Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов (варианты) и способ его изготовления (варианты)

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов и технологии их изготовления, и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов ядерных реакторов с топливом высокого обогащения. Сущность изобретения: тепловыделяющий элемент выполнен в виде крестообразной оболочки, герметизированной по торцам приваренными к ней концевыми заглушками, внутри оболочки размещен сердечник из смеси частиц диоксида урана и частиц алюминия, поры между которыми заполнены алюминиевым сплавом (например, состава Аl+12% Si, или Аl+12% Si+2% Ni), объемное содержание частиц диоксида урана составляет 15-45%, частиц алюминия 25-55%, частиц алюминиевого сплава 30-45%, или сердечник выполнен из частиц уран-алюминиевого интерметаллидного соединения UAl₂ или UAl₃, содержащего стабилизирующие добавки в виде кремния, олова или циркония в количестве до 5%, объемное содержание частиц интерметаллидного соединения урана составляет 55-70% от внутреннего объема оболочки, поры между частицами заполнены алюминиевым сплавом, содержание алюминиевого сплава составляет 30-45%, в сердечнике может присутствовать инертный разбавитель в виде частиц окиси алюминия, циркония или алюминий-циркониевого сплава до 10% объемных. Отдельным вариантом является твэл, в котором внутри оболочки по оси установлен вытеснитель объема для согласования объема загружаемых частиц урансодержащего материала с внутренним объемом оболочки. Технология изготовления твэлов включает профилирование оболочки в крестообразную форму и термообработку оболочки для снятия внутренних напряжений, приварку к оболочке концевой заглушки, загрузку в оболочку смеси частиц диоксида урана и алюминия, либо загрузку в оболочку частиц интерметаллидного соединения UAl₂ или UAl₃, пропитку внутреннего остаточного объема расплавленным сплавом алюминия и приварку к оболочке второй заглушки. Техническим результатом изобретения является улучшение нейтронного баланса реактора и экономия урана. 6 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов и технологии их изготовления, и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов ядерных реакторов с топливом высокого обогащения, например, для исследовательских высокопоточных реакторов СМ (сверхмощных) и ПИК (пучковых, исследовательских, корпусных) с топливом 90% обогащения.

Известен твэл, разработанный для реакторов СМ и ПИК [В.И.Агеенков, B.C.Волков, М.И.Солонин и др. «Параметры и технология изготовления твэлов реактора ПИК». Атомная энергия, т.92, вып.6, июнь 2002]. Твэл имеет оболочку из нержавеющей стали крестообразного сечения с описанным диаметром 5,15 мм, спирально закрученную по продольной оси, сердечник из дисперсионной композиции, состоящей из UO₂ и медно-бериллиевого сплава, концевые заглушки, приваренные к оболочке, и концевые пробки из медно-бериллиевого сплава, расположенные между концевыми заглушками и сердечником и служащие для компенсации колебаний длины сердечника.

Твэл изготавливают методом прокатки, в соответствии с которым в трубку засыпают исходные порошкообразные шихтовые материалы сердечника и концевых пробок, приваривают концевые заглушки, производят прокатку сборки в роликовой головке для придания твэлу крестообразного профиля, его спиральной закрутки и уплотнения шихтовых материалов, после чего твэл подвергают нагреву до (1000÷1200)°С для обеспечения монолитности сердечника, получения диффузионной связи сердечника с оболочкой и снятия остаточных напряжений в оболочке, полученных при прокатке твэла. Технология прокатки обеспечивает возможность изготовления твэла с заданным малым (~25%) объемом делящейся фазы (UO₂) в сердечнике твэла.

Указанный твэл имеет ряд положительных свойств. Возможность самодистанционирования таких твэлов в ТВС упрощает конструкцию ТВС и обеспечивает высокое развитие теплоотдающей поверхности в единице объема активной зоны и хорошие теплогидравлические характеристики ТВС, твэл работоспособен при высоких (до 15×10⁶ Вт/м²) тепловых потоках на поверхности твэла и накоплении продуктов деления в сердечнике до 1,5 г/см³.

Однако матричный материал сердечника (медно-бериллиевый сплав) такого твэла имеет высокое сечение захвата нейтронов, вследствие чего в реакторе велико непроизводительное поглощение нейтронов. Кроме того, при прокатке происходит неравномерная деформация оболочки, вследствие чего ее толщина на межлопастных участках твэла снижается со среднего значения 0,15 мм до 0,1 мм, что увеличивает потенциальную возможность разгерметизации при работе твэла. Использование технологии прокатки предусматривает нагрев твэла до высокой температуры, в частности, с целью термообработки оболочки и снятия остаточных напряжений в ней, что делает невозможным использование в качестве матрицы сердечника материалов с относительно низкой температурой плавления.

Для улучшения нейтронного баланса реактора СМ, то есть для увеличения доли нейтронов, используемых для облучения образцов конструкционных материалов и мишеней, был предложен крестообразный твэл с матричным малопоглощающим нейтроны материалом - алюминием или цирконием [В.А.Цыканов, А.В.Клинов, В.А.Старков и др. «Модификация активной зоны реактора СМ для решения задач материаловедения». Атомная энергия, т.93, вып.3, сентябрь 2002], выбранный в качестве прототипа.

Этот твэл сохраняет указанные выше положительные свойства, однако в этом источнике информации не указывается конкретный состав сердечника и каким образом можно изготовить такой твэл и обеспечить равномерное распределение делящегося материала по объему сердечника при заданном малом объемном содержании делящейся фазы (~25%).

Задачей предлагаемого изобретения является создание твэла с малопоглощающими нейтроны материалами, сохраняющего положительные свойства твэла-прототипа и имеющего равномерное распределение делящегося материала по объему сердечника при малом объемном (15-45%) содержании делящейся фазы в сердечнике.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в том, что при использовании предложенных твэлов для комплектации активных зон исследовательских реакторов улучшается нейтронный баланс реактора и происходит экономия урана (за счет снижения критмассы урана в реакторе).

Для решения поставленной задачи предложена группа изобретений, объединенных общим изобретательским замыслом.

Решение поставленной задачи достигается тем, что тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов выполнен в виде крестообразной оболочки, герметизированной по торцам концевыми заглушками, внутри которой размещены топливный сердечник и концевые пробки, причем топливный сердечник выполнен из материала, состоящего из частиц диоксида урана и частиц алюминия, поры между которыми заполнены алюминиевым сплавом, при этом объемное содержание частиц диоксида урана составляет 15-45%, частиц алюминия 25-55% и алюминиевого сплава 30-45%, а размер частиц диоксида урана составляет 50-1000 мкм и частиц алюминия 50-500 мкм.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что способ изготовления тепловыделяющего элемента включает профилирование оболочки в крестообразную форму, причем после профилирования оболочку подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений и соединяют с концевой заглушкой, в оболочку засыпают материал, выполненный из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий нижнюю концевую пробку, затем засыпают материал, состоящий из частиц диоксида урана и частиц алюминия, и далее в оболочку засыпают материал, выполненный из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий верхнюю концевую пробку, затем поры между частицами заполняют алюминиевым сплавом, температура плавления которого на 50-100°C ниже температуры плавления алюминия, например сплавом состава Al+12% Si, или Al+12% Si+2% Ni, и оболочку соединяют со второй концевой заглушкой.

В частном варианте в оболочку засыпают материал, состоящий из конгломератов механически соединенных частиц диоксида урана и частиц алюминия.

В другом варианте решение поставленной задачи достигается тем, что тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов выполнен в виде крестообразной оболочки, герметизированной по торцам концевыми заглушками, внутри оболочки размещены топливный сердечник и концевые пробки, причем топливный сердечник выполнен из частиц уран-алюминиевого интерметаллидного соединения UAl₂ или UAl₃, содержащего стабилизирующие добавки в виде кремния, или олова, или циркония в количестве 0,5-5,0 мас.%, и инертного разбавителя в виде частиц оксида алюминия, или циркония, или алюминий-циркониевого сплава, поры между частицами заполнены алюминиевым сплавом, объемное содержание частиц интерметаллидного соединения урана составляет 45-70%, частиц инертного разбавителя 1-10% и алюминиевого сплава 30-45%, а размер частиц интерметаллидного соединения урана составляет 50-1000 мкм и частиц инертного разбавителя 50-500 мкм.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что способ изготовления тепловыделяющего элемента включает профилирование оболочки в крестообразную форму, причем после профилирования оболочку подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений и соединяют с концевой заглушкой, в оболочку засыпают материал, выполненный из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий нижнюю концевую пробку, затем засыпают смесь частиц уран-алюминиевого интерметаллидного соединения и частиц инертного разбавителя, и далее в оболочку засыпают материал из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий верхнюю концевую пробку, затем поры между частицами заполняют алюминиевым сплавом, например сплавом состава Al+12% Si, или Al+12% Si+2% Ni, и оболочку соединяют со второй концевой заглушкой.

В другом варианте решение поставленной задачи достигается тем, что тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов выполнен в виде крестообразной оболочки, герметизированной по торцам концевыми заглушками, внутри оболочки размещены топливный сердечник и концевые пробки, причем по оси крестообразной оболочки установлен вытеснитель объема, выполненный из малопоглощающего нейтроны материала, например алюминия или циркония, длина которого превышает длину топливного сердечника, а остаточный объем заполнен образующим топливный сердечник материалом из смеси частиц урансодержащего материала, например диоксида урана, и частиц инертного разбавителя из оксида алюминия, или из циркония, или из алюминий-циркониевого сплава, поры между которыми заполнены алюминиевым сплавом, объемное содержание урансодержащих частиц составляет 45-70%, частиц инертного разбавителя 1-10% и алюминиевого сплава 30-45%.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что способ изготовления тепловыделяющего элемента включает профилирование оболочки в крестообразную форму, причем после профилирования оболочку подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений и соединяют с концевой заглушкой, по оси оболочки устанавливают вытеснитель объема, в оболочку засыпают материал из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий нижнюю концевую пробку, затем засыпают смесь частиц урансодержащего материала и частиц инертного разбавителя, и далее в оболочку засыпают материал из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий верхнюю концевую пробку, затем поры между частицами заполняют алюминиевым сплавом, например сплавом состава Al+12% Si, или Al+12% Si+2% Ni, и оболочку соединяют со второй концевой заглушкой.

В частном варианте оболочка выполнена из нержавеющей стали, например сталь 06Х16Н15М3Б.

В другом частном варианте оболочка выполнена из циркониевого сплава, например сплава Zr+l% Nb.

В другом частном варианте концевые пробки выполнены из частиц малопоглощающего нейтроны материала в виде оксида алюминия, или циркония, или алюминий-циркониевого сплава, содержание частиц составляет 55-70 об.%, поры между частицами заполнены алюминиевым сплавом, а размер частиц составляет 50-1000 мкм.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид твэла (а) и поперечные сечения твэла без вытеснителя объема в сердечнике (б) и с вытеснителем объема в сердечнике (в).

На фиг.2 представлены шлифы поперечного сечения твэла с вытеснителем объема.

На фиг.3 представлена структура сердечника из смеси частиц диоксида урана и частиц алюминия с пропиткой пор силумином.

На фиг.4 представлена структура сердечника с частицами интерметаллидного соединения U-Al.

Твэл, представленный на фиг.1, состоит из оболочки 1, которая по торцам герметизирована концевыми заглушками 2. Внутри оболочки твэла размещен сердечник 3, состоящий из топливных частиц и матричного материала. Между концевыми заглушками и сердечником установлены концевые пробки 4, состоящие из частиц малопоглощающего нейтроны материала и матричного материала. В варианте твэла с вытеснителем (в) в сердечнике твэла размещен вытеснитель объема 5.

В оболочке 1 твэла, представленного на фиг.2, размещен сердечник, состоящий из частиц диоксида урана 6 и силуминовой матрицы 7, внутри сердечника установлен вытеснитель объема 5.

Структура сердечника, сформированного из смеси частиц диоксида урана и частиц алюминия с пропиткой пор силумином, представлена на фиг.3. Аналогичный вид имеет и структура сердечника, сформированного на основе гранул UO₂-Al с пропиткой силумином. Сердечник состоит из частиц диоксида урана 6, частиц алюминия 8, силуминовой матрицы 7.

Сердечник, представленный на фиг.4, состоит из частиц интерметаллидного соединения UAl₃, стабилизированного кремнием 9, поры между которыми заполнены силумином (силуминовой матрицей 7).

Способ изготовления твэла с сердечником состава UO₂+Аl+алюминиевый сплав включает следующие операции.

Отрезок круглой трубки осаживают по концам до меньшего диаметра и производят профилирование ее в крестообразную форму; полученную таким образом крестообразную оболочку 1 подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений; оболочку 1 соединяют с концевой заглушкой 2; в оболочку 1 засыпают материал, выполненный из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий нижнюю концевую пробку 4; затем в оболочку 1 засыпают материал, выполненный из частиц диоксида урана 6 и частиц алюминия 8, образующий сердечник твэла 3; затем в оболочку 1 засыпают материал, выполненный из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий верхнюю концевую пробку 4; поры между частицами, засыпанными в оболочку 1, заполняют расплавленным алюминиевым сплавом, образующим силуминовую матрицу 7; после этого оболочку 1 соединяют со второй концевой заглушкой 2.

В указанном способе изготовления возможна засыпка в оболочку 1 не смеси частиц диоксида урана 6 и частиц алюминия 8, а материала, состоящего из конгломератов механически соединенных частиц диоксида урана и частиц алюминия.

Способ изготовления твэла с сердечником состава интерметаллид урана+инертный разбавитель+алюминиевый сплав подобен способу изготовления твэла с сердечником состава UO₂+Аl+алюминиевый сплав и отличается тем, что вместо смеси частиц диоксида урана и частиц алюминия в оболочку твэла засыпают смесь частиц интерметаллида урана 9 и частиц инертного разбавителя.

Способ изготовления твэла с вытеснителем объема в сердечнике подобен способу изготовления твэла с сердечником состава UO₂+Аl+алюминиевый сплав и отличается тем, что перед засыпкой в оболочку материалов сердечника и концевых пробок устанавливают вытеснитель 5, а вместо смеси частиц диоксида урана и частиц алюминия засыпают смесь частиц диоксида урана и частиц инертного разбавителя.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать твэлы с малопоглощающими нейтроны материалами и имеющими равномерное распределение делящегося материала по объему сердечника при малом объемном содержании делящейся фазы в сердечнике. При использовании предложенных твэлов для комплектации активных зон исследовательских реакторов улучшается нейтронный баланс реактора и происходит экономия урана.

1. Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов, выполненный в виде крестообразной оболочки, герметизированной по торцам концевыми заглушками, внутри которой размещены топливный сердечник и концевые пробки, отличающийся тем, что топливный сердечник выполнен из материала, состоящего из частиц диоксида урана и частиц алюминия, поры между которыми заполнены алюминиевым сплавом, при этом объемное содержание частиц диоксида урана составляет 15-45%, частиц алюминия 25-55% и алюминиевого сплава 30-45%, а размер частиц диоксида урана составляет 50-1000 мкм и частиц алюминия 50-500 мкм.

2. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из нержавеющей стали, например стали 06X16Н15М3Б.

3. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из циркониевого сплава, например сплава Zr+1% Nb.

4. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что концевые пробки выполнены из частиц малопоглощающего нейтроны материала в виде оксида алюминия, или циркония, или алюминий-циркониевого сплава, содержание частиц составляет 55-70 об.%, поры между частицами заполнены алюминиевым сплавом, а размер частиц составляет 50-1000 мкм.

5. Способ изготовления тепловыделяющего элемента, включающий профилирование оболочки в крестообразную форму, отличающийся тем, что после профилирования оболочку подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений и соединяют с концевой заглушкой, в оболочку засыпают материал, выполненный из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий нижнюю концевую пробку, затем засыпают материал, состоящий из частиц диоксида урана и частиц алюминия, и далее в оболочку засыпают материал, выполненный из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий верхнюю концевую пробку, затем поры между частицами заполняют алюминиевым сплавом, температура плавления которого на 50-100°С ниже температуры плавления алюминия, например сплавом состава Al+12% Si или Al+12% Si+2% Ni, и оболочку соединяют со второй концевой заглушкой.

6. Способ изготовления по п.5, отличающийся тем, что в оболочку засыпают материал, состоящий из конгломератов механически соединенных частиц диоксида урана и частиц алюминия.

7. Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов, выполненный в виде крестообразной оболочки, герметизированной по торцам концевыми заглушками, внутри оболочки размещены топливный сердечник и концевые пробки, отличающийся тем, что топливный сердечник выполнен из частиц уран-алюминиевого интерметаллидного соединения UAl₂ или UAl₃, содержащего стабилизирующие добавки в виде кремния, или олова, или циркония в количестве 0,5-5,0 мас.% и инертного разбавителя в виде частиц оксида алюминия, или циркония, или алюминий-циркониевого сплава, поры между частицами заполнены алюминиевым сплавом, объемное содержание частиц интерметаллидного соединения урана составляет 45-70%, частиц инертного разбавителя 1-10% и алюминиевого сплава 30-45%, а размер частиц интерметаллидного соединения урана составляет 50-1000 мкм и частиц инертного разбавителя 50-500 мкм.

8. Тепловыделяющий элемент по п.7, отличающийся тем, что оболочка выполнена из нержавеющей стали, например стали 06Х16Н15М3Б.

9. Тепловыделяющий элемент по п.7, отличающийся тем, что оболочка выполнена из циркониевого сплава, например сплава Zr+1% Nb.

10. Тепловыделяющий элемент по п.7, отличающийся тем, что концевые пробки выполнены из частиц малопоглощающего нейтроны материала в виде оксида алюминия, или циркония, или алюминий-циркониевого сплава, содержание частиц составляет 55-70 об.%, поры между частицами заполнены алюминиевым сплавом, а размер частиц составляет 50-1000 мкм.

11. Способ изготовления тепловыделяющего элемента, включающий профилирование оболочки в крестообразную форму, отличающийся тем, что после профилирования оболочку подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений и соединяют с концевой заглушкой, в оболочку засыпают материал, выполненный из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий нижнюю концевую пробку, затем засыпают смесь частиц уран-алюминиевого интерметаллидного соединения и частиц инертного разбавителя и далее в оболочку засыпают материал из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий верхнюю концевую пробку, затем поры между частицами заполняют алюминиевым сплавом, например сплавом состава Al+12% Si или Al+12% Si+2% Ni, и оболочку соединяют со второй концевой заглушкой.

12. Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов, выполненный в виде крестообразной оболочки, герметизированной по торцам концевыми заглушками, внутри оболочки размещены топливный сердечник и концевые пробки, отличающийся тем, что по оси крестообразной оболочки установлен вытеснитель объема, выполненный из малопоглощающего нейтроны материала, например алюминия или циркония, длина которого превышает длину топливного сердечника, а остаточный объем заполнен образующим топливный сердечник материалом из смеси частиц урансодержащего материала, например диоксида урана, и частиц инертного разбавителя из оксида алюминия, или из циркония, или из алюминий-циркониевого сплава, поры между которыми заполнены алюминиевым сплавом, объемное содержание урансодержащих частиц составляет 45-70%, частиц инертного разбавителя 1-10% и алюминиевого сплава 30-45%.

13. Тепловыделяющий элемент по п.12, отличающийся тем, что оболочка выполнена из нержавеющей стали, например стали 06Х16Н15М3Б.

14. Тепловыделяющий элемент по п.12, отличающийся тем, что оболочка выполнена из циркониевого сплава, например сплава Zr+1% Nb.

15. Тепловыделяющий элемент по п.12, отличающийся тем, что концевые пробки выполнены из частиц малопоглощающего нейтроны материала в виде оксида алюминия, или циркония, или алюминий-циркониевого сплава, содержание частиц составляет 55-70 об.%, поры между частицами заполнены алюминиевым сплавом, а размер частиц составляет 50-1000 мкм.

16. Способ изготовления тепловыделяющего элемента, включающий профилирование оболочки в крестообразную форму, отличающийся тем, что после профилирования оболочку подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений и соединяют с концевой заглушкой, по оси оболочки устанавливают вытеснитель объема, в оболочку засыпают материал из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий нижнюю концевую пробку, затем засыпают смесь частиц урансодержащего материала и частиц инертного разбавителя и далее в оболочку засыпают материал из частиц оксида алюминия, или частиц циркония, или частиц алюминий-циркониевого сплава, образующий верхнюю концевую пробку, затем поры между частицами заполняют алюминиевым сплавом, например сплавом состава Al+12% Si или Al-12% Si+2% Ni, и оболочку соединяют со второй концевой заглушкой.