Тепловыделяющий элемент ядерного реактора

 

Сущность изобретения: наличие сплошных торцовых топливных таблеток с открытой пористостью со стороны каждой крышки общей высотой не менее толщины стенки кольцевых таблеток обеспечивает снижение локальной деформации оболочки. 1 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, и может быть использовано преимущественно в составе термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) встроенного типа.

Известен твэл многоэлементного ЭГК, включающий оболочку с размещенным в ней сердечником из кольцевых таблеток, торцовые крышки, по крайней мере в одной из которых выполнено центральное отверстие, пружинное устройство, например, в виде набора тарельчатых пружин, а также газоотводное устройство, размещенное в центральном канале сердечника и выполненное в виде закрепленной на торцовой крышке трубки из тугоплавкого конструкционного материала, например вольфрама, которая о стороны, обращенной к сердечнику, снабжена капиллярным наконечником. Необходимость использования в рассматриваемом случае газоотводного устройства вызвана тем, что в сердечнике из диоксида урана за малые в сравнении с ресурсом времена происходит образование изотермической полости, вызванное более резкими, чем в одноэлементном ЭГК продольными градиентами температуры. Последнее связано с тем, что каждый твэл многоэлементного ЭГК размещен на части длины активной зоны реактора, а его торцовые крышки через дистанционаторы с одной стороны твэла и коммутационную перемычку с другой соединены с относительно холодным коллекторным пакетом.

Однако в данной конструкции наблюдается повышенная локальная деформация оболочки в области торцовых крышек под действием распухания сплошных участков сердечника, которые образуются путем заполнения исходного центрального канала конденсатом диоксида урана в процессе формирования изотермической полости.

Газоотводное устройство чувствительно к распределению температуры в твэле и поэтому сложно в обработке, так как отклонения от прогнозируемого распределения температуры легко приводят к блокировке входного канала капиллярного наконечника конденсатом диоксида урана. Кроме того, оно ухудшает весогабаритные и нейтронно-физические характеристики твэла, а из-за высокого уровня температуры в центре твэла условие совместимости материала газоотводного устройства с топливом приводит к необходимости использования диоксида урана достехиометрического состава.

Задача изобретения создание тепловыделяющего элемента, устраняющего локальную деформацию в области торцовых крышек, и простого в изготовлении.

Для этого в тепловыделяющем элементе, включающем оболочку с размещенным в ней сердечником из кольцевых таблеток из диоксида урана и закрытую торцовыми крышками с центральным отверстием по крайней мере в одной из них, а также пружинное устройство, по меньшей мере одна таблетка со стороны каждой крышки выполнена сплошной с открытой пористостью, а общая высота сплошных таблеток со стороны каждой крышки выбрана не меньшей толщины стенки кольцевых таблеток. В предложенной конструкции твэла торцовые топливные таблетки выполнены сплошными, поэтому у торцев твэла отсутствует место для размещения вакуумно-плотного и прочного конденсата UO₂, который препятствует отводу ГПД из твэла и приводит к локальной деформации оболочки. Однако и в этом случае конденсат UO₂ может размещаться на торцовой поверхности сплошных таблеток со стороны центрального канала. Чтобы устранить возможность конденсации UO₂ на торец сплошных таблеток, их суммарная высота выбрана из условия, чтобы температура на торцовой поверхности была не ниже температуры поверхности канала. В этом случае UO₂ не конденсируется на торцовых таблетках, а это условие выполняется, когда суммарная высота торцовых таблеток с каждой стороны выбрана не менее толщины стенки кольцевых таблеток. Кроме того, выход ГПД через сплошные торцовые таблетки может осуществляться только при наличии открытой пористости (пористость имеет преимущественно открытый характер при уровне ≈10% и выше). Поскольку введение пористости приводит к снижению сопротивления ползучести UO₂, то требование обеспечения отвода ГПД в нашем случае приводит и к снижению локальной деформации оболочки.

Предложенная конструкция представлена на чертеже, где показаны кольцевые таблетки 1, сплошные таблетки 2, отверстие 3 в торцовой крышке, торцовые крышки 4, пружинное устройство 5 и оболочка 6.

Работа предложенной конструкции происходит следующим образом.

При выходе твэла на номинальный режим имеет место перераспределение диоксида урана за счет продольного массопереноса в центральном канале, образованном кольцевыми таблетками 1. Из-за расположения сплошных таблеток 2 по торцам сердечника у торцовых крышек 4 не образуются пробки из плотного по отношению к ГПД и прочного (с высоким сопротивлением ползучести) конденсата диоксида урана. Поскольку высота сплошной таблетки (таблеток) с каждой стороны сердечника равна или превышает толщину стенки кольцевых таблеток, максимальная температура сплошных таблеток оказывается не ниже максимальной температуры кольцевых таблеток. Таким образом, в исходном состоянии внутренняя поверхность таблеток, образующих сердечник, приближена к конечному состоянию после завершения массопереноса. В дальнейшем ГПД из внутренней полости твэла уходит через отверстие 3 в крышке, которое остается незаблокированным конденсатом диоксида урана из-за относительно низкой температуры в этой области и соответственно низких потоков диоксида урана. В предложенной конструкции отверстие в крышке непосредственно контактирует с таблеткой, поджатой к крышке пружинным устройством 5. Таким образом таблетка экранирует отверстие от потока массы диоксида урана из высокотемпературной области сердечника. При работе твэла оболочка 6 и крышки более эффективно перераспределяют распухающий диоксид урана сплошных таблеток в направлении центрального канала в сердечнике, так как диоксид урана этих таблеток с выбранным уровнем пористости имеет скорость ползучести по меньшей мере на 2 порядка более высокую, чем плотный диоксид со столбчатой структурой. Это приводит к снижению или полному устранению локальных деформаций оболочки в области крышек.

Для обоснования положительного решения поставленной задачи проведены расчетные исследования, которые показали следующее. В твэле с диаметром оболочки 20 мм и диаметром сердечника 17 мм при наличии центрального канала 8 мм требуемое условие (гарантированное отсутствие потока массы на сплошные таблетки) обеспечивается при высоте сплошных таблеток по 5 мм с каждой стороны сердечника: максимальная температура сплошной таблетки превышает температуру кольцевой таблетки на 50 К при плотности теплового потока с поверхности оболочки 35 Вт/см². При выбранных соотношениях размеров кольцевых и сплошных таблеток диоксид урана не конденсируется на сплошных таблетках, а, наоборот, может даже уходить с их внутренней поверхности. При температуре крышки 1800 К и диаметре отверстия в ней 1 мм поток диоксида урана составляет ≈0,1 г/г. Это соответствует объему конденсата 1 мм³ и, следовательно, не может привести к перекрытию отверстия даже в худшем предположении, что весь диоксид урана конденсируется непосредственно в самом отверстии. Расчетное значение деформации оболочки за ресурс 5 лет в области торцовой крышки от распухания диоксида урана составляет ≈1,5˙10^-10 мм. Предложенная конструкция твэла может быть реализована методами существующей технологии, а экспериментальная обработки твэла в петлевых каналах сопровождается и экономическим эффектом из-за уменьшения объема испытаний в связи с малой чувствительностью конструкции к отклонению режимов испытаний от штатных.

Формула изобретения

ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, включающий оболочку с размещенным в ней сердечником из кольцевых таблеток из диоксида урана и закрытую торцевыми крышками с центральным отверстием по крайней мере в одной из них, а также пружинное устройство, отличающийся тем, что по меньшей мере одна таблетка со стороны каждой крышки выполнена сплошной с открытой пористостью, при этом общая высота сплошных таблеток со стороны каждой крышки выбрана не меньшей толщины стенки кольцевых таблеток.

РИСУНКИ

Рисунок 1