НЕВЕНТИЛИРУЕМЫЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

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.

В патентной и научно-технической литературе достаточно широко представлены и обобщены конструкции невентилируемых твэлов применительно к водо- и газоохлаждаемым реакторам промышленного назначения, которые эксплуатируются при относительно низких рабочих температурах (температура оболочки находится на уровне 300-500°С). Поэтому они не могут быть использованы в составе высокотемпературных реакторов космических ЯЭУ без существенных изменений конструкции и выбора приемлемых топливных и конструкционных материалов.

В частности, представлены конструктивные варианты твэла на основе металлического урана с рабочей температурой до 500°С, твэлы газоохлаждаемого реактора на основе диоксида урана со стальной оболочкой, твэлы дисперсионного типа с матрицей из алюминия и его сплавов, для которых рабочая температура оболочки находится в диапазоне 100-230°С, а также твэлы дисперсионного типа с матрицей из нержавеющей стали [см., например, А.С.Займовский, В.В.Калашников, И.С.Головнин. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов, М.: Атомиздат, 1966, с.334-336, с.368, с.382, с.389].

Твэлы высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (HTGR) промышленного назначения допускают рабочую температуру на топливе из UC₂ или UO₂ до 1500°С. Однако они предназначены для тепловых реакторов и имеют низкую загрузку по делящемуся материалу, так как топливо в виде частиц находится в графитовом замедлителе, а частицы для обеспечения совместимости имеют дополнительное покрытие из SiC. [Б.Фрост. Твэлы ядерных реакторов, М.: Энергоатомиздат, 1986, с.182-183].

Известен невентилируемый газозаполненный твэл, включающий оболочку из циркониевого сплава Н-1, сердечник в виде набора по высоте сплошных или кольцевых таблеток из диоксида урана с закрытой пористостью (плотность ≥95% от теоретической) при крупности пор 2-3 мкм, инертный газовый заполнитель, компенсационный объем и фиксирующий элемент, размещенный со стороны выхода теплоносителя. [Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головнин. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, М.: Энергоатомиздат, 1995, с.40-46, с.91].

Этот твэл по конструктивным признакам является наиболее близким к предлагаемому, однако он не обладает длительным ресурсом в условиях высокотемпературной эксплуатации по следующим причинам:

- при характерных высоких рабочих температурах твэла космической ЯЭУ (максимальные температуры оболочки и сердечника находятся на уровне 1500°С и 1800°С соответственно) плотный диоксид урана имеет высокую скорость газового распухания (10-20%/% т.а.), что приводит к недопустимой величине радиальной деформации оболочки при рассматриваемых длительных (5-10 лет) ресурсах. [А.С.Гонтарь, М.В.Нелидов и др. Проблемы разработки термоэмиссионных твэлов. Тезисы докл. Отраслевой юбилейной конференции "Ядерная энергетика в космосе". Обнинск, 1990, с.193-195];

- не решена задача обеспечения геометрической стабильности оболочки в начальный период эксплуатации твэла при воздействии одностороннего высокого давления (2-4 МПа) газового теплоносителя;

- отсутствует обоснование возможности отвода газообразных продуктов деления (ГПД) из полости сердечника в компенсационный объем в условиях массопереноса диоксида урана при высоких рабочих температурах твэла;

- используемый поликристаллический материал оболочки не обеспечивает требуемых жестких ограничений на поступление компонент топлива и продуктов деления в газовый теплоноситель при высоких температурах вследствие зернограничной диффузии.

Перед авторами стояла задача обеспечения пространственной стабильности оболочки высокотемпературного твэла в течение длительного ресурса в условиях воздействия знакопеременных нагрузок со стороны газового теплоносителя, распухающего сердечника на основе диоксида урана и нарастающего давления ГПД в полости твэла при одновременном ограничении поступления продуктов деления и компонентов топлива в газовый теплоноситель реактора.

Для решения поставленной задачи авторами предложена конструкция невентилируемого тепловыделяющего элемента, включающего оболочку, сердечник из диоксида урана в виде набора по высоте кольцевых таблеток, инертный газовый заполнитель, компенсационный объем и фиксирующий элемент, в котором оболочка выполнена из жаропрочного монокристаллического материала, сердечник со стороны выхода теплоносителя из реактора на длине, составляющей не менее 0,6-0,8 от длины активной зоны, выполнен из таблеток с преимущественно открытой пористостью и размером пор не менее 10 мкм, а фиксирующий элемент и компенсационный объем размещены со стороны входа теплоносителя в реактор и выполнены сообщающимися между собой и с центральным каналом, образованным кольцевыми таблетками и снабженным заглушкой со стороны выхода теплоносителя, при этом отношение объема открытой пористости сердечника к суммарному свободному объему в твэле, который включает общую пористость сердечника и объем центрального канала, составляет 0,2-0,7.

В качестве материала оболочки может быть выбран либо монокристаллический сплав W+(3÷5)% мас. Та, либо монокристаллический сплав W+(l-3)% мас. Nb, либо монокристаллический сплав Мо+(3-4)% мас. Nb.

Оболочка из монокристаллического сплава выполнена на всю длину активной зоны протяженностью 300-500 мм.

В качестве газового заполнителя может использоваться Не либо смесь Не+Хе.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструктивная схема предложенного тепловыделяющего элемента.

На фиг.2 - скорость миграции вакуумных и газозаполненных пор в сердечнике в зависимости от их размера.

На фиг.1 показаны: 1 - тепловыделяющий сердечник с центральным продольным каналом; 2 - оболочка твэла; 3 - торцевые отражатели; 4 - компенсационный объем; 5 - фиксирующий элемент.

Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается совместным влиянием взаимосвязанных существенных признаков на ресурсное поведение твэла и обосновывается следующим.

По экспериментальным данным, полученным авторами, открытая пористость в сердечнике 1 на уровне 10-15% приводит к уменьшению скорости газового распухания в 2-2,5 раза при одновременном увеличении скорости ползучести в 5-10 раз. Уменьшение скорости распухания диоксида приводит к соответствующему уменьшению деформации оболочки, а увеличение скорости его ползучести способствует более эффективному перераспределению оболочкой 2 распухающего топлива в направлении центрального канала в тепловыделяющем сердечнике.

В то же время часть активной зоны по длине твэла, составляющей не более 0,2-0,4 ее общей длины, со стороны входа теплоносителя может эксплуатироваться при относительно низкой температуре диоксида урана (менее 1200°С), когда его газовое распухание не проявляется, а имеющее место практически независящее от температуры твердое распухание не лимитирует ресурс твэла, так как характеризуется низкой скоростью и составляет ~0,3%/% т.а. В этом случае целесообразно указанный участок столба топливных таблеток выполнить из плотного диоксида урана (95-97% теоретической плотности), что дает пропорциональное повышение плотности, увеличение содержания ²³⁵U в топливе и соответствующее уменьшение габаритов твэла и реактора в целом. Таким образом, протяженность участка сердечника с открытой пористостью со стороны выхода теплоносителя составляет не менее 0,6-0,8 от длины активной зоны.

Наряду с распуханием вследствие высоких температур рассматриваемого твэла активизировано и газовыделение из диоксида урана, которое также может вносить существенный вклад в деформацию ползучести оболочки. Однако этот процесс не является основным ресурсоограничивающим фактором, поскольку давление ГПД в твэле обычно снижают до приемлемого уровня выбором величины компенсационного объема, который размещается за пределами активной зоны реактора и поэтому в меньшей мере влияет на его массогабаритные характеристики.

Поскольку в предложенной конструкции использован диоксид урана с открытой пористостью, то выход ГПД за счет этого дополнительно увеличивается. Проведенные по известной модели Буса оценки показали, что это увеличение не превышает 30-40%. Так как компенсационный объем 4 и фиксирующий элемент 5 конструктивно объединены и выполнены сообщающимися, то свободный объем для компенсации давления ГПД увеличивается за счет свободного объема фиксирующего элемента и по расчетам составляет 1,3-1,5 от значения компенсационного объема до объединения с фиксирующим элементом. Такое увеличение объема является достаточным для компенсации указанного дополнительного газовыделения без увеличения габаритов твэла. Возможность размещения фиксирующего элемента со стороны входа теплоносителя связана с тем, что рабочая температура оболочки на входном участке рассматриваемого твэла достигает 1000-1200°С и является достаточной для быстрой релаксации исходных напряжений в фиксирующем элементе, например, в виде стальной пружины при выходе твэла на номинальный режим работы. Исходные напряжения в фиксирующем элементе необходимы для создания осевого усилия на столб топливных таблеток в обеспечение их вибропрочности в режиме запуска ЯЭУ на целевую орбиту.

Необходимая величина пористости в диоксиде урана для оптимизации его эксплуатационных характеристик по экспериментальным данным, полученным авторами, составляет, как отмечалось, 10-15%, а допустимая по нейтронно-физическим характеристикам реактора величина суммарного свободного объема пористости и центрального канала в твэлах космических ЯЭУ не превышает 20-30% [Г.М.Грязнов, Е.Е.Жаботинский и др. Термоэмиссионные реакторы-преобразователи космических ЯЭУ. - Атомная энергия, 1989, т.66, вып.6, с.374-377]. Объединение этих требований определяет допустимые значения (0,2-0,7) отношения объема пористости в диоксиде урана к суммарному свободному объему в твэле на длине, где использован диоксид урана с указанной выше пористостью.

Эффективность перераспределения распухания диоксида в направлении центрального канала в сердечнике, а также сохранение стабильного диаметрального размера оболочки при одностороннем внешнем давлении газового теплоносителя в начальный период эксплуатации твэла обеспечивается использованием упрочненного монокристаллического сплава, например, W-3% мас. Та, имеющего скорость ползучести при рабочих напряжениях на ~3 порядка ниже, чем у базового (W_моно) материала. Упрочнение того же уровня достигается и в других монокристаллических сплавах на основе вольфрама, но в рассматриваемом быстром реакторе предпочтительно использовать легирование танталом, который имеет резонансный захват тепловых нейтронов, что способствует ядерной безопасности в аварийной ситуации, связанной с попаданием реактора в воду. Необходимость использования монокристаллического материала оболочки связана с указанным выше высоким эффектом его упрочнения и малым проникновением через оболочку компонентов топлива и продуктов деления: скорость диффузионного проникновения урана через монокристаллическую оболочку на ~2 порядка ниже, чем в случае поликристаллического материала. [А.С.Гонтарь, М.В.Нелидов и др. Конструкционные и топливные материалы твэлов термоэмиссионных ЯЭУ. - Атомная энергия, 2005, т.99, вып.5, с.365-371].

Возможность легирования сплава W-Ta до ~5% мас. Та с целью дальнейшего снижения скорости ползучести в 5-7 раз без существенной потери пластичности позволяет эксплуатировать твэл при относительно более высоком давлении ГПД в твэле, уменьшив за счет этого величину компенсационного объема и улучшив тем самым массогабаритные характеристики твэла и реактора в целом.

В обоснование выбора преимущественного размера и вида технологических пор на фиг.2 представлены расчетные значения скорости миграции вакуумных и заполненных инертным газом (Не, Хе) пор в зависимости от их размера и газового давления. Расчеты проведены для наиболее напряженного поперечного сечения рассматриваемого нами твэла с жестким сочетанием в нем температуры (1750°С) и температурного градиента (900 град/см). Минимальное рабочее давление инертного газа принято равным 0,4 МПа, что соответствует обычно используемому для уменьшения перепада температуры в зазоре между сердечником и оболочкой давлению заполнения гелием, равному ~0,1 МПа при комнатной температуре.

Видно, что в области малых характерных для прототипа размеров пор (<3 мкм) все кривые сливаются в одну, так как в этом случае миграция пор контролируется поверхностной диффузией и поэтому практически не зависит от среды и давления в поре, остается одинаковой для закрытых пор, как в прототипе, так и при использовании открытой пористости. Реализуемые в этом случае высокие скорости миграции не позволяют исходную пористость локализовать в сердечнике в течение заданного длительного ресурса 5-10 лет: при характерной толщине стенки таблетки 3-4 мм пористость, как следует из фиг.2, выходит из топлива за времена, существенно меньшие ресурса.

Используя как в прототипе закрытую пористость и увеличивая радиус вакуумных пор свыше 5 мкм, снова приходим, как видно из фиг.2, к неприемлемо высоким скоростям миграции, так как в этом случае миграция осуществляется по механизму испарения-конденсации паров диоксида урана. Предлагаемое использование открытой пористости в этом диапазоне размеров пор приводит к существенно более низким скоростям миграции, так как массоперенос в порах осуществляется диффузией молекул диоксида в газовой среде гелия и пористость остается практически стабильной. В случае, когда открытые поры заполнены ксеноном, скорость миграции пор дополнительно снижается примерно на порядок. Этот случай отражает реальные условия работы рассматриваемого твэла, в котором газовое давление за ресурс увеличивается до 2-3 МПа за счет выхода ГПД (в основном ксенона). Поскольку Хе более эффективно, чем Не замедляет массоперенос, то он также может рассматриваться в качестве газового заполнителя твэла предпочтительно в смеси с Не, который существенно увеличивает теплопроводность смеси с низкотеплопроводным Хе.

В целом данные фиг.2 свидетельствуют о стабильности исходных технологических пор диаметральным размером не менее 10 мкм в газовой среде инертного газа при давлении заполнения более 0,1 МПа. Эти данные обосновывают также работоспособность центрального канала сердечника с точки зрения обеспечения отвода ГПД из сердечника в компенсационный объем. Канал благодаря газовому давлению остается не заблокированным конденсатом диоксида урана, так как характерный осевой градиент температуры находится на уровне 100 град/см, а диаметр канала составляет 3-5 мм и таким образом в нем реализуются менее напряженные, чем в порах, условия для массопереноса. Центральный канал со стороны входа теплоносителя соединен с компенсационным объемом отверстием в торцевом отражателе 3, а со стороны выхода теплоносителя для предотвращения выноса диоксида урана за пределы активной зоны снабжен заглушкой, в виде верхнего сплошного торцевого отражателя 3.

Описанное техническое решение направлено, прежде всего, на снижение газового распухания диоксида урана и сохранение этого эффекта при длительном ресурсе в обеспечение пространственной стабильности твэла при вышеуказанных рабочих температурах диоксида.

Пример конкретного осуществления изобретения.

Сердечник 1 тепловыделяющего элемента по настоящему изобретению выполнен из диоксида урана с преимущественно открытой пористостью 10% в виде кольцевых таблеток с наружным диаметром 14,9 мм и внутренним - 3 мм. Оболочка 2 толщиной 1 мм и внешним диаметром 15 мм изготовлена из упрочненного монокристаллического сплава W+3% мас. Та на всю длину активной зоны протяженностью 500 мм. Скорость ползучести указанного сплава на 3 порядка ниже, чем базового материала W_моно, а коэффициент диффузии урана на ~2 порядка ниже, чем у W_поли. Внутренняя полость твэла заполнена гелием с давлением 0.1 МПа. Торцевой отражатель 3 высотой 60 мм изготовлен из ВеО, при этом со стороны выхода теплоносителя изготовлен без центрального отверстия и выполняет одновременно функцию торцевой заглушки, предотвращающей вынос диоксида за пределы активной зоны твэла. Отражатель 3 со стороны входа теплоносителя снабжен центральным каналом, соосным с центральным каналом сердечника, и выполнен сообщающимся с компенсационным объемом 4 и далее с последовательно размещенным фиксирующим элементом 5 в виде пружины сжатия, изготовленной из прочной стали 10Х11Н2373 МР. Высота компенсационного объема и высота фиксирующего элемента выбраны равными 0,3 и 0,15 от длины активной зоны твэла соответственно.

На этапе запуска реактора на орбиту при воздействии на твэл вибрационной нагрузки (с осевой перегрузкой 10g) напряжения в витках пружины (20 витков диаметром 2 мм) остаются в упругой области, предотвращают таблетки от разрушения и быстро релаксируют при разогреве твэла, обеспечивая возможность беспрепятственного термического перемещения сердечника относительно оболочки.

В ресурсе при характерных рабочих параметрах твэла газоохлаждаемой космической ЯЭУ (максимальные значения температуры оболочки и плотности энерговыделения составляют 1500°С и 100 Вт/см³ соответственно) оболочка сохраняет стабильные размеры при воздействии внешнего газового давления 3 МПа, распухающего сердечника и давления ГПД в течение ресурса более 5 лет.