количество водорода в твэле пропорционально длине топливного столба.

Это количество водорода должно быть поглощено либо объемом циркония головки V_г, либо, если заглушка выполнена без шейки и головки, частью металла заглушки и частью металла оболочки. Последнее видно из фиг.3, на которой показан конец твэла РБМК, разгерметизировавшийся вследствие гидрирования зоны сопряжения заглушки с оболочкой в процессе эксплуатации (для твэлов РБМК максимальное содержание влаги в топливе 7ppm, длина топливного столба l_тс= 3420 мм). Из фиг.3 видно, что объем прогидрировавшего металла V_Zr равен (с учетом коэффициента неравномерности лучеобразного распространения гидрида в цирконии 1,25 г и коэффициента запаса по объему циркония 2) объему кольца металла с наружным диаметром d+2δ, толщиной стенки 2 δ и высотой 4 δ, т.е.

V_Zr ≥ 10 π d δ².

Следовательно, такой минимальный объем V_Zr должна иметь головка для поглощения максимального количества водорода под оболочкой твэла, т.е.

V_г ≥ 10 π d δ².

Если головка заглушки имеет диаметр D_г, равный диаметру таблетки топлива D_т и равный внутреннему диаметру оболочки твэла d, то в пеpвом приближении можно принять, поскольку эти величины различаются на практике незначительно, то длина (высота) головки l_г будет равна l_г= , а отношение объема головки V_г к объему топливного столба V_тс будет равно отношению длины головки l_г к длине топливного столба l_тс, т.е.

Учитывая последние соотношения, найдем численное значение применительно к твэлам РБМК-1000 (d=11,7 мм; D D_г=11,5 мм; δ1мм; l_тс=3420 мм):

Очевидно, что это соотношение будет справедливо для всех твэлов, имеющих 7ppm влаги в топливе и одинаковую плотность таблеток топлива (при D_г D_т).

Учитывая, что по причине гидрирования оболочки в среднем выходят из строя 2-3 твэла из 1000, и что влага в топливе колеблется от 0 до 7ppm (т.е. в одном твэле могут иметься таблетки топлива с влагой и 0ppm и 7ppm), практикой установлено, что примерно до 3,5ppm водород не влияет на разрушения, точнее не дает их (997 твэлов выдерживают кампанию без разрушений оболочки, а 2-3 твэла из 1000, у которых все, или почти все таблетки топлива имеют 7ppm влаги разрушаются).

Полагая, что зависимость числа разрушений от содержания влаги в топливе в первом приближении, достаточном для практики, является линейной, в отношение для твэлов с содержанием влаги в топливе отличном от 7ppm, но превышающим 3,5ppm, должен быть добавлен коэффициент К, равный
K 1.

Таким образом, окончательно получим
≥ 1, где А допустимое содержание влаги в топливе, превышающее 3,5ppm.

Геометрия шейки 6 заглушки 4 определялась следующим образом.

Тепловое сопротивление шейки R_ш должно быть достаточно большим, чтобы оно препятствовало нагреву ниже расположенного рабочего диска заглушки (привариваемого к оболочке) до температур, больших температуры внутренней поверхности оболочки более чем на 30-50^оС, чем практически исключается поглощение водорода рабочим диском заглушки из свободного объема твэла, большее поглощения водорода оболочкой.

С другой стороны, R_ш не должно быть чрезмерно большим, иначе, если в контакте головки с топливом и, тем более, на самой головке температура будет превышать 700^оС, водород, поглощенный головкой с образованием в последней гидридов, будет частично выделяться из гидридов обратно во внутритвэльную атмосферу, т.е. головка как геттер будет работать плохо.

Поэтому нижняя граница отношения площади поперечноно сечения шейки S_ш к площади поперечного сечения головки S_г т.е. , из которого определяется диаметр шейки Dш и соответственно R_ш, была определена расчетом (на ЭВМ по специально разработанной программе, методом конечных элементов, применительно к условиям эксплуатации твэлов РБМК) с условием, что температура в контакте топлива с головкой не должна превышать 700^оС.

Расчеты (применительно к твэлам РБМК) показали (при диаметре головки D_г= 10 мм и длине шейки l_ш=l_г=4,0 мм), что этому условию удовлетворяет неравенство
D_ш≥ 3,8 мм, т.е. ≥
При этом учитывалось, что при эксплуатации, вследствие различных температур по оси (до 1500^о) и на периферии (до 650^оС) таблеток топлива, и следовательно, различных термических расширений этих зон, а также вследствие возможных деформаций размягченной сердцевины таблеток топлива при термомеханическом взаимодействии топлива с оболочкой (храповой эффект) возможна выборка зазора в лунке таблетки топлива. Т.е. расчет вели, считая, что головка имеет контакта с таблеткой по всей поверхности ее торца, а не только по наружному кольцу.

(Если считать, что головка имеет контакт с таблеткой топлива только по кольцу наружного диаметра последней, т.е. в зоне, где даже при отсутствии контакта с головкой температура на цилиндрической поверхности таблетки топлива за счет радиального теплоотвода в теплоноситель не поднимается выше 650^оС, то, как показывают расчеты R_ш может быть принято равным R_и тепловому сопротивлению изолятора из ZrO₂.

В этом случае
R_ш= · R_и= λ_Zr= 0,2; = 0,012.

Полагая: R_ш= R_и; l_ш=l_и и D_и=D_т, где l_и; D_и; S_и длина, диаметр, площадь поперечного сечения (соответственно) таблетки изолятора;
l_ш; D_ш; S_ш длина, диаметр, площадь поперечного сечения шейки заглушки;
D_т диаметр таблетки топлива;
λ коэффициент теплопроводности Zr и ZrO₂, находим

Для твэлов РБМК с оболочками размером 13,6х11,7 мм, полагая D_и=D_т=11,5 мм и учитывая, что
находим
D_ш=2,8 мм.

Если с таким R_ш учесть, что контакт топлива с головкой возможен по всему торцу головки, то это вызовет повышение температуры контакта, как показывают расчеты в среднем до 800^оС, что как указывалось недопустимо, поскольку ухудшает работу головки как геттера. В этом случае на торце головки может быть выполнено углубление, исключающее контакт топлива по всему торцу головки.

Кроме того, D_ш=2,8 мм (при D_г=11,5 мм или D_ш=2,5 мм при D_г=10 мм) недостаточен для противодействия осевому изгибу и сплющиванию под действием возможных осевых усилий сжатия топливного столба.

Верхний предел отношения (или нижний предел R_ш), учитывая сложность и неточность его определения рассчетным путем, обусловленную, главным образом, необходимостью определения границ гидрирования, имеющих лучеобразный характер, различный в разных плоскостях сечений, определялся в реакторном эксперименте на шлифах концов твэлов полномерной опытной сборки РБМК-1000. Один из этих твэлов разгерметизировался (продольная трещина в оболочке), по-видимому вследствие распухания топлива и увеличения диаметра оболочки (до 14,5 мм).

Фотография продольного шлифа нижнего герметизирующего соединения негерметичного твэла представлена на фиг.4, б.

На фиг. 4,а показан продольный разрез заглушки в виде "рюмочки" с центральным "стержнем" и "ножкой", использовавшейся для герметизации этих твэлов (при их испытаниях одновременно решался и ряд других вопросов).

Из фиг. 4, б видно, что гидрированию и разpушению подверглись только стенки "рюмочки" и центральный стержень в ней, а до "ножки рюмочки" водород практически только начал доходить. Внутренний же грат сварного шва и зоны сопряжения оболочки с заглушкой от водорода свободны. Таким образом, в данном случае головка в форме "рюмочки" сыграла роль геттера и защитила от наводороживания внутренний грат сварного шва и зону сопряжения оболочки с заглушкой, несмотря на то, что количество водорода в этом разгерметизировавшемся твэле, вероятнее всего из теплоносителя-пара, было достаточно большим.

Не подлежит сомнению, что, если бы топливо находилось в контакте с внутренним гратом (фиг.3), то гидрирование последнего и зоны сопряжения с оболочкой произошло бы, и тогда испытание закончилось бы отрывом заглушки по оболочке.

При этом за достаточно большое время от разгерметизации, т.е. когда появился водород, до остановки испытания водород не достиг "собственно" заглушки, что позволяет утверждать, что этого не произойдет и за всю кампанию, хотя в принципе, при значительно больших временах кампании, за счет диффузии водород все же может достичь заглушку и оболочку.

Для предотвращения разрушения при существенно больших длительностях кампании эксплуатации следует использовать решение, практически полностью исключающее диффузию водорода и головки в шейку, заглушку и оболочку.

Из фиг.4, б (фотография выполнена при увеличении х 7) с помощью масштабных измерений найдено, что отношение Это соответствует что и принято за верхнюю границу этого отношения.

Следует отметить, что идентичность уравнений теплопроводности и диффузии позволяет рассматривать шейку не только как тепловое сопротивление, но и как диффузионное сопротивление, т. е. как барьер для диффузии, в данном случае водорода из головки в рабочий диск заглушки, привариваемый к оболочке, что способствует концентрации водорода в головке и препятствует гидрированию и охрупчиванию оболочки в зоне, примыкающей к заглушке.

Таким образом, для выполнения поставленной задачи соотношение должно находиться в пределах
≅ ≅
Если < то R_ш будет достаточно велико для исключения перегрева и гидрирования рабочего диска заглушки и примыкающей к ней части оболочки, но в этом случае возможен перегрев головки и выход вследствие этого водорода из гидрида головки, что недопустимо.

Если > , то температура головки будет ниже 700^оС и разложение гидрида головки будет исключено, но R_ш будет недостаточно, температура рабочего диска заглушки возрастет выше температуры оболочки и поглощение водорода этой зоной может пойти параллельно с поглощением водорода головкой, что также недопустимо.

Для шейки l_ш принята равной
l_ш=(2-b) δ,
исходя из того, что диск головки гарантированно не должен соприкасаться с внутренним гратом сварного шва, а шейка должна иметь достаточное тепловое и "диффузионное" сопротивление. Вместе с тем шейка должна быть достаточно прочной и устойчивой к осевому изгибу под действием возможных осевых усилий столба топлива и высота ее не должна приводить к существенному увеличению разрыва топлива в ТВС РБМК.

При этом меньшая величина выбранного предела (2-6) относится преимущественно к оболочкам с большей δ, а большая к оболочкам с меньшей δ.

Предлагаемый твэл работает следующим образом.

После заполнения активной зоны кассетами с твэлами и пуска реактора (или перегрузки твэлов "на ходу" в реакторах РБМК) происходит разогрев таблеток топлива, при этом контакт топлива с головкой нижней заглушки достигает температуры 450-600^оС, в то время как внутренняя поверхность оболочки по всей ее длине, включая зону сопряжения ее с заглушками разогревается только до 330-350^оС.

В результате весь водород, имеющийся под оболочкой твэла и выделяющийся в процессе эксплуатации, например, при разложении влаги топлива, растрескивании таблеток и т.п. поглощается головкой заглушки и предохраняет оболочку от гидрирования и разрушения. Одновременно тепловое сопротивление шейки, исключая перегрев заглушки относительно оболочки, устраняет возможность поглощения водорода заглушкой и примыкающей к ней частью оболочки из внутритвэльной атмосферы, а "диффузионное" сопротивление шейки, являясь барьером для диффузии водорода из головки-геттера, предохраняет рабочий диск заглушки от проникновения в него водорода из головки за счет диффузии.

Кроме того, кольцо Нf, снижая всплеск нейтронов в зоне разрыва топлива, понижает перегрев в этой зоне, повышая безопасность и управляемость реактора.

Если же используется геттер на иод, резко снижается возможность развития процессов коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) в среде, содержащей этот элемент, что предохраняет оболочку твэла от разрушений в процессе эксплуатации.

Предложенное техническое решение позволяет, за счет использования геттерных свойств сплавов Zr по отношению к водороду и расположения диска головки, выполняющего роль геттера, в зоне, где температура ее на (100-200)^оС выше температуры оболочки твэла, совместно с отделением головки-геттера от заглушки тепловым сопротивлением в виде шейки с уменьшенным (по сравнению с диском головки) сечением, существенно уменьшить содержание свободного водорода в свободном объеме твэла и тем самым предохранить от охрупчивания и разрушения не только зону сопряжения оболочки и заглушки, как это обеспечивается прототипом, но и оболочку по всей ее длине, а также пружинный фиксатор.

Кроме того, предложенное техническое решение упрощает конструкцию и технологию изготовления твэлов и позволяет практически без увеличения длины зоны разрыва топлива в реакторах типа РБМК ввести в эту, наиболее энергонапряженную зону реактора резонансный поглотитель нейтронов, что помимо снижения температуpы в ней и соответствующего снижения возможности возникновения процессов локального гидрирования оболочек твэлов в этой зоне, повышает управляемость реактора и его безопасность.

Указанное техническое решение не требует организации новых производств, например, теплоизоляторов и геттеров, а также изменений в технологии изготовления твэлов, включая их герметизацию. Для его реализации нужно только изменить программу обработки резанием токарных автоматов, на которых изготовляются заглушки, и несколько изменить путепровод подачи заглушек в зону сварки на сварочных автоматах в линиях автоматизированного производства твэлов.

Заявленные соотношения размеров диска головки и шейки на торце нижней заглушки обеспечивают величину теплового сопротивления между столбом топлива и заглушкой, необходимую для нагрева головки-геттера в требующемся интервале температур, что обеспечивает возможность эффективного использования геттерных свойств циркониевой головки в контакте с топливом, а тем самым достижение основной цели изобретения уменьшения содержания водорода в свободном объеме твэла в процессе эксплуатации, и следовательно, предупреждение гидрирования оболочки на всей ее длине. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые признаки изобретения связаны между собой единым замыслом. Эти отличия от прототипа позволяют установить соответствие их критерию "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа, выявлены не были. Поэтому они обеспечивают предлагаемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Эффективность предлагаемого решения подтверждается следующим:
1. В обнаруженных случаях разрушения зоны сопряжения оболочки и заглушки на твэлах типа РБМК, вследствие гидрирования и охрупчивания этих зон (фиг. 3), установлено, что причины разрушений наличие водорода под оболочкой отдельных твэлов и перегрев заглушки в контакте ее с топливом. Иначе говоря, при наличии водорода под оболочкой, место контакта заглушки, место перегрева заглушки относительно оболочки является геттером, поглощающим водород в первую очередь.

2. То, что место контакта заглушки с топливом поглощает водород в первую очередь, доказано экспериментально на лабораторной установке моделирования поведения конца твэла в процессе эксплуатации при гидрировании цельноточеных образцов, имитирующих сварной узел. Результаты этих экспериментов, при которых имитировались эксплуатационные градиенты температур и количество водорода, соответствующее разложению влаги топлива 7ppm в каждой таблетке, иллюстрируются фиг.5а, б.

3. Отмечен рост поглощения водорода с повышением температуры циркониевого образца и парциального давления водорода. В работе приведен соответствующий график, из которого видно, что по сравнению с температурой 350^оС (температура оболочки в процессе эксплуатации) при температуре порядка 450-500^оС (температура торца заглушки в процессе эксплуатации) способность циркония поглощать водород возрастает примерно на порядок.

4. Прямое подтверждение эффективности предлагаемого решения было получено в реакторном эксперименте на опытном реакторе при испытаниях опытной сборки твэлов типа РБМК. Один из твэлов этой сборки разгерметизировался (продольная трещина в оболочке), по-видимому вследствие распухания топлива и увеличения диаметра оболочки (до 14,5 мм).

Фотография продольного шлифа нижнего герметизирующего соединения негерметичного твэла представлена на фиг.4, б.

Не подлежит сомнению, что, если бы топливо находилось в контакте с внутренним гратом, то гидрирование последнего и зоны сопряжения с оболочкой произошло бы, и тогда испытание закончилось бы отрывом заглушки по оболочке (аналогично фиг.3).

Экономическая эффективность предложения очевидна, так как недоработка только одной кассетой РБМК половины кампании по электроэнергии приносит большой убыток.

Формула изобретения

1. ТВЭЛ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащий заполненную керамическими таблетками топлива оболочку из сплава циркония, загерметизированную с обеих сторон с помощью выполненных из сплава циркония заглушек, одна из которых через шейку и головку-геттер с диаметром, меньшим внутреннего диаметра оболочки, контактирует с топливом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности твэла за счет повышения эффективности работы головки-геттера, длина шейки выбрана в пределах от двух до шести толщин стенки оболочки твела, а отношение площади поперечного сечения шейки S_ш к площади поперечного сечения головки S_г выбрано в пределах

при этом длина головки-геттера l_г определена из соотношения

где A максимально допускаемое по условиям изготовления содержание влаги в таблетках топлива в пределах
3,5ррт ≅ А ≅ 7,0ррт;
l_тс длина топливного столба твэла.

2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения введения в него резонансного поглотителя нейтронов в двухъярусных тепловыделяющих сборках, на шейку заглушки твэла помещено разрезанное с одной стороны и обжатое по этой шейке кольцо, выполненное из проволоки металлического гафния.

3. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что головка с шейкой выполнена с центральным отверстием и отдельно от заглушки, а в торце последней со стороны топлива выполнено углубление диаметром, меньшим наружного диаметра шейки на величину посадки с натягом, при этом шейка запрессована в углубление заглушки.

4. Твэл по п.3, отличающийся тем, что, с целью исключения диффузии водорода из головки через шейку и заглушку в оболочку, шейка выполнена отдельно от головки из отрезка трубы из нержавеющей стали, запрессованного по посадке с натягом в соответствующее цилиндрическое углубление головки.