Твэл для ядерного реактора

 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано для изготовления твэлов ядерных энергетических реакторов, в том числе для водо-водяных реакторов. Сущность изобретения: в оболочке твэла размещен топливный сердечник, состоящий из известной делящейся фазы - частиц сплавов на основе соединений U(A1, Si)3 или UA13 - в металлическом сплаве и фазы кремния кристаллического в количестве от 3 до 30% от объема активной части твэла. Фаза кремния кристаллического введена в твэл в виде частиц и/или в виде покрытия частиц делящейся фазы, и/или с металлическим сплавом на основе алюминия в виде отдельной фазы. Кроме частиц уран-алюминиевых сплавов и фазы кремния кристаллического топливный сердечник может содержать частицы разбавителя и/или выгорающего поглотителя. Металлургический контакт оболочки с топливным сердечником достигнут пропиткой пространства внутри оболочки, заполненного частицами компонентов топливного сердечника, сплавом на основе алюминия. 5 з. п. ф-лы, 21 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано для изготовления твэлов ядерных реакторов, в том числе для водо-водяных реакторов.

Известна конструкция твэла контейнерного типа для реакторов ВВЭР-1000 (А. С.Займовский, А.В.Никулина, Н.Г.Решетников. Циркониевые сплавы в атомной энергетике. М. Энергоиздат, 1981, с. 4-10), представляющая собой оболочку из циркониевого сплава с размещенными в ней таблетками из диоксида урана. Эти твэлы показывают хорошую работоспособность при накоплениях осколков деления до 0,3 г оск./см³ в топливной композиции и стационарном режиме работы.

Однако низкая теплопроводность топлива приводит к высокой температуре в центре твэла (до 2000^оС), что снижает надежность при аварийных ситуациях.

При разгерметизации оболочки твэла контейнерного типа сразу происходит контакт теплоносителя с большой площадью топлива.

Подобная конструкция твэла (контейнерного типа) не надежна для работы в режимах переменной мощности.

Более высокой радиационной стойкостью обладают твэлы дисперсионного типа, особенно те, в которых реализуется вязкая модель распухания топливного сердечника, когда деформация от него равномерно передается на оболочку. Жесткая или каркасная модель распухания топливного сердечника приводит к большему объемному изменению и увеличению растягивающих напряжений на оболочке твэла.

Известна конструкция твэлов для реактора АМ (первой атомной электростанции). Эти твэлы кольцевого типа общей длиной 1700 мм заполнены ядерным топливом крупкой уран-молибденового сплава с 9% молибдена, залитой магнием (Ш.Ш.Ибрагимов, Л.А.Сыщиков, И.М.Воронин, В.Г.Кудряшов. Исследование отработавших тепловыделяющих элементов Первой атомной электростанции, Атомная энергия, т.14, вып. 5, май 1963 г. с.465).

Благодаря особенностям конструкции (рабочий объем твэла плотно засыпан крупкой топлива) ядерное топливо занимает до 60% от активного объема и равномерно распределено по высоте твэла. Заливка засыпанного топлива магнием методом вакуумного всасывания расплава позволяет получить качественное металлургическое сцепление компонентов твэла.

Наличие жаропрочной и коррозионно-стойкой оболочки из нержавеющей стали позволяет твэлы данной конструкции эксплуатировать в водо-водяных реакторах высоких параметров.

Однако твэл с таким топливным сердечником имеет большой коэффициент распухания (30% на 1 г оск./см³). Это приводит к разгерметизации твэла с оболочкой из нержавеющей стали при низких накоплениях осколков деления (0,15-0,30 г оск. /см³) (А. Г.Самойлов, А.И.Каштанов, В.С.Волков. Дисперсионные твэлы, т.2, Конструкция и работоспособность М. Энергоиздат, 1982, с.37-39 и с. 158). Жесткий каркас в сердечнике из крупки ядерного топлива приводит к увеличению объема твэла и увеличению растягивающих напряжений в оболочке твэла.

Нержавеющая оболочка твэла и уран-молибденовое топливо имеют значительный паразитный захват тепловых нейтронов, ухудшая физические характеристики активной зоны.

Низкая коррозионная стойкость в воде топливного сердечника данного твэла снижает надежность твэла.

Близкими техническими решениями к заявляемому являются конструкции пластинчатых твэлов, применяемых для исследовательских реакторов MTR (США), FRM (ФРГ), LIDO (Великобритания), MELUSINE (Италия), TRITON и MINERVE (Франция), СAPHIR (Швейцария), IEAR (Бразилия) и др. [2] Конструкции этих твэлов представляют собой топливный сердечник из сплавов U-Al, U-Al-Si, U-Al-Ni с содержанием урана от 10 до 15 мас. в сплаве, который заключен в оболочку из алюминия или его сплавов [1] Структура сплавов представляет собой интерметаллическое соединение UAl₃ или U(Al, Si)₃ в алюминиевой матрице. Для получения структуры UAl₃, имеющей более высокие технологические характеристики, чем остальные интерметаллиды урана с алюминием (UAl₂, UAl₄), состав уран-алюминиевых сплавов стабилизируют кремнием в количестве до 3 мас. с образованием изоморфного с UAl₃ соединения U(Al, Si)₃ (Л.Н.Коновалов. Кристаллохимия соединений урана с алюминием и кремнием. М. ВНИИНМ, 1978, с.32-35).

Твэлы этих конструкций обладают высокой радиационной и коррозионной стойкостью и сравнительно низким радиационным распуханием (15% на 1 г оск. /см³).

Твэлы этих конструкций изготавливают методами прессования, прокатывания или выдавливания совместно сердечника из сплава U-Al и оболочки из алюминиевых сплавов.

Сплавы U-Al изготавливают в виде гранул или крупки, из которых формуются прессованием, прокатыванием или выдавливанием сердечники твэлов с равномерным распределением урана по объему (А.Г.Самойлов, А.И.Каштанов, В.С. Волков. Дисперсионные тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М. Атомиздат, 1969, с. 319-323). Затем для соединения топливного сердечника с оболочкой производят совместную горячую прокатку с промежуточными отжигами или горячее совместное выдавливание оболочки и топливного сердечника.

Тонкие пластинчатые твэлы имеют большую поверхность теплообмена, однако в работе они механически малоустойчивы и возможен выход их из строя вследствие термических, вибрационных и других воздействий.

В тепловыделяющей сборке с пластинчатыми твэлами происходит разделение теплоносителя на несколько несмешивающихся параллельных потоков. С одной стороны, это позволяет посредством соответствующего выбора шага пластин получить желательно в каждом конкретном случае распределение потоков теплоносителя по сечению тепловыделяющей сборки. С другой стороны, наличие паpаллельных несмешивающихся потоков теплоносителя усиливает влияние неточностей изготовления пластин или неточностей изготовления сборки на распределение теплоносителя, что может привести к значительным местным перегревам поверхностей твэла.

Наиболее близким к заявляемому является конструкция пластинчатого твэла для исследовательского реактора MINERVE (Франция) [2] Твэл представляет собой изогнутую пластину с размерами 625,5х76,1х1,78 мм. В качестве материала оболочки твэла используется алюминий. Топливный сердечник представляет собой сплав U-Al-Si с содержанием урана 45 мас. (что в пересчете составляет 33 об. делящейся фазы U(Al,Si)₃) при обогащении ²³⁵U 20% Для повышения технико-экономических характеристик активной зоны и снижения обогащения по ²³⁵U необходимо повышать объемное содержание делящейся фазы в топливном сердечнике твэла, однако применение в данной конструкции твэла топливного сердечника с большей объемной долей делящейся урановой фазы в сплавах (более 35 об.) невозможно при деформационном способе их получения, так как имеется большое количество хрупкого плохо деформируемого интерметаллического соединения типа UAl₃. Увеличение объемной доли этого соединения приводит к тому же и к некачественному сцеплению топливного сердечника с оболочкой и к снижению надежности твэла.

Конструкция данного твэла не позволяет эксплуатировать его в водо-водяных реакторах высоких параметров из-за ограниченной коррозионной и эрозионной стойкости материала оболочки этого твэла (алюминий), а применять более жаропрочные и коррозионно-стойкие материалы оболочек не позволяют особенности технологии его изготовления. По этой же причине оболочка этого твэла не может иметь конструктивно сложную форму.

Из-за неравномерности деформации топливного сердечника при изготовлении твэла он имеет неравномерность распределения делящейся фазы в объеме топливного сердечника.

Данная конструкция твэла является монолитной без средств компенсации распухания, что приводит к увеличению его размеров в процессе работы в реакторе.

Цель изобретения повышение надежности твэла и увеличение объемной доли делящейся фазы без уменьшения пластичности топливного сердечника при его металлургическом сцеплении с оболочкой.

Цель достигается тем, что в оболочке твэла размещен топливный сердечник, состоящий из делящейся фазы частиц сплава на основе известных соединений U(Al, Si)₃ или UAl₃ в металлическом сплаве и фазы кремния кристаллического в количестве от 3 до 30% от объема активной части твэла. Фаза кремния кристаллического введена в твэл в виде частиц и/или в виде покрытия частиц делящейся фазы, и/или с металлическим сплавом на основе алюминия в виде отдельной фазы.

Кроме частиц уран-алюминиевых сплавов и фазы кремния кристаллического топливный сердечник может содержать частицы разбавителя и/или выгорающего поглотителя. Металлургический контакт оболочки с топливным сердечником достигнут пропиткой пространства внутри оболочки, заполненного частицами компонентов топливного сердечника, сплавом на основе алюминия.

При изготовлении заявляемого твэла и при его работе в активной зоне ядерного реактора происходят следующие процессы. Соединение U(Al,Si)₃ или UAl₃ претерпевает существенные изменения. Кремний, введенный в топливный сердечник твэла, при пропитке сердечника и в дальнейшем под облучением постепенно диффундирует в соединения U(Al,Si)₃ или UAl₃, образуя интерметаллиды, более термодинамически стабильные и изоморфные с большим содержанием кремния вплоть до соединения USi₃. При этом атомы алюминия из соединения U(Al,Si)₃ или UAl₃, вытесняемые диффундирующими в него атомами кремния, образуют в этом соединении сетчатые слои из свободного алюминия. Образование таких слоев облегчается за счет близких параметров решеток UAl₃, Al и USi₃ (4,287x x10^-10 м, 4,05 ^.10^-10 м и 4,03^. 10^-10 м соответственно), особенно USi₃ и Al, что облегчает сопряжение решеток USi₃ и Al по плоскостям (200), (020), (002). Максимально за счет этого процесса можно получить по объему до 45% сетчатых слоев алюминия от объема, занятого UAl₃. При этом хрупкая крупка UAl₃ становится пластичной, разбивается каркасная структура топливного сердечника, что приводит к уменьшению распухания и снижению растягивающих напряжений в оболочке твэла.

Достижение поставленной цели при чисто конструктивном введении топливной фазы более 35% в топливный сердечник приводит к тому, что топливный сердечник становится хрупким и не реализуется вязкая модель распухания.

Одновременно с диффузией кремния в сплав на основе соединения UAl₃ или U(Al, Si)₃ происходит уменьшение объема исходных компонентов топливного сердечника за счет уменьшения на примерно 30% объема атома кремния с 20,02 ^.10^-30 м³ в исходной неплотно упакованной решетке кристаллического кремния до 14,5 ^.10^-30 м³ в плотно упакованной гранецентрированной кубической решетке соединения USi₃. Этот эффект позволяет частично компенсировать радиационное распухание топливного сердечника.

С целью регулирования в топливном сердечнике объемного содержания крупки ядерного топлива от 35 до 65% к ней добавляют крупку разбавителя со сходными физико-химическими свойствами (окись алюминия, алюминий-циркониевые сплавы и т.д.) или крупку выгорающих поглотителей.

На фиг.1 представлен предлагаемый твэл, где изображены: оболочка 1, топливный сердечник 2, заглушки 3; на фиг.2 сечение предлагаемого твэла цилиндрической формы, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃; сетчатые слои 5 алюминия, крупка 6 кремния кристаллического, сплав 7 на основе алюминия; фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия; на фиг.3 сечение предлагаемого твэла сложной формы, где изображены: оболочка 1 сложной формы, крупка 4 сплава на основе соединения UAl₃, сетчатые слои 5 алюминия, крупка 6 кремния кристаллического, сплав 7 на основе алюминия, фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия, крупка 9 разбавителя; на фиг. 4 сечение предлагаемого твэла цилиндрической формы, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃; сетчатые слои 5 алюминия; крупка 6 кремния кристаллического; сплав 7 на основе алюминия; фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия, крупка 10 выгорающего поглотителя; на фиг.5 то же, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы; крупка 4 сплава на основе соединения U)Al, Si)₃; сетчатые слои 5 алюминия; крупка 6 кремния кристаллического; сплав 7 на основе алюминия, фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг. 6 сечение предлагаемого твэла сложной формы, где изображены: оболочка 1 сложной формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃, сетчатые слои алюминия, крупка 6 кремния кристаллического; сплав 7 на основе алюминия; фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия, крупка 9 разбавителя, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U (Al, Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.7 сечение предлагаемого твэла сложной формы, где изображены: оболочка 1 сложной формы. Крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃; сетчатые слои 5 алюминия, крупка 6 кремния кристаллического; сплав 7 на основе алюминия; крупка 10 выгорающего поглотителя, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг. 8 сечение предлагаемого твэла кольцевой формы, где изображены: оболочка 1 кольцевой формы; крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃; сетчатые слои 5 алюминия, крупка 6 кремния кристаллического, сплав 7 на основе алюминия; на фиг.9 сечение предлагаемого твэла цилиндрической формы, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы; крупка 4 сплава на основе соединения UAl₃, сетчатые слои 5 алюминия, крупка 6 кремния кристаллического, сплав 7 на основе алюминия; крупка 9 разбавителя; на фиг.10 сечение предлагаемого твэла цилиндрической формы, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃; сетчатые слои 5 алюминия, крупка 6 кремния кристаллического; сплав 7 на основе алюминия; покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.11 сечение предлагаемого твэла цилиндрической формы, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃, сетчатые слои 5 алюминия, крупка 6 кремния кристаллического; сплав 7 на основе алюминия; крупка 9 разбавителя, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.12 то же, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы; крупка 4 на основе соединения U(Al,Si)₃; сетчатые слои 5 алюминия, крупка 6 кремния кристаллического, сплав 7 на основе алюминия, крупка 10 выгорающего поглотителя, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.13 то же, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы, крупка 4 сплава на основе соединения UAl₃, сетчатые слои 5 алюминия, сплав 7 на основе алюминия, фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия; на фиг. 14 сечение предлагаемого твэла кольцевой формы, где изображены: оболочки 1 кольцевой формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃, сетчатые слои 5 алюминия, сплав 7 на основе алюминия, фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия, крупка 9 разбавителя; на фиг.15 сечение предлагаемого твэла сложной формы, где изображены: оболочка 1 сложной формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃, сетчатые слои 5 алюминия, сплав 7 на основе алюминия, фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия, крупка 12 выгорающего поглотителя; на фиг.16 сечение предлагаемого твэла сложной формы, где изображены: оболочка 1 сложной формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃, сетчатые слои 5 алюминия, сплав 7 на основе алюминия, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.17 сечение предлагаемого твэла цилиндрической формы, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃, сетчатые слои 5 алюминия; сплав 7 на основе алюминия; крупка 9 разбавителя, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.18 сечение предлагаемого твэла сложной формы, где изображены: оболочка 1 сложной формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃, сетчатые слои 5 алюминия, сплав 7 на основе алюминия, крупка 13 выгорающего поглотителя, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.19 сечение предлагаемого твэла цилиндрической формы, где изображены: оболочка 1 цилиндрической формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃, сетчатые слои 5 алюминия, сплав 7 на основе алюминия, фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.20 сечение предлагаемого твэла сложной формы, где изображены: оболочка 1 сложной формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃; сетчатые слои 5 алюминия, сплав 7 на основе алюминия, фаза 8 кремния в сплаве на основе соединения U(Al,Si)₃ слоем кремния кристаллического; на фиг.21 то же, где изображены: оболочка 1 сложной формы, крупка 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃, сетчатые слои 5 алюминия, сплав 7 на основе алюминия, фаза 8 кремния в сплаве на основе алюминия, крупка 14 выгорающего поглотителя, покрытие 11 крупки сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ слоем кремния кристаллического.

П р и м е р 1. Твэл состоит (фиг.1) из оболочки 1, топливного сердечника 2 и концевых заглушек 3. В оболочке 1 из циркониевого сплава Э110 диаметром 9,15 мм (фиг.2) находится крупка сплава делящейся фазы на основе соединения U(Al, Si)₃ в количестве 47,9 об. (с расположенными в крупке сетчатыми слоями 5 алюминия в смеси с крупкой 6 кристаллического кремния. Объем крупки 6 кремния составляет 18% от объема активной части твэла. Пространство между оболочкой 1 и смесью крупок 4 и 6 заполнено сплавом 7 на основе алюминия. Объем фазы 8 кремния, введенной со сплавом на основе алюминия, составляет 4 об.

После операции пропитки хрупкая делящаяся фаза U(Al,Si)₃, образующая каркас из засыпанной крупки, частично становится пластичной за счет диффузии кремния и выделении в U(Al,Si)₃ слоев 5 избыточного алюминия. Для подтверждения факта уменьшения объема топливного сердечника при диффузии кремния твэл подвергали автоклавированию (имитировали нагрев твэлов в ядерном реакторе). Степень пластичности крупки U(Al, Si)₃ определяли на поперечных шлифах по наличию или отсутствию трещин в U(Al,Si)₃ от алмазной пирамиды микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 100 г (в исходном U(Al,Si)₃ трещины появляются уже при нагрузке в 50 г). Трещины в U(Al,Si)₃ на шлифах твэла по примеру 1 не обнаружены Уменьшение объема топливного сердечника определялось по разнице результатов гидростатических взвешиваний исходного твэла и твэла, прошедшего автоклавные испытания при повышенных параметрах (температура испытаний 600^оС, давление 10 МПа, время 5 ч). Уменьшение объема топливного сердечника в твэле по примеру 1 составило 6,6% Отличительные особенности оболочек твэлов.

Оболочки 1 из циркониевого сплава Э110 цилиндрической (фиг. 2,4,10,11,13,19) и сложной (фиг.3,7,21) формы с описанными диаметрами от 4,5 до 13,6 мм длиной от 250 до 2500 мм.

Оболочки 1 из нержавеющей стали типа Х18Н10Т кольцевой формы (фиг.8,14) и сложной (фиг.6,15) формы с описанными диаметрами от 3,6 до 58,8 мм, длиной от 250 до 2500 мм.

Оболочки 1 из титано-циркониевых сплавов цилиндрической (фиг.5,9,12,17) и сложной (фиг. 16,18,20) формы с описанными диаметрами от 4,5 до 9,15 мм, длиной от 250 до 2500 мм.

Отличительные особенности составляющих сердечника твэла.

Делящаяся фаза в виде крупки сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ фракционных составов от 0,05 до 3,0 мм в количестве от 35,3 до 61,1 об.

Фаза кремния: крупка 6 кремния кристаллического фракционных составов от 0,05 до 1,5 мм и/или покрытие 11 слоем кремния частиц сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ и/или кремний в виде отдельной фазы 8 в металлическом сплаве 7 на основе алюминия в количестве от 1,7 до 33,0 об.

Крупка сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ покрывается слоем кремния, например, методом электронно-плазменного испарения кремния кристаллического с последующим осаждением его на частицы U(Al,Si)₃.

Пространство между оболочкой 1 и смесью крупок компонентов топливного сердечника заполнено сплавом 7 на основе алюминия (примеры 7,8,9,10,11,15,16,17) или сплавом 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния в нем (примеры 2,3,4,5,6,12,13,14,18,19,20), как в примере 1.

В состав компонентов топливного сердечника дополнительно вводится крупка 9 разбавителя в виде оксида алюминия (примеры 2,5,13,16,19) или алюминиево-циркониевого сплава (примеры 8.10) фракционных составов от 0,05 до 1,2 мм в количестве от 1,7 до 4,0 об.

В состав компонентов топливного сердечника дополнительно вводится крупка 10 выгорающего поглотителя на основе гадолиния фракционных составов от 0,05 до 1,2 мм в количестве от 1,3 до 6,3 об. (примеры 3,6,11,14,17,20).

П р и м е р 2 (фиг.3). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения UAl₃ в количестве 51,4 об. фазы кремния (6,8) в количестве 9,8 об. крупки 9 оксида алюминия в количестве 3,6 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 3 (фиг.4). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 44,7 об. фазы кремния (6,8) в количестве 15,1 об. крупки 10 выгорающего поглотителя на основе гадолиния в количестве 5,2 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 4 (фиг.5). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ в количестве 37,9 об. фазы кремния (6,8,11) в количестве 33,4 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 5 (фиг.6). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ в количестве 44,4 об. фазы кремния (6,8,11) в количестве 24,8 об. крупки 9 оксида алюминия в количестве 1,7 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 6 (фиг.7). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al, Si)₃ в количестве 42,6 об. фазы кремния (6,8,11) в количестве 22,2 об. крупки 10 выгорающего поглотителя на основе гадолиния в количестве 4,1 об. сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 7 (фиг.8). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 56,5 об. фазы кремния (6) в количестве 1,7 об. и сплава 7 на основе алюминия.

П р и м е р 8 (фиг.9). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения UAl₃ в количестве 46,5 об. фазы кремния (6) в количестве 17,1 об. крупки 9 алюминиево-циркониевого сплава в количестве 4,0 об. и сплава 7 на основе алюминия.

П р и м е р 9 (фиг.10). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 43,0 об. фазы кремния (6,11) в количестве 14,2 об. и сплава 7 на основе алюминия.

П р и м е р 10 (фиг.11).Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 35,3 об. фазы кремния (6,11) в количестве 22,5 об. крупки 9 алюминиево-циркониевого сплава в количестве 2,5 об. и сплава 7 на основе алюминия.

П р и м е р 11 (фиг.12). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 36,6 об. фазы кремния (6,11) в количестве 18,2 об. крупки 10 выгорающего поглотителя на основе гадолиния в количестве 3,2 об. и сплава 7 на основе алюминия.

П р и м р 12 (фиг.13). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения UAl₃ в количестве 61,1 об. фазы 8 кремния в количестве 2,1 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 13 (фиг.14). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 54,7 об. фазы 8 кремния в количестве 3,6 об. крупки 9 оксида алюминия в количестве 4,6 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 14 (фиг.15). Топливный сердечник состоит из крупки сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 52,2 об. фазы 8 кремния в количестве 4,3 об. крупки 12 выгорающего поглотителя на основе гадолиния в количестве 3,5 об. сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 15 (фиг.16). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 51,6 об. фазы кремния (11) в количестве 8,4 об. и сплава 7 на основе алюминия.

П р и м е р 16 (фиг.17). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 50,8 об. фазы кремния (11) в количестве 7,0 об. крупки 9 оксида алюминия в количестве 2,2 об. и сплава 7 на основе алюминия.

П р и м е р 17 (фиг.18). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 55,3 об. фазы кремния (11) в количестве 5,1 об. крупки 13 выгорающего поглотителя на основе гадолиния в количестве 1,3 об. сплава 7 на основе алюминия.

П р и м е р 18 (фиг.19). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 36,2 об. фазы кремния (8,11) в количестве 27,9 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 19 (фиг.20). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 43,5 об. фазы кремния (8,11) в количестве 12,5 об. крупки 9 оксида алюминия в количестве 3,2 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

П р и м е р 20 (фиг.21). Топливный сердечник состоит из крупки 4 сплава на основе соединения U(Al,Si)₃ в количестве 41,7 об. фазы кремния (8,11) в количестве 9,3 об. крупки 14 выгорающего поглотителя на основе гадолиния в количестве 6,3 об. и сплава 7 на основе алюминия с фазой 8 кремния.

Результаты показали, что изобретения обеспечивает воспроизведение заявляемой конструкции твэла с топливным сердечником, состоящим из топлива на основе урана и алюминия в металлическом сплаве, при содержании фазы кристаллического кремния в различных заявляемых видах и в их сочетаниях в количестве от 3 до 30% от объема активной части твэла.

Введение в топливный сердечник кремния менее 3 об. от объема активной части твэла не разрушает жесткую каркасную структуру топливного сердечника (примеры 7,12). Это подтверждается растрескиванием частиц сплава на основе соединения U(Al, Si)3 при измерении микротвердости на поперечных шлифах твэла.

При увеличении объема кремния более 30% от активной части в твэле остается избытoк непрореагировавшего кремния (пример 4).

В примерах конкретной реализации изобретения максимальное уменьшение объема топливного сердечника в твэле 9,0% Таким образом в заявляемой конструкции твэла достигается увеличение объемной доли делящейся фазы до 61,1% без уменьшения пластичности топливного сердечника при его металлургическом сцеплении с оболочкой.

Повышение надежности заявляемого твэла по сравнению с прототипом достигается введением в топливный сердечник фазы кремния кристаллического в количестве от 3 до 30 об. что приводит к повышению пластичности и, как следствие, уменьшению радиационного распухания топливного сердечника, которому также способствует уменьшение объема топливного сердечника за счет диффузии кремния, а металлургическое сцепление компонентов топливного сердечника сплавом на основе алюминия позволяет эксплуатировать заявляемый твэл в переменных режимах.

Формула изобретения

1. Твэл для ядерного реактора, включающий герметичную оболочку, внутри которой размещен топливный сердечник, состоящий из топлива на основе урана и алюминия в металлическом сплаве, отличающийся тем, что топливный сердечник содержит фазу кристаллического кремния в количестве 3 30% от объема активной части твэла.

2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что кремний введен в твэл в виде частиц.

3. Твэл по п.1 и/или 2, отличающийся тем, что кремний введен в твэл в виде покрытия топливных частиц.

4. Твэл по п.1 и/или 2, и/или 3, отличающийся тем, что кремний введен в твэл с металлическим сплавом на основе алюминия в виде отдельной фазы.

5. Твэл по п.1, и/или 2, и/или 3, и/или 4, отличающийся тем, что в твэл совместно с фазой кремния введены частицы разбавителя и/или выгорающего поглотителя.

6. Твэл по п.1, и/или 2, и/или 3, и/или 4, и/или 5, отличающийся тем, что металлургический контакт оболочки с сердечником достигнут пропиткой пространства оболочки, заполненного частицами компонентов топливного сердечника, сплавом на основе алюминия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21