Твэл стержневого типа

 

Изобретение относится к ядерной технике, конкретно к твэлам стержневого типа с керамическими топливными таблетками. Целью изобретения является повышение надежности твэла путем улучшения качества таблеток за счет увеличения прочности их торцов, а также уменьшение термических деформаций таблеток и их термомеханического взаимодействия с оболочкой. Каждый из торцов топливных таблеток имеет наружные фаски и конусные с плоскими площадками выступы. В центральной части указанных плоских площадок выполнены конусные полусферические или с плоскими площадками углубления. Как вариант исполнения, предусмотрено наличие сквозного осевого отверстия. При этом между геометрическими параметрами таблетки имеют место следующие соотношения: h_в=(0,005...0,009)·H; H = 0,25. . . 2,0D h_y=(1,1...2,5)·(h_н.ф+h_в), где H и D - соответственно высота и диаметр таблетки h_в, h_y и h_н.ф - соответственно высоты конусных выступов, углублений и наружных фасок. 5 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике, например к твэлам энергетических реакторов, и может применяться в химической промышленности, приборостроении и других отраслях народного хозяйства в устройствах, содержащих одну или несколько таблеток, помещенных внутрь элементов цилиндрической формы с различной толщиной стенок. Такие таблетки изготавливают из смеси порошка с пластификатором и другими добавками методом прессования, сушки при температуре до 1000^оС, в необходимых случаях спекания при температурах свыше 1000^оС, шлифования в размер по наружному диаметру для получения требуемых зазоров между таблеткой и стенками цилиндрических элементов. К элементам цилиндрической формы относятся и твэлы энергетических реакторов. В процессе эксплуатации твэлы работают в сложных условиях термомеханического взаимодействия оболочки с таблетками, обpазующими топливный столб. Это взаимодействие является следствием различных коэффициентов термического расширения материала таблеток и оболочки, эффекта "доспекания" таблеток в начале работы твэла, радиационного эффекта, приводящего к распуханию топлива при значительных выгораниях, начиная в оболочке крошки таблеток, возможного заклинивания таблеток в оболочке, зависит от конструкции таблеток и оказывает существенное влияние на работоспособность твэлов. При этом работоспособность твэлов тем выше, чем меньше термомеханическое взаимодействие таблеток с оболочкой. Согласно заявкам N 1244632 от 19.09.60 (Франция), N 3148136 от 29.07.82 (ФРГ), N 3192621 от 06.07.65 (США), N 1185957 от 02.07.90 (ФРГ) и N 2754196 от 15.06.78 (ФРГ) конструкция таблеток направлена на увеличение их подвижности и прочности торцов, уменьшение тепловых деформаций, осевых усилий сдвига топливного столба внутри оболочки и нагрузки на оболочку твэлов. Наиболее близкой заявляемому решению по технической сущности является заявка N 2754196. Согласно ей таблетка содержит центрально расположенное отверстие, наружные фаски у каждого торца, выступ конической формы с плоской кольцевой площадкой на одном торце, равной 0,01-0,2 высоты таблетки, плоскую площадку выступа с площадью, равной 0,0004-0,5 площади поперечного сечения таблетки, углубление конической формы на другом торце высотой меньше высоты выступа. Такая конструкция не является оптимальной для формирования однородной структуры таблетки и ее околоторцевых частей в процессе прессования, сушки и спекания, приводит к неравномерной пористости таблетки и ее околоторцовых частей, уменьшению механической прочности торцов, к различным по объему таблетки тепловым деформациям ее формы. Целью изобретения является повышение качества таблеток путем увеличения прочности торцов, равномерности структуры по объему, уменьшения тепловых деформаций таблеток за счет специфического распределения напряжений в таблетке и ее торцах вследствие создания на торце пуансона центрально расположенного выступа высотой больше суммарной высоты выступа и наружной фаски таблетки, а также воздушного амортизатора - объема воздуха в торцовой части материала таблетки, замкнутого формующей частью пуансона. Цель достигается тем, что на таблетке для столба стержневого типа, спрессованной из порошка с различной формовочной прочностью и имеющей на торцах наружные фаски, конусные с плоскими площадками выступы и углубления, центрально расположенные отверстия и без него, на каждом торце конусные с плоскими площадками выступы выполнены высотой h_B = (0,005-0,009) Н, где Н - высота таблетки, равная 0,25-2,0 диаметром таблетки, а конусные в виде полусфер или с плоскими площадками углубления выполнены высотой h_y = (1,1-2,5) (h_н.ф. + h_В), где h_н.ф. - высота наружной фаски. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемая таблетка отличается от известной соотношением величин выступов и углублений с высотой и диаметром таблетки и с высотой наружной фаски. Анализ известных технических решений (аналогов) позволяет сделать вывод, что предложенные отличительные признаки проявляют новые качества: повышаются прочность торцов таблеток и равномерность микроструктуры (распределение пор по объему таблеток), вследствие чего выравнивается теплопроводность различных зон таблеток, уменьшаются скалываемость таблеток и количество крошки в твэле, "доспекаемость" таблеток (изменение их размеров при повторной термической обработке), термические напряжения, тепловые деформации и стабилизируются их размеры в процессе работы в реакторе. Вышеперечисленные новые качества таблеток в процессе эксплуатации твэлов позволяют уменьшить нагрузку на оболочку, усилие сдвига топливного столба внутри оболочки и растяжение оболочки и тем самым повысить эксплуатационную надежность и работоспособность твэлов в целом. На фиг. 1 таблетка выполнена в виде цилиндра 1 с центрально расположенным отверстием 2, на торцах которого выполнены конусные выступы 3, конусные углубления 4 с плоскими площадками и фаски 5. На фиг. 2 таблетка выполнена в виде цилиндра 1, на торцах которого выполнены конусные выступы 2, конусные с плоскими площадками углубления 3 и фаски 4. На фиг. 3 таблетка выполнена в виде цилиндра 1 с центрально расположенным отверстием 2, на торцах которого выполнены конусные выступы 3, конусные, в нижней части в виде полусфер, углубления 4 и фаски 5. На фиг. 4 таблетка выполнена в виде цилиндра 1, на торцах которого выполнены конусные выступы 2, конусные, в нижней части в виде полусфер, углубления 3 и фаски 4. На фиг. 5 представлены результаты исследований скалываемости таблеток. Изготовление таблеток осуществляется способом керамической технологии из порошка делящегося ядерного материала по единой технологической схеме с применением для формования таблеток роторных прессов с пуансонами, торцы которых выполнены согласно изобретению и прототипу. Необходимые размеры торцов таблеток и пуансонов определены опытным путем в зависимости от соотношения величин выступов и углублений с высотой и диаметром таблеток и с высотой наружной фаски. Как известно, в процессе прессования в пресс-форму вместе с порошком поступает ≈ 70% объема воздуха, из которого лишь половина вытесняется в момент прессования, а вторая половина остается в порах спрессованной таблетки. При этом равномерность и направление вытеснения воздуха оказывает влияние на такие свойства таблеток, как равномерность распределения пор по объему таблеток, отслоение торцов в момент прессования, спекания и шлифования, неравномерная усадка (включая и распухание) таблеток при их спекании и повторной термической обработке - "доспекании", имитирующем поведение таблеток в процессе их работы в реакторе, уровень термических напряжений, характер тепловых деформаций и взаимодействия с оболочкой в процессе работы в реакторе. В предложенной конструкции замкнутый в торце воздух в момент прессования приобретает свойства характерного пневмоамортизатора и способствует формированию пор более правильной формы, равномерно расположенных по объему таблеток, за счет противодавления и более равномерного распределения воздуха от торца к средней части таблеток. Конусообразная кольцевая форма торцов способствует в конце процесса формования оттеснению и равномерному замыканию остатков воздуха в глубинных слоях таблеток. Кроме того, предложенная форма торцовой части пуансонов способствует реализации в таблетке специфического равномерного распределения напряжений, повышающего механические свойства таблеток (прочность, скалываемость и др. ). По результатам испытаний наивысшее качество таблеток было достигнуто при их следующих размерах (после спекания): высота Н = 12-18 мм; диаметр D = 7,63-12,1 мм; высота фаски h_н.ф. = 0,3-0,4 мм; высота конического выступа h_В = 0,1-0,15 мм; высота углубления h_у = 0,7-1,5 мм; диаметр внутреннего отверстия d = 1,8-2,2 мм. Данные размеры таблеток следует считать оптимальными. В спеченных таблетках заявленной формы наивысшая пористость не превышает 4% и равномерно, в отличие от прототипа, распределена по объему таблеток. Кроме того, в процессе изготовления опытных партий таблеток предложенной формы и после их извлечения из оболочек при расснаряжении бракованных таблеток обнаружено не было. При значениях геометрических параметров выступов и впадин таблеток, как больших, так и меньших оптимальных, качество таблеток снижается. Таким образом, по сравнению с используемыми в настоящее время конструкциями предложенная конструкция позволяет увеличить выход годных на операциях прессования, спекания, шлифования, извлечения годных таблеток из бракованных твэлов и тем самым сократить расходы на стадии производства таблеток и твэлов. (56) Заявка ФРГ N 3148136, кл. G 21 C 3/58, 1982. Заявка Великобритании N 1287250, кл. G 21 C 3/16, 1969. Заявка ФРГ N 2754196, кл. G 21 C 3/16, 1978.

Формула изобретения

ТВЭЛ СТЕРЖНЕВОГО ТИПА ядерного реактора с цилиндрической трубчатой оболочкой, содержащий керамические топливные таблетки с наружными фасками и конусными с плоскими площадками выступами, имеющими углубления, с центрально расположенными отверстиями или без них, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем улучшения качества таблеток за счет увеличения прочности их торцов, а также уменьшения термических деформаций таблеток и их термомеханического взаимодействия с оболочкой, конусные с плоскими площадками выступы выполнены высотой h_в = (0,005 - 0,009)H, где H - высота таблетки, равная 0,25 - 2,0 ее диаметра, а конусные в виде полусфер или с плоскими площадками углубления выполнены высотой h_у = (1,1 - 2,5) (h_н.ф. + h_в), где h_н.ф - высота наружной фаски.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 26.06.2003

Номер и год публикации бюллетеня: 2-2004

Извещение опубликовано: 20.01.2004        

---