[go: up one dir, main page]

RU2524681C2 - Твэл ядерного реактора - Google Patents

Твэл ядерного реактора Download PDF

Info

Publication number
RU2524681C2
RU2524681C2 RU2012145112/07A RU2012145112A RU2524681C2 RU 2524681 C2 RU2524681 C2 RU 2524681C2 RU 2012145112/07 A RU2012145112/07 A RU 2012145112/07A RU 2012145112 A RU2012145112 A RU 2012145112A RU 2524681 C2 RU2524681 C2 RU 2524681C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
fuel rod
rod according
nuclear
shell
Prior art date
Application number
RU2012145112/07A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012145112A (ru
Inventor
Сергей Владленович Павлов
Алексей Васильевич Сухих
Сергей Сергеевич Сагалов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов" filed Critical Открытое акционерное общество "Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов"
Priority to RU2012145112/07A priority Critical patent/RU2524681C2/ru
Publication of RU2012145112A publication Critical patent/RU2012145112A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2524681C2 publication Critical patent/RU2524681C2/ru

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано при создании тепловыделяющих элементов (твэлов) для атомных реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Технический результат - повышенный теплосъем в твэле ядерного реактора, что позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики твэлов ядерных реакторов. Твэл ядерного реактора, содержащий герметичную оболочку с размещенным в ней топливным сердечником и свободные объемы, дополнительно содержит рабочую жидкость с точками плавления и кипения, соответствующими диапазону рабочих температур на периферии у оболочки и в центре топливного сердечника, а топливный сердечник содержит ядерное топливо капиллярной структуры с сообщающейся пористостью. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано при создании тепловыделяющих элементов (твэлов) для атомных реакторов на тепловых и быстрых нейтронах.
Известен стержневой твэл для ядерного реактора, состоящий из трубчатой оболочки из коррозионно-стойкой стали или циркониевого сплава, герметизированной на торцах заглушками, топливного сердечника из делящегося вещества в виде гранул, таблеток, втулок (таблетки с центральным каналом), нижнего и верхнего газосборника, заполненных инертным газом гелием.
Недостаточно эффективный теплосъем при использовании гелиевого подслоя, приводящий к повышению температуры топливного сердечника и оболочки в нерегламентных ситуациях - основной недостаток такого типа твэлов, широко используемых как в нашей стране, так и за рубежом.
Известен стержневой твэл для реактора на быстрых нейтронах, состоящий из оболочки, заглушенной на торцах, топливного сердечника в виде стержней или таблеток из UPuN, UPuC, UPuZr и жидкого металла, заполняющего зазор между топливом и оболочкой, нижний и частично верхний свободные объемы [Решетников Ф.Г., Бибилашнили Ю.К., Головнин И.С. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов: в 2 кн. / Под ред. Ф.Г.Решетникова. М.: Энергоатомиздат, 1995]. Использование жидкометаллического подслоя способствует улучшению теплопередачи только на начальной стадии эксплуатации. В дальнейшем из-за свеллинга - газового распухания - зазор между топливом и оболочкой исчезает, жидкий металл вытесняется в свободные объемы и не оказывает существенного влияния на теплосъем с поверхности твэла.
Задачей заявляемого технического решения является реализация повышенного теплосъема в твэле ядерного реактора, что позволит существенно повысить эксплуатационные характеристики твэлов ядерных реакторов.
Для решения этой задачи твэл ядерного реактора, включающий герметичную оболочку с размещенным в ней топливным сердечником и свободные объемы, дополнительно содержит рабочую жидкость с точками плавления и кипения, соответствующими диапазону рабочих температур на периферии у оболочки и в центре топливного сердечника, а топливный сердечник содержит ядерное топливо капиллярной структуры с сообщающейся пористостью.
В качестве ядерного топлива используют уран, торий, плутоний в виде металла, сплава или химического соединения, выбранного из ряда: интерметаллид, оксид, нитрид, карбид, в таблетках с центральным каналом и аксиальными проточками на внешней поверхности для создания капиллярной структуры.
В качестве рабочей жидкости используют щелочные металлы, а также серебро, кальций, сурьму, стронций, барий, таллий, индий, свинец, висмут или их сплавы.
Внутренняя поверхность верхнего свободного объема твэла содержит капиллярную структуру в виде экрана, сетки, пористого тела и т.п.
Оболочка твэла может быть выполнена полностью из коррозионно-стойкой аустенитной или ферритно-мартенситной стали, или составной: в районе верхнего свободного объема - из аустенитной, а на участке нижнего свободного объема и топливного сердечника - из ферритно-мартенситного стали.
Твэл содержит фильтры-сорбенты холодной и горячей очистки, размещенные в его нижнем и верхнем свободных объемах, соответственно.
Изготовление твэла, в котором сердечник из ядерного топлива (уран, плутоний в виде металла, сплава или химического соединения) выполнен с системой сообщающейся пористости (гранулят, таблетки с центральным каналом и зазором как между таблетками, так и у оболочки), а нижний свободный объем, пористый сердечник и часть верхнего свободного объема заполнены жидким металлом, например натрием, позволяет достичь поставленной цели, а именно реализовать эффективный теплосъем по механизму замкнутой тепловой трубы при его эксплуатации в вертикальном положении в активной зоне ядерного реактора.
В высокотемпературной части топливного сердечника натрий превращается в пар (Tкип.Na=880°С), перемещается по центральному каналу (или порам в грануляте) в верхний газосборник (Тгаз.=600-700°С), конденсируется на стенках его оболочки и под действием гравитации (и капиллярных сил) стекает по зазору в нижнюю часть сердечника, после чего процесс повторяется.
Для регулирования температуры в твэле с теплосъемом по механизму тепловой трубы используют гофрирование или оребрение оболочки верхнего свободного объема, а также добавление к рабочей жидкости неконденсирующегося газа. Газ вытесняется потоком пара в зону конденсации, где устанавливается относительно резкая граница раздела, выше которой теплоотвод практически отсутствует. Таким образом, перемещая границу раздела, варьируя порции вносимого газа, можно изменять поверхность теплопередачи в верхнем свободном объеме, а следовательно, регулировать температуру топлива в твэле.
Реализация эффективного теплосъема с твэлов способствует:
- повышению безопасности ядерного реактора из-за уменьшения теплосодержания в его активной зоне;
- улучшению совместимости топлива с оболочкой из коррозионно-стойкой стали и циркониевого сплава;
- снижению вакансионного распухания оболочек из аустенитных хромоникелевых сталей из-за существенного уменьшения их рабочей температуры в области максимального флюенса нейтронов;
- созданию условий для применения в качестве материала оболочек активной части твэла слабо распухающих ферритно-мартенситных сталей (материал оболочки верхнего газосборника - аустенитная хромоникелевая сталь, например ЧС-68).
На фиг.1 изображен продольный разрез твэла реактора на быстрых
нейтронах, где:
1 - защитная оболочка активной части твэла;
2 - оболочка верхнего газосборника твэла;
3 - переходник;
4 - верхняя заглушка;
5 - нижняя заглушка;
6 - топливный сердечник с системой сообщающейся пористости;
7 - нижний объем, свободный от топлива;
8 - верхний свободный объем, предназначенный для сбора газообразных продуктов деления;
9 - пористая пробка, фиксирующая топливный сердечник;
10 - рабочее вещество - жидкий металл, заполняющий нижний свободный объем, топливный сердечник с системой сообщающейся пористости и частично верхний свободный объем;
11 - фильтры-сорбенты для очистки рабочего вещества от примесей;
12 - направление потока рабочей жидкости.
Фиг.2 демонстрирует виды капиллярных структур: 13 - материал стенки, 14 - многослойная сетка или пористое тело, 15 - пористый экран.
На фиг.3 представлены макро- (а) и микроструктура (б) шлифов экспериментальных твэлов с гелиевым (1) и натриевым (2) заполнением (центр A3).
Тепловыделяющий элемент для ядерного реактора содержит оболочку 1, герметизированную с торцов верхней 2 и нижней 3 заглушками, во внутренней полости которой размещены топливный сердечник 4 с сообщающейся пористостью, нижний 5 и верхний 6 свободные от топлива объемы. Топливный столб фиксируется пористой пробкой 7, приваренной точечной сваркой к оболочке. Рабочим веществом - жидким металлом 8 заполнен нижний свободный объем, топливный сердечник и часть верхнего свободного объема. Верхний и нижний свободные объемы содержат фильтры-сорбенты 9, например, на основе металлической стружки, цеолита, активированного угля, очищающие рабочее вещество от примесей по механизму «холодной ловушки» и химической «горячей очистки».
На фиг.3 представлены результаты металлокерамографических исследований двух соседних твэлов с гранулированным оксидным топливом (эффективная плотность 8,84 г/см3, О/М=2,001-2,003) и оболочкой из стали аустенитного класса 0Х16Н15М3Б (сечение трубы 6,0×0,3 мм) с гелиевым и натриевым заполнением. Твэлы облучались в составе экспериментальной ТВС реактора БОР-60 при максимальной удельной тепловой нагрузке 420 Вт/см.
В отличие от твэла с гелиевым подслоем (фиг.3а, 1) в твэле с натриевым заполнением не произошло переформирование исходной структуры гранулированного топлива, зона столбчатых зерен и центральная полость не образовались. Это свидетельствует о том, что теплосъем по механизму тепловой трубы снизил температуру центра топлива с больше чем 2200°С до меньше чем 1600°С.
В твэле с натриевым заполнением отсутствовали признаки взаимодействия топлива с оболочкой. В твэлах с гелиевым подслоем коррозия стали со стороны топлива была значительной. Несколько твэлов с гелиевым заполнением в ЭТВС вышли из строя из-за появления сквозных дефектов оболочки коррозионного происхождения. Профилометрические исследования показали меньшую в ~3 раза величину вакансионного распухания оболочки твэла с натриевым заполнением по сравнению с твэлами с гелиевым подслоем.
Снижение температуры открывает заманчивую перспективу применения в качестве материала оболочки активной части твэла слабораспухающей ферритно-мартенситной стали, в настоящее время не используемой из-за ее невысокой длительной прочности при температурах, реализуемых в энергетическом реакторе на быстрых нейтронах БН-600.

Claims (7)

1. Твэл ядерного реактора, включающий герметичную оболочку с размещенным в ней топливным сердечником, верхний и нижний свободные объемы, отличающийся тем, что дополнительно содержит рабочее вещество, находящееся при эксплуатации в двухфазном состоянии: жидком у оболочки и парообразном в центре топливного сердечника, выполненного с сообщающейся пористостью, позволяющее реализовать эффективный теплосъем по механизму замкнутой тепловой трубы
2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что в качестве ядерного топлива используют уран, уран с плутонием или торий с ураном в виде металла, сплава или химического соединения, выбранного из ряда: нитрид, карбид, оксид.
3. Твэл по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют серебро, кальций, сурьму, стронций, барий, таллий, индий, щелочные металлы, свинец, висмут или их сплавы.
4. Твэл по п.1, отличающийся тем, что в качестве топливного сердечника капиллярной структуры используют таблетки с центральным каналом и аксиальными (вертикальными) проточками на внешней поверхности или гранулят.
5. Твэл по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность его верхнего свободного объема содержит капиллярную структуру в виде экрана, сетки или пористого тела.
6. Твэл по п.1, отличающийся тем, что его оболочка выполнена составной: из ферритно-мартенситной и аустенитной коррозионно-стойких сталей на участке топливного сердечника и в районе верхнего свободного объема соответственно или цельной - полностью из каждой из этих сталей.
7. Твэл по п.1, отличающийся тем, что его нижний свободный объем содержит фильтры-сорбенты на основе металлической стружки, цеолита или активированного угля, очищающие рабочее вещество от примесей по механизму «холодной ловушки» и химической «горячей очистки».
RU2012145112/07A 2012-10-23 2012-10-23 Твэл ядерного реактора RU2524681C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012145112/07A RU2524681C2 (ru) 2012-10-23 2012-10-23 Твэл ядерного реактора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012145112/07A RU2524681C2 (ru) 2012-10-23 2012-10-23 Твэл ядерного реактора

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012145112A RU2012145112A (ru) 2014-05-27
RU2524681C2 true RU2524681C2 (ru) 2014-08-10

Family

ID=50774913

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012145112/07A RU2524681C2 (ru) 2012-10-23 2012-10-23 Твэл ядерного реактора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2524681C2 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2636931C2 (ru) * 2015-12-08 2017-11-29 Юрий Васильевич Потапов Способ изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора
WO2019132710A1 (ru) 2017-12-29 2019-07-04 Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Способ переработки нитридного отработавшего ядерного топлива в солевых расплавах
WO2020009600A1 (ru) * 2018-07-04 2020-01-09 Акционерное Общество "Твэл" Ядерный реактор с водой под давлением
RU2760492C1 (ru) * 2020-12-31 2021-11-25 Акционерное общество «Научно-технический центр «Диапром» Тепловыделяющий элемент ядерного реактора

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2170956C1 (ru) * 2000-07-31 2001-07-20 Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара Твэл ядерного реактора
JP2002116288A (ja) * 2000-10-06 2002-04-19 Hitachi Ltd 原子炉の燃料棒及びその製作方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2170956C1 (ru) * 2000-07-31 2001-07-20 Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара Твэл ядерного реактора
JP2002116288A (ja) * 2000-10-06 2002-04-19 Hitachi Ltd 原子炉の燃料棒及びその製作方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
САМОЙЛОВ А.Г. и др., Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, учебное пособие для ВУЗов, Москва, Энергоатомиздат, 1996, с. 317-320. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2636931C2 (ru) * 2015-12-08 2017-11-29 Юрий Васильевич Потапов Способ изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора
WO2019132710A1 (ru) 2017-12-29 2019-07-04 Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Способ переработки нитридного отработавшего ядерного топлива в солевых расплавах
WO2020009600A1 (ru) * 2018-07-04 2020-01-09 Акционерное Общество "Твэл" Ядерный реактор с водой под давлением
RU2759217C1 (ru) * 2018-07-04 2021-11-11 Акционерное Общество "Твэл" Ядерный реактор с водой под давлением
RU2760492C1 (ru) * 2020-12-31 2021-11-25 Акционерное общество «Научно-технический центр «Диапром» Тепловыделяющий элемент ядерного реактора

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012145112A (ru) 2014-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103295652B (zh) 采用陶瓷包壳金属芯块的核燃料棒
CN102047342B (zh) 核裂变反应堆燃料组件及其制造方法
KR101218774B1 (ko) 고속로용 핵연료봉
CN101504872B (zh) 先进灰棒控制组件
RU2524681C2 (ru) Твэл ядерного реактора
KR20130092543A (ko) 경수로에서의 사용을 위한 트리우라늄 디실리사이드 핵 연료 조성물
RU2170956C1 (ru) Твэл ядерного реактора
CN103778972A (zh) 一种带轴向分区控制棒与重金属吸收体棒的控制棒组件
RU2013101773A (ru) Твердая промежуточная прокладка с открытой пористостью для ядерного управляющего стержня
CN107230503B (zh) 一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构
RU2691628C1 (ru) Твэл ядерного реактора
WO2015195115A1 (en) Triso-isotropic (triso) based light water reactor fuel
RU89904U1 (ru) Твэл ядерного реактора
JP4559957B2 (ja) 燃料集合体及び炉心にこの燃料集合体が装荷された原子炉
CN205428498U (zh) 燃料组件及其提高反应堆安全性的燃料棒
RU2126181C1 (ru) Поглощающий элемент органа регулирования атомного реактора
RU2468453C1 (ru) Стержень управления и защиты ядерного реактора
RU180840U1 (ru) Твэл дисперсионного типа
CN209822287U (zh) 一种减小pci效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒
RU112483U1 (ru) Твэл ядерного реактора
RU2119199C1 (ru) Поглощающий сердечник органа регулирования атомного реактора
RU2347289C1 (ru) Твэл ядерного реактора
RU70040U1 (ru) Твэл ядерного реактора
US20130114780A1 (en) Nuclear core component
RU2178595C2 (ru) Топливная сборка ядерного реактора