Тепловыделяющий элемент ядерного энергетического реактора на быстрых нейтронах

 

Изобретение относится к конструкциям твэлов ядерных реакторов на быстрых нейтронах и может быть использовано в ядерной энергетике. Цель изобретения - повышение надежности твэлов за счет обеспечения размерной стабильности оболочки при рабочем уровне температур оболочки от 370 до 710^oС. Твэл выполнен составным, состоящим из двух соединенных между собой в осевом направлении частей с автономными объемами, причем низкотемпературная часть оболочки изготавливается из стали ферритомартенситного класса, а высокотемпературная - из жаропрочной стали аустенитного класса. 4 ил.

Изобретение относится к конструкциям тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных энергетических реакторов на быстрых нейтронах и может быть использовано в ядерной энергетике. Целью изобретения является повышение надежности твэла за счет обеспечения размерной стабильности оболочки при рабочем уровне температур оболочки от 370 до 710^oC. На фиг. 1 схематически изображен твэл, осевое сечение; на фиг.2 график зависимости распухания материала от температуры; на фиг.3 график зависимости относительного удлинения материала от температуры; на фиг.4 график зависимости напряжения разрушения от времени. Нижняя (низкотемпературная) часть твэла имеет оболочку 1 из стали ферритомартенситного класса, например 12Х13М2ВФР. Низкотемпературная часть твэла герметизирована нижней концевой деталью 2 и верхней концевой деталью 3. В верхней части низкотемпературного твэла расположена часть топливного столба 4, ниже располагается нижний торцовый экран 5. Топливный столб и нижний торцовый экран поддерживаются в нужном положении пружиной, расположенной в нижней газовой полости 6. Верхняя (высокотемпературная) часть твэла имеет оболочку 7 из стали аустенитного класса, например ОХ16Н15МЗБ. Высокотемпературная часть твэла герметизирована верхней концевой деталью 8 и нижней концевой деталью 9. В нижней части высокотемпературного твэла расположена часть топливного столба 10, выше располагается верхний торцовый экран 11. Топливный столб и верхний торцовый экран поддерживаются в нужном положении пружиной, расположенной в верхней газовой полости 12. Как вариант на чертеже представлено неразъемное соединение верхней и нижней частей твэла посредством штифта 13, входящего в отверстия в гнездовой части концевой детали 3 и в пальцевой части концевой детали 9. От выпадания в процессе эксплуатации штифт фиксируется в отверстии, например, прихваткой сваркой плавлением в точке. При этом разрыв топливного столба между нижней и верхней частью не превышает 13 15 мм. Работа твэла осуществляется следующим образом. Теплоноситель, например жидкометаллический, имеющий начальную температуру около 370^oC, входит со стороны концевой детали 2 и движется вдоль оболочки 1 из стали ферритомартенситного класса, например из стали 12Х13М2БФР, нагреваясь при подходе к концевым деталям 3 и 9, соединенным при помощи штифта 13, за счет энергии, выделяемой при выгорании ядер части топливного столба 4 активной зоны реактора. При этом температура оболочки 1 с учетом местных перегревов находится в пределах 370 620^o. В этом диапазоне температур указанный материал оболочки 1 имеет малое распухание и ползучесть (см. фиг.2, кривая 14), достаточные пластичность (см.фиг.3, кривая 15) и жаропрочность (см.фиг.4, кривая 16). Далее теплоноситель двигается вдоль оболочки 7 из стали (сплава) аустенитного класса, например ОХ16Н15МЗБ, нагреваясь за счет энергии, выделяемой тяжелыми ядрами части топливного столба 10. При этом температура оболочки с учетом местных перегревов находится в пределах 600 710^oC. В этом диапазоне температур оболочка из аустенитной стали (сплава) имеет малые распухание и ползучесть (см.фиг.2, кривая 17), достаточную пластичность (см.фиг.3, кривая 18) и высокую жаропрочность (см.фиг.4, кривая 19). Таким образом достигаются оптимальные условия работы для каждого из материалов частей оболочки твэла. В принципе, рассмотрение составного твэла быстрого энергетического реактора нельзя ограничивать использованием аустенитных сталей для высокотемпературной части твэла. Например, использование высоконикелевых жаропрочных сплавов (типа Hastelloy-X) позволяет увеличить максимальную температуру оболочки твэла примерно до 750^oC. Использование изобретения позволяет повысить рабочие температуры твэлов и ТБС быстрых энергетических реакторов при сохранении размерной стабильности, достигнутой использованием в качестве конструкционного материала сталей ферритомартенситного класса. Кроме того, повышается прочность твэлов и ТВС, что повышает надежность твэлов в процессе работы и делает безопасными транспортные и перегрузочные операции облученной ТВС. Также появляется возможность уменьшить общую длину твэлов и ТВС за счет уменьшения величины компенсационного объема. Другим преимуществом конструкции твэла быстрого реактора является возможность перераспределить газовые продукты деления под оболочкой таким образом, чтобы снизить давление газа в высокотемпературной части твэла (что повышает запас по длительной прочности материала оболочки горячего конца твэла) и повысить давление газа в низкотемпературной части (что не сказывается в разумных пределах на работоспособности). Это достигается путем подбора соответствующих газовых полостей в высокотемпературной и низкотемпературной частях твэла. Все это позволяет уменьшить общую длину твэла по сравнению с традиционной конструкцией за счет уменьшения общей длины компенсационного объема при прочих равных условиях.

Формула изобретения

Тепловыделяющий элемент ядерного энергетического реактора на быстрых нейтронах, включающий оболочку с топливом и торцевыми экранами, герметизированную концевыми деталями, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности тепловыделяющего элемента за счет обеспечения размерной стабильности оболочки при рабочем уровне температур оболочки от 370 до 710°С, тепловыделяющий элемент выполнен составным, содержащим две соединенные между собой в осевом направлении части, причем оболочка низкотемпературной части выполнена из стали ферритомартенситного класса, а высокотемпературной части - из жаропрочной стали аустенитного класса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4