Тепловыделяющий элемент ядерного реактора со свинцовым теплоносителем

 

Сущность: в теплопередающий свинцовый сплав, расположенный в зазоре между топливом и оболочкой, вводят ингибирующую добавку, образующую при рабочих температурах при взаимодействии с металлическим топливом защитное покрытие на топливном сердечнике. В качестве ингибирующей добавки выбирают алюминий в количестве 0,1 - 2,0 ат.% и/или никель в количестве 0,5 - 3,0 ат.% и/или сера в количестве 0,01 - 1,0 ат.% и/или олово в количестве 5,0 - 10,0 ат. % и/или сурьма в количестве 0,2 - 10,0 ат.%. При этом оболочку приготавливают из сплава на основе металлов УА подгруппы периодической системы элементов, преимущественно из сплава на основе ванадия и/или ниобия. 1 ил.

Изобретение относится к области ядерной техники, а конкретно к тепловыделяющим элементам ядерных реакторов со свинцовым теплоносителем.

Известен тепловыделяющий элемент (твэл), в котором топливо выполнено на основе металлического уран-плутониевого сплава и размещено в стальной оболочке [1] Недостатком данного твэла является низкая радиационная стойкость металлического топлива, проявляющаяся в его распухании, что может приводить при 500 800^oC и к значительному нагружению оболочки твэла в случае плотной посадки топлива на оболочку или к начальному перегреву в случае размещения его с некоторым газовым зазором и последующему термомеханическому взаимодействию топлива с оболочкой, вплоть до образования интерметаллидов.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий сердечник, выполненный из металлического топлива и размещенный в оболочке с зазором, заполненным свинцовым сплавом [2] Недостатком этого твэла с металлическим топливом является высокая агрессивная способность свинца, висмута и их сплавов по отношению к урану, плутонию и их сплавов по отношению к урану, плутонию и их сплавам при рабочих температурах свинцовоохлаждаемого ядерного реактора.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в снижении вероятности разрушения топливного сердечника тепловыделяющего элемента за счет образования на поверхности сердечника при рабочих температурах свинцовоохлаждаемого ядерного реактора защитного покрытия из термодинамического стабильного соединения.

Указанный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, содержащем сердечник, выполненный из металлического топлива и размещенный в оболочке с зазором, заполненным свинцовым сплавом, в свинцовый сплав введена ингибирующая добавка, в качестве которой выбран алюминий в количестве 0,1 0,2 ат. или никель, в количестве 0,5 3,0 ат. или сера в количестве 0,01 1,0 ат. или олово в количестве 5,0 10,0 ат. или сурьма в количестве 0,2 10,0 ат. образующая при рабочих температурах при взаимодействии с металлическим топливом защитное покрытие на топливном сердечнике.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен вертикальный разрез центральной части твэла. Твэл содержит металлическую оболочку 1 с размещенным внутри топливным сердечником 2. Зазор 3 между топливным сердечником и оболочкой заполнен теплопроводным сплавом на основе свинца, в который введена ингибирующая добавка, одна из следующего ряда: AL, Ni, S, Sn, Sb.

Топливный сердечник 2 выполняется из металлического сплава на основе урана U-238, обогащенного U-235, либо Рu-239 и Pu-241, то есть может дополнительно содержать плутоний, включая Рu-240 и Pu-242, а также ближайшие актиниды (Np, Am), и стабилизирующих добавок, выбранных из ряда Zr, Nb, No, Te, Pd, Ru, Rh, при этом общее содержание делящихся нуклидов (U-235, Pu-239), включая содержание актинидов, и стабилизирующих добавок, как правило, не превышает 30% по массе.

При рабочих температурах реактора ингибирующие добавки взаимодействуют с металлическим топливом и образуют на его поверхности стабильные соединения, например, UAl₂, PuNi₅, US, PuSn₃, USb₃, PuSb₃ (в зависимости от состава металлического топлива и примененной ингибирующей добавки), защищающие топливный сердечник от появления рыхлых плюмбатов урана и плутония. Аналогично стабильное соединение, например, AmAl₂, образуется и в случае введения в топливо актинидов. Следует отметить, что образовавшиеся термодинамические стабильные соединения препятствуют интерметаллидному взаимодействию топлива с оболочкой при их контакте.

Термодинамические оценки показали, что для подавления реакций образования плюмбатов урана (UPb и UPb₃) и плутония (PuPb, PuPb₃) необходимо ввести в свинец алюминий в количестве 0,1 0,2 ат. или никель в количестве 0,5 3,0 ат. или серу в количестве 0,01 1,0 ат. или олово в количестве 5,0 10,0 ат. или сурьму в количестве 0,02 10,0 ат. Нижняя граница указанных концентрационных интервалов соответствует составу свинцового сплава, в котором начинается реакция образования на поверхности сердечника из металлического топлива соединений UAl₂, PuAl₂, UNi₅, PuNi₅, US, PuS, USn₃, PuSn₃, USb₃, PuSb₃ более стабильных0 чем плюмбаты урана и плутония.

Верхние из концентрационных интервалов для алюминия, никеля и серы соответствуют пределу их растворимости в свинце в области рабочих температур. Для олова и сурьмы, образующих жидкие растворы со свинцом с широкой областью растворимости, верхняя граница выбрана с точки зрения ограничения возможности влияния ингибирующей добавки на коррозионную стойкость оболочки твэла.

Следует отметить, что присутствие выбранных добавок к свинцу, (Al, Ni, S, Sn, Sb) обеспечивает самозалечивание дефектов в защитном слое в топливном сердечнике, образование которых можно ожидать вследствие, например, распухания металлического топлива по мере выгорания делящейся компоненты. В случае разгерметизации твэла образовавшееся покрытие защищает топливо от взаимодействия со свинцовым теплоносителем.

Формула изобретения

Тепловыделяющий элемент ядерного реактора со свинцовым теплоносителем, содержащим сердечник, выполненный из металлического топлива и размещенный в оболочке с зазором, заполненным свинцовым сплавом, отличающийся тем, что в свинцовый сплав введена ингибирующая добавка, в качестве которой выбран алюминий в количестве 0,1 2,0 ат. или никель 0,5 3,0 ат. или сера - 0,01 1,0 ат. или олово 5 10 ат. или сурьма 0,2 10,0 ат. образующая при рабочих температурах с металлическим топливом защитное покрытие на топливном сердечнике.

РИСУНКИ

Рисунок 1