Тепловыделяющий элемент энергети-ческого ядерного peaktopa

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИИЗЬСТВУ

Сеоз Советсиик

Сециаяистичвсиии республик (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (51) М. Кл.

6 21 С Э/16 (Щ Заявлено 010274 (21) 2005269/18-25 с присоединением заявки в— (23) Приоритет - (32) 020273

Гесударетвенный кематет

СССР ее дмвм мзебретееме е,етквытн4 (31) 7301524-0 (33) Швеция

Опубликовано 230681.Бюллетень М 23 (53) УДК 621.039. . 5 (088.8) Дата опубликования описания 230681

I

I

I (72) Автор изобретения

Иностранец

Йохан Хилдинг Могард (Швеция) Иностранная фирма

"Актиеболагет,Атомэнерги" (Швеция) (71) Заявитель (54) ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к.керамическим тепловыделяющим элементам (ТВЭЛ) брикетного. типа, которые в настоящее время используются в знергетичесмих ядерных реакторах.

Известно конструктивное выполнение топливного элемента ядерного реактора, включающего кожух, заГлушки и расположенные внутри кожу а таблетки (брикеты) с топливом 11

Недостатком такого решен я является необходимость выполнения- зазора между кожухом и топливными брикетами, что значительно ухудшает теплопередачу от столба топливных брикетов, и, следовательно, ухудшает надежность работы такого элемента.

Известна также конструкция тепловцделянлцего элемента энергетического ядерного реактора, содержащего удлиненный трубчатый кожух и цилиндричес- кие твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образующие столб топливных брикетов, соприкасающийся с опорными элементами внутри кожуха.

Известный тепловыделяющий элемент предназначен для реакторов с sociipoизводством топлива и конструктивнбе выполнение опорных элементов внутри кожуха определяется фракцией подцержания необходиьаах физических условиЯ внутри тепловццеляющего элемента и в активной зоне в целом, и связано с необходимостью создания зоны воспроизводства (2).

Недостаток такой конструкции заключается в снижении безопасности за счет возможного механического взаимодействия между столбом топливных брикетов и кожухом во время эксплуатации.

Между кожухом и множеством цилиндрических тел имеется радиальный зазор около 0,3 мм, который оказывается совершенно неприемлемым с учетом теплопередачи от топлива к кожуху. Кроме того, зазор около 0,3 мм неизбежно вызывает повышение температуры в керамическом топливе до слюаком больших значений и результирующий нагрев приводит к плавлению ядерного горючего с вытекакицим отсюда серьезным риском радиоактивного заражения.

Встречаются повреждения ТВЭЛ, которые имеют вид небольших трейин в защитном кожухе, вызываемых сильным механическим взаимодействием между топливными брикетами и кожухом. Необходимо также принимать во внимание другой тип повреждений, проявляющийся как местное разделение (no оси) 841066

1$

25 внутреннего длинного столба (стопки) топливных брикетов, в результате чего этот столб разделяется на две части,, причем щель межцу этими частями может достигать нескольких сантиметров.

Цель изобретения - повьзвение надежности за счет уменьшения механичеекого взаимодействия между столбом топливных брикетов и кожухом во время эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в теиловыделяющем элементе энергетического ядерного реактора, содержащем удлиненный трубчатый кожух, расположенные соосно в кожухе цилиндрические твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образующие столб топливных брикетов, соприкасающийся с опорными элементами внутри кожуха, трубчатый кожух. имеет, по меньшей мере., три равномерно распределеиных опорных элемента; выполненных в виде профилированных продольных ребер высотой не более 0,05 мм, расположенных . вдоль внутренней цилиндрической поверхности кожуха, при этом ребра в поперечном сечении выполнены в виде кругового сегмента, образованного внутренней окружностью защитного кожуха и .хордой, либо в виде трапеции или в виде треугольника с закругленным выступом. 30

На Фнг. 1 показана конструкция

ТВЭЛ для водяного ядерного реактора, продольный разрез; на фиг. 2 — то же, поперечное сечение (увеличенный ма- . сштаб); на Фнг. 3, 4 и 5 - детали различных воплощений трубчатоГо защитного кожуха для ТВЭЛ; на фиг. 6 и 7в увеличенном масштабе условия, действующие вокруг участка сопряжения двух топливных брикетов в конструкции

ТВЭЛ. 40

Трубчатый защитный кожух 1 изготавливают из сплава циркония (в большинстве случаев иэ циркалоя), из того же сплава изготавливают обе концевых пробки 2 и 3. Концевые пробки снабже- 45 ны продольно выступающими штырямн 4 и 5 соответственно. Эти штыри 4 и 5 служат для удержайия ТИЗЛ внутри реактора в фиксированном аоложении.

Столб брикетов 6 устанавливают внут- 4р ри кожуха 1 с некоторым кольцевым (радиальным) зазором, величина которого лежит в пределах 0,07-6,15 мм с типичной величиной допуска +0,05 мм (размеры, относящиеся к колъцевому зазору между кожухом и топливными брикетами, приведены для холодного состоя- ния ТВЭЛ и без учета величины опор- . ных выступов на внутренней поверхности кожуха). Столь малые и точно выдерживаеьые размеры зазора требуют- d0, ся для того, чтобы, свести к минимуму падение температуры во время работы

ТВЭЛ и вместе с тем избежать значи.тельного механического взаимодействия

:между кожухом и брикетами, которое в 4Я

ТВЭЛ обычной конструкции является потенциальным иСточником ухудшения технических характеристик ° В процессе работы ТВЭЛ зазор уменьшается в той или иной степени, в зависимости от фактической теплоотдачи и степени выгорания ядерного топлива.. На поверхности кожуха нередко возникают кольцевые бугорки, расположенные в точках соединения соседних брикетов, появление этих бугорков связано с механическим взаимодействием между кожухом и брикетами и искажением фор- ма последних (они принимают Форму песочных часов).

Чтобы улучшить передачу тепла в кольцевом зазоре, во внутренний объем

ТВЭЛ вводят газообразный гелий ° В

ТВЭЛ, предназначенных для реакторов с водой под давлением, используют гелий повышенного давления с тем, чтобы предотвратить пластическую деформацию защитного кожуха в процессе эксплуатации ТВЭЛ.

Как видно из фиг. 1, внутри ТВЭЛ оставлен свободный объем 7, в котором за счет выделения газообразных продуктов распада и за счет избыточного количества, вводимого внутрь ТВЭЛ, гелия создается повышенное давление.

В этом свободном пространстве располагается спиральная пружина 8, воздействующая на столб топливных брикетов.

Основным назначением спиральной пру- жины 8 является удержание топливных брикетов на месте во время транспортировки н переноски ТВЭЛ, но следует отметить, что эта пружина не в состоянии предотвратить взаимное смещение брикетов по продольной оси ТВЭЛ в йроцессе его эксплуатации.

Выступающим частям опорных элементов, расположенных на внутренней по- верхности трубчатого защитного кожуха (предпочтительно изготавливать их заодно с кожухом), удобно придать форму идущих .в осевом направлении взаимно параллельных ребер 9, как это показано для. конструкции (Фиг. 2).

Опорные элементы, выполненные в виде таких осевых (продольных) ребер, проходят вдоль ТВЭЛ по всей длине защитного кожуха, по крайней мере, по той части центрального отверстия кожуха, которая занята столбом топливных брикетов. Сфера применения предлагаемого изобретения охватывает также другие форьы опорных элементов, например опорные элементы, имекщие форму большого числа выступакхцих внутрь ТВЭЛ наростов, соответствующим образом расцоложенных один относительно друг@го., Фактическая форма внутренней поверхности защитного кожуха в каждом отдельном случае может быть приспособлена для несколъких возможных конструкций ТВЭЛ, находящихся в данное время в производстве.

841066

Высота опорных элементов (считая по раднусу ТВЭЛ) должна быть не более нормального кольцевого зазора (в холодном состоянии), например не больше 0,1 мм, а предпочтительно не больше 0,05 мм, с тем, чтобы получить допустимое падение температуры в коль5 цевом зазоре, остающемся при работе

ТВЭЛ на полнуЮ мощность. Практически нижний предел высоты опорных элементом равен примерно 0,005 мм. Наличие опорных элементов позволяет су цественно уменьшить величину обычного кольцевого зазора в холодном состоянии ТВЭЛ, например вдвое и даже мень- " ше. Таким образом, за счет введеиия опорных элементов может быть достигнуто некоторое улучшение передачи тепла внутри ТВЭЛ. Далее, с точки зрения передачи тепла и распределения механических усилий между частями

ТВЭЛ имеет значение форма опорных 20 элементов. Форма каждого продольного опорного элемента в поперечном сечении может быть различной, как это видно из фиг. 2-5. Так на фиг. 2 показаны продольные опорные элементы 9, 25 имеющие в поперечном сечении трапецеидальную форму. На фиг. 5 более детально, в увеличенном масштабе, показаны опорные элементы фиг. 2, где каждый опорный элемент 9 закруглен возле своего основания и плоско стесан на верхушке (ближе к середине поперечного сечения ТВЭЛ).

На Фиг. 4 показана в увеличенном масштабе деталь трубчатого защитного кожуха 1. В предлагаемой конструкции продольные опорные элементы 9 имеют в поперечном сечении форму, соответствующую круговому сегменту, образованному круговой внутренней поверх,ностью трубчатого кожуха 1 и хордой 40

С, проведенной внутри окружности, соответствующей сверлению трубчатого кожуха. Эта конструкция представляет особый интерес вследствие того, что она позволяет реализовать малые до- 45 пуски на высоту ребер 9 (по радиусу

ТВЭЛ), поскольку последняя находится в определенном геометрическом отношении с шириной ребра по окружности, а эта ширина значительно больше высоты ребра, и поэтому при изготовлении трубчатого кожуха ее можно выдержать с большой точностью. Это значит, что форма поперечного сечения ребер 9, показанная на фиг. 4, особенно полез-. на при малых (меньше 0,02 мм) значениях высоты ребер.

На фиг. 5 показана конструкция, в которой опорные элементы 9, расположенные на одном и том же трубчатом кожухе, имеют разные форщи попереч- 40 ного сечения ° Каждый третий опорный элемент 9 имеет относительно малую . ширину и большую высоту, так как он слабо сопротивляется деформации, и потому обеспечивает наилучшее крепле-$5 н ие топливного брикета по продольной оси. Промежуточные опорные элементы

9 имеют относительно большую ширину и малую высоту, так что они лучше сопротивляются деформации и обеспечивают повышенную передачу тепла от брикетов ядерного топлива к защитному кожуху.

Как видно из чертежей, представляющих поперечные сечения, опорные элементы имеют возле оснований выступы, соответствующие примерно половине толщины стенки кожуха, но здесь до- . устимы и другие размеры. Контакт порных ребер с соседними топливными брикетами осуществляется по линиям различной длины в зависимости от формы ребра и от степени его деформации во время работы ТВЭЛ. -.

Число опорных элементов, ймеющихся на внутренней поверхности защитного кожуха, варьируют в довольно широких пределах ° Однако для продольных ребер, показанных на фиг. 2-6, практически нижний предел их числа равен трем, поскольку это минимальное число ребер, обеспечивающее хорошее центрирование топливных брикетов внутри защитного кожуха. Для этого минимального числа подразумевается равномерное распределение ребер по окружности внутренней поверхности защитного кожуха. В зависимости от метода получения ребер, их высоты, Формы поперечного сечения число ребер может быть различным.

Иежду брикетами 6 возможно образо- вание неравномерности 10 в пространстве 11 в области выемок 12 в брикетах.

Для оптимизации передачи тепла между ядерным топливом и защитным ко жухом.желательно не только работать . с наименьшим возможным кольцевым зазором, но также обеспечить некоторую площадь контакта между опорными ребрами и топливными брикетами. В этой связи было установлено, что ширина (по окружности) контактной поверхности между каждым ребром и брикетом .. должна быть, как минимум, около 0,1 мм., Необходимо отметить, что это только . желательное минимальное требование к величине-контактной поверхности между ребром и брнкетом, а в процессе эксплуатации ТВЭЛ эта цифра можЕт быть значительно больше.

Опорные элементы влияют в процессе работы ТВЭЛ на механичесКие взаимодействия между топливными брикета ми и защитным кожухом таким образом, что повреждения ТВЭЛ предотвращаются в нескольких направлениях. Особенно важными дОстоинствами обладают опорные элементы (ребра), ориентированные параллельно продольной оси ТВЭЛ, так что наиболее предпочтительны конструкции ТВЭЛ с такими опорными

8410бб

7 элементами. В дальнейшем подразумеваются конструкции этого типа. Таким образом, следует рассмотреть влияние опорных элементов на ра« бочие характеристики ТВЭЛ, связанные с появлением механического контакта между топливными брикетами и защитным кожухом в процессе возрастания тепловой мощности, выделяемой ТВЭЛ.

При таком кольцевом зазоре механический контакт теперь возникает при меньшем уровне мощности, чем это имеет место для ТВЭЛ с .защитным кожухом, не имеющим внутренних опорных элементов (прокладок . Чем больше высота опорных элементов, тем ниже тепловая мощность, при которой возникает контакт. В данном случае высота опорных элементов подбирается тахим образом,, чтобы механический контакт (c учетом) некоторой пластической деформации опорных элементов возникал прн номи" 20 нальной рабочей мощности. В этой связи. необходимо подчеркнуть, что обычные ТВЭЛ для водяных .реакторов конструируются таким образом, чтобы между топливными брикетами и кожухом 2 имело место минимальное механическое действие.

Как видно из фиг. б,опорный элемент 9 подвергается в поперечном сечении некоторой ограниченной по вели- ЗО чиМе пластической деформации сжатия ввиду того, что действующее на опорный элемент давление первоначально превышает свойственное его материалу сопротивление сжатию. По мере того, как опорный элемент все более сдавливается в своем поперечном сечении, его сопротивление сжатия быстро возрастает, так что дальнейшее сдавливание затрудняется. Из фиг. 7 иллюстрирующей вид продольного сечейия труб- 40 чатого защитного кожуха 1 в местах соприкосновения соседних брикетов, видно, как под воздействием каждого топливного брикета деформируется про- . дольный опоРный элемент 9, вслед- 45 ствие этого образуется неравномерность 10 в пространстве 11 между брикетами б ° Топливные брикеты изготавливают с выемками 12 на торцах, как это показано иа Фиг. 7, чтобы полу- О чить такую форму торцов или неравномерностей 10, чтобы предотвращалось относительное смещение брикета и защитного кожуха по продольной оси.

Сдавливание опорного элемента 9 в продольном направлении получает определенное отражение в форме брикетов .6, внешне входной с очертанием песочных часов. Таким образом, опорные элементы препятствуют местному прямому контакту между внутренней поверх- фф ностью защитного кожуха и острыми краями брикетов на их торцах.

Теперь рассмотрим влияние опорных элементов в такой ситуации, когда механическое взаимодействие, возникаю- 65 щее при.появлении трещины в прочном керамическом тойливном брикете при внезапном увеличении выделяемой мощности, приводит к разрушению защитного кожуха.

Во время работы реактора топливные брикеты б внутри ТВЭЛ подвергаются некоторому растрескиванию, вследствие влияния температурных перепадов внутри брикета. Типичной может быть картина образования радиальных трещин по всему поперечному сечению брикета б, представленная на фиг. 2. В продольном сечении того же брикета наблюдаются поперечные трещины, но в меньшем числе. Во время работы реактора все эти трещины остаются несколько расширенными по направлению к наружной части поперечного сечения

ТВЭЛ.

При возрастании выделяемой мощности эти существующие в брикете трещины еще более расширяются и могут образовываться новые трещины. При таких условиях и при отсутствии опорных элементов возникают нарушения структуры материала защитного кожуха на тех подверженных местным напряжениям участках, которые находятся напротив открывшихся в брикете трещин в зоне его механического контакта с кожухом. Присутствие, опорных элементов радикальным образом меняет механизм образования повреждений в защитном кожухе, связанный с радиальными трещинами, которые влияют на поверхность защитного кожуха.

Следует отметить, что главная часть трещин в брикете образуется на участках между широко расставленными опорными элементами 9, где нет контакта между брикетом и кожухом или этот контакт незначителен (см. фиг. 2).

Поэтому расширение трещин не приводит к возникновению местных перенапряжений и деформированию лежащих напротив этих трещин участков защитного кожуха, а за счет сил трения, действующих на отдельные опорные элементы 9, растягивается все сечение защитного кожуха, лежащее между этими опорными элементами. Абсолютное растяжение этого вида поглощается материалом кожуха тем лучше, чем больше расстояние, на котором действует растяжение, по отношению к ширине трещины, т.е. чем дальше Разделены друг от друга опорные элементы 9.

Далее, трещины в материале брикета, расположенные между опорными элементами, много легче подвергаются дальнейшему расширению, чем одиночные трещины, которые расположены в зоне контакта с опорными элементами.

Для расширения последних необходимо не только преодолеть сопротивление деформации у материала кожуха, но также сопротивление за счет внутреннего трения в материале брикета.

841066

Обращаясь теперь к рассмотрению картины поперечных трещин в керамических топливных брикетах, можно отметить, что эти трещины при отсутствии опорных элементов обычно не вызывают повреждений в материале защитного кожуха при возрастании выделяемой мощности. Причиной этого, по всей вероятности, является .тот факт, что расширению трещин в брикете противостоит одновременно действующее изменение формы брикета, приводящее к тому, что он приобретает форму песочных часов.

Поэтому в данном случае наблюдается сильное противодействие разрушающим усилиям, которые обычно передают» 15 ся на ограниченные участки защитного кожуха, в результате подобных местных относительных перемещений, сопровождающих механическое взаимодействие между брикетом и кожухом, а потому QQ при использовании конструкции с опорными элементами повреждение кожуха будет мало или вообще отсутствует.

Это означает, что подобному противодействию подвергаются и другие явления сходной природы, связанные с

25 механическими взаимодействиями этого типа, например явления усталости и коррозии из-за перенапряжений.

В отношении других видов повреждений, вызываемых относительными

30 периодическими перемещениями брикета и защитного кожуха по продольной оси во время работы реактора,. а именно образования продольных трещин в брикетах и ненормального увеличения дли-35 ны столба брикетов за счет "разбухания", полезная функция опорных элементов проявляется самым простым образом. При первом нарастании выделяемой мощности до такого уровня, при 40 котором достигается механический контакт между брикетами и опорными элементами, последние до некоторой степени сдавливаются по высоте, а особенно в точках вдоль самих брикетов (это45 уже отмечалось выше) . В то же время промежуточные участки опорных элементов в точках соприкосновения между брикетами остаются почти в неприкосновенности или даже несколько увеличиваются по высоте. Таким образом, между торцовыми поверхностями брикетов на опорных элементах образуются участки резких неоднородностей (фиг. 7) или же выступающие небольшие плоскости. Поэтому каждый отдельный 55 брикет остается фиксированным в осевом направлении и его смещение относительно защитного кожуха исключается.

Таким образом, топливные брикеты не способствуют проявлению. дефектов д» г

10 в виде осевых трещин того типа, который ранее был отнесен за счет самоуплотнения или самопроизвольного роста материала брикета. Одновременно с этим исключается и "разбухание" материала брикетов. При брикетах, фиксированных по продольной оси описанным выше способом, увеличение выделяемой мощности приводит к тому, что от каждого отдельного брикета происходит растяжение защитного кожуха в осевом направлении между упоминавшимися ранее небольшими плоскими площадками на опорных элементах, и растяжение равномерно распределяется по всей длине защитного кожуха.

Все изложенное выае способствует безопасности работы тепловыделякщего элемента.

Формула изобретения

1. Тепловыделяющий элемент энер,гетического ядерного реактора, содержащий удлиненный трубчатый кожух, расположенные соосно в кожухе цилиндрические твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образующие столб топливных брикетов, соприкаса-. ющийся с опорными элементами внутри кожуха, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности эа счет уменьшения механического взаимодействия между столбом топливных брикетов и кожухом во время эксплуатации, трубчатый кожух имеет, по меньareA мере, три равномерно распределен ных опорных элемента, выполненных в виде профилированных продольных ребер высотой не более 0,05 мм, расположенных вдоль внутренней цилиндричесI кой поверхности кожуха.

2. Элемент по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде кругового сегмента, образованного внутренней окружностью защитного кожуха и хордой.

3. Элемент по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде трапеции.

4, Элемент по и. 1, о т л и ч аю щ и и с. я тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде треугольника с закругленным выступом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ерамеров A..È. Вопросы конструирования ядерных реакторов. И., Атомиздат, 1971, с. 137, рис. 7,1.

2. Патент Англии Р 1233689, кл. G б С опублик. 1970.

841066

Составитель В. Бесков

Редактор Г. Волкова Техред A Бабинвц : Еорректор Г. иаварова . аказ 4795/80, Тирам 476 Поддисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, X-35, Раушская наб., д. 4/5 т

Филиал ППП "Патент", r, Уагород, ул. Проектная,

Тепловыделяющий элемент энергети-ческого ядерного peaktopa Тепловыделяющий элемент энергети-ческого ядерного peaktopa Тепловыделяющий элемент энергети-ческого ядерного peaktopa Тепловыделяющий элемент энергети-ческого ядерного peaktopa Тепловыделяющий элемент энергети-ческого ядерного peaktopa Тепловыделяющий элемент энергети-ческого ядерного peaktopa Тепловыделяющий элемент энергети-ческого ядерного peaktopa 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области атомной техники

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

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к невентилируемым газозаполненным тепловыделяющим элементам (твэлам) на основе диоксида урана, и может быть использовано в составе высокотемпературного газоохлаждаемого быстрого реактора ядерной энергетической установки (ЯЭУ) космического назначения

Изобретение относится к ядерной технике, конкретно к твэлам стержневого типа с керамическими топливными таблетками

Изобретение относится к тепловыделяющей сборке для ядерного реактора и её применению. Тепловыделяющая сборка для ядерного реактора содержит пучок топливных стержней с первой группой топливных стержней и второй группой топливных стержней. Каждый топливный стержень содержит трубчатую оболочку и стопку топливных таблеток, заключенных внутри трубчатой оболочки. По меньшей мере основная часть топливной стопки содержит ядерный делящийся материал, содержащий плутоний и торий, и выполнена с осевым отверстием. Упомянутая основная часть топливной стопки каждого топливного стержня первой группы имеет первое осевое отверстие, образующее первый объем, а упомянутая основная часть топливной стопки каждого топливного стержня второй группы имеет второе осевое отверстие, образующее второй объем. Первый и второй объемы являются различными. Технический результат – улучшение эффективности использования делящегося плутония в Th-MOX-топливе для применения в тепловыделяющей сборке той же конструкции, которой обладает тепловыделяющая сборка для UOX-топлива. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх