Топливная таблетка из диоксида урана

 

Изобретение относится к ядерной энергетике и, в частности, может использоваться для снаряжения тепловыделяющих элементов для ядерного энергетического реактора. Сущность изобретения: топливная таблетка выполнена с показателем и уровнем дефектности по параметрам, достаточными для обеспечения выгорания не менее 50-60 мгВт/сут • кг урана. Топливная таблетка имеет следующие показатели и уровень дефектности: плотность 10,4-10,6 г/см³, дефектность 2,5%; диаметр 7,535-7,570 мм, дефектность 1,0%; высота 9-11 мм, дефектность 1,0%; массовая доля смеси изотопов урана ≥ 87,9%; отклонение от номинала массовой доли урана 235 0,03%; доспекаемость 0,0-0,3%, дефектность 4%; открытая пористость 0,5%; средний условный размер зерна 10-25 мкм; доля пор от 1 до 10 мкм ≥90%; максимальный размер пор 100 мкм; средний эффективный размер пор 3-5 мкм; газосодержание 40 мл/г урана; содержание водорода при 1800^oС - 0,7 ррm; шероховатость не более 1,8 мкм. Преимущества изобретения заключаются в том, что топливная таблетка из диоксида урана позволяет повысить работоспособность топливных таблеток в тепловыделяющих элементах в течение 5 и более лет. 2 табл.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение на предприятиях изготовления топливных таблеток из диоксида урана для снаряжения тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и сборки их в тепловыделяющую сборку (ТВС) для ядерного энергетического реактора преимущественно типов ВВЭР-1000, ВВЭР-440. Топливные таблетки из диоксида урана (UO₂) являются одной из основных составляющих ТВЭЛов, в значительной степени определяющих их работоспособность, поэтому к ним предъявляются достаточно жесткие требования по многим параметрам. В Российской Федерации требования к топливным таблеткам для каждого типа реактора зафиксированы в технических условиях.

Наиболее близким аналогом являются технические условия для топливных таблеток для реакторов типа ВВЭР (см. ТУ 95.1823-95Е. Таблетка ядерного керамического топлива для ТВЭЛов энергетических реакторов типа ВВЭР, УДК 621.039.542.34-434: 621.039, 1995 год), определяющих требования к топливным таблеткам из диоксида урана для 3-4 годичного срока эксплуатации. Эти требования приведены в таблице 1.

Топливные таблетки, изготовленные в соответствии с ТУ 95.1823-95Е, снаряженные в ТВЭЛы и собранные в ТВС, предназначены для эксплуатации в ядерном реакторе в 3-4-годичной компании.

В известной топливной таблетке большой разброс по плотности 10,4-10,7 г/см³ в совокупности с высоким уровнем дефектности 4% приводит к неравномерности загрузки урана по длине ТВЭЛа и, следовательно, к неравномерному нагреву по длине ТВЭЛа, что сказывается на надежности ТВЭЛа при длительной эксплуатации в ядерном реакторе типа ВВЭР. Кроме того, высокой плотности 10,7, как правило, сопутствует мелкая и в малом количестве внутренняя пористость в топливной таблетке, которая не сможет удержать газообразные продукты деления при высоких выгораниях. При высокой плотности топливная таблетка, как правило, имеет повышенную хрупкость, что может привести к ее растрескиванию при переменной мощности в процессе длительной эксплуатации ТВС в ядерном реакторе. Растрескивание приводит к неизбежному образованию сколов топливных таблеток и не исключено, что эти сколы могут попасть между оболочкой ТВЭЛа и топливной таблеткой, заклинить ее и при линейном температурном удлинении ТВЭЛа в ядерном реакторе возможно саморазрушение оболочки и разгерметизация ТВЭЛа. Важной характеристикой топливных таблеток является их геометрия, особенно диаметр топливных таблеток, к которому предъявляют довольно жесткие требования по обеспечению строго заданного зазора между топливными таблетками и оболочкой, обеспечивающего как снаряжение топливных таблеток в оболочку, так и ее герметичность при взаимодействии распухающих топливных таблеток с оболочкой в реакторе.

Большой разброс по диаметру топливных таблеток 7,54-7,57 мм в совокупности с высоким уровнем дефектности 1,5% (см. ТУ 95.1823-95Е) приводит к неравномерности зазора между оболочкой и топливной таблеткой, к неодинаковой теплопередаче при работе ТВЭЛа в ядерном реакторе ВВЭР и неодинаковой температуре топливных таблеток по длине ТВЭЛа, что снижает надежность при длительной эксплуатации в ядерном реакторе ВВЭР. На работоспособность ТВЭЛов, хотя и в значительно меньшей степени, оказывает также влияние и высота топливной таблетки. С уменьшением высоты топливной таблетки уменьшается и взаимодействие топливной таблетки с оболочкой. Этими же соображениями ограничивается максимальная высота топливных таблеток. Минимальная же высота ограничивается условиями автоматического снаряжения ТВЭЛов топливными таблетками. При отношении высоты таблетки к диаметру Н/D≤1 возможно переворачивание топливных таблеток и их заклинивание в автомате или в оболочке ТВЭЛа.

Большой разброс по высоте топливных таблеток 9-12 мм в совокупности с высоким уровнем дефектности 1,5% (см. ТУ 95.1823-95Е) приводит к неравномерности распределения торцовых стыков (зазоров между топливными таблетками по длине ТВЭЛа, к неравномерности температур по длине ТВЭЛа, что снижает надежность ТВЭЛа при длительной эксплуатации.

Отклонение от номинала массовой доли урана-235 (0,05) (см. ТУ 95.1823-95Е) приводит к неравномерности распределения урана 235 по длине ТВЭЛа, разной реактивности различных участков, разной температуре, снижению надежности. При максимальном отклонении в меньшую сторону по совокупности ТВС может быть не обеспечено необходимое выгорание урана топливных таблеток.

Большая доспекаемость 0,0-0,4% (см. ТУ 95.1823-95Е) при высоком уровне дефектности - 10% может привести за первые сутки эксплуатации при разрыве трубопровода к максимальному размеру диаметра топливной таблетки, а в аварийной ситуации вплоть до расплавления активной зоны.

Открытая пористость 1% по ТУ 95.1823-95Е является источником сорбированной влаги, которая выделяется под оболочку при работе ТВЭЛа, происходит гидрирование циркониевой оболочки ТВЭЛа с возможным ее разрушением. Открытая пористость является проводником газообразных продуктов деления из топливной таблетки под оболочку, что снижает надежность работы ТВЭЛа.

Средний условный размер зерна 10-20 мкм (см. ТУ 95.1823-95Е) топливной таблетки определяет два свойства топливных таблеток: пластичность, которая уменьшается при размере зерна более максимального значения, и способность топливной таблетки удерживать газообразные продукты деления, которая уменьшается с уменьшением зерна. Топливные таблетки с ненормированным размером зерна не могут надежно работать при высоких выгораниях. При доле пор от 1 до 10 мкм (см. ТУ 95.1823-95Е) ≤80% возрастает количество пор более 10 мкм (20%), что способствует выведению газообразных продуктов деления под оболочку, что становится критичным при высоких выгораниях. Максимальный размер пор 500 мкм (см. ТУ 95.1823-95Е) можно рассматривать как внутренние микротрещины, которые способствуют выведению газообразных продуктов деления под оболочку и снижают прочность таблеток согласно ТУ 95.1823-95Е, средний эффективный размер пор (мкм) не нормируется, тогда как мелкие поры не способны удерживать газовые продукты деления при высоких выгораниях, крупные поры проводят газообразные продукты деления под оболочку и снижают прочность таблеток. Не установлен средний, эффективный размер пор согласно ТУ 95.1823-95Е. Газосодержание мл/г урана не нормируется тогда, как выделившиеся из таблетки газы оказывают такое же воздействие на оболочку, как и газовые продукты деления. Согласно ТУ 95.1823-95Е массовая доля общего водорода не нормируется, тогда как по ТУ 95.1823-95Е водород определяют при температуре 800^oС. Но при этой температуре выделяется не весь водород, поэтому истинное его содержание не известно (и может оказаться большим), что может привести к гидрированию циркониевой оболочки и ее разрушению.

Повышенная шероховатость 3,2 мкм влияет на коэффициент теплопередачи топливная таблетка - оболочка, определяющий температуру топливной таблетки при ее работе в ядерном реакторе. С увеличением шероховатости уменьшается взаимодействие топливной таблетки с оболочкой.

Технической задачей изобретения является повышение работоспособности топливных таблеток в тепловыделяющих элементах тепловыделяющих сборок в ядерном реакторе в течение 5 и более лет с обеспечением выгорания не менее 50-60 мгВт/сут • кг урана.

Эта техническая задача решается тем, что топливная таблетка из диоксида урана для снаряжения в тепловыделяющие элементы и сборки в тепловыделяющую сборку для ядерного энергетического реактора преимущественно типа ВВЭР, выполненная с показателями по параметрам: плотности в г/см³, диаметру в мм, высоте в мм, массовой доле смеси изотопов урана в %, отклонению от номинала массовой доли урана 235 в %, доспекаемости в %, открытой пористости в %, среднему условному размеру зерна в мкм, доле пор от 1-10 мкм в %, максимальному размеру пор в мкм, среднему эффективному размеру пор в мкм, газосодержанию в мл/г урана, массовой доле общего водорода, шероховатости топливных таблеток в мкм с уровнем дефектности в % по плотности, диаметру, высоте и доспекаемости топливной таблетки.

Согласно изобретению топливная таблетка выполнена с показателем и уровнем дефектности по вышеперечисленным параметрам, достаточным для обеспечения работоспособности топливных таблеток в тепловыделяющих элементах тепловыделяющих сборок в ядерном реакторе в течение 5 и более лет с обеспечением выгорания не менее 50-60 мгВт/сут • кг урана.

Другими отличиями является выполнение топливной таблетки со следующими показателями и уровнем дефектности, которые сведены в таблицу 2.

Топливная таблетка из диоксида урана с предложенными показателями и уровнем дефектности устраняет недостатки известной топливной таблетки и позволяет повысить работоспособность топливных таблеток в тепловыделяющих элементах тепловыделяющих сборок в ядерном реакторе в течение 5 и более лет с обеспечением выгорания не менее 50-60 мгВт/сут • кг урана. Все параметры являются оптимальными, и любое отклонение не позволит достичь решения технической задачи. Предложенные показатели и уровень дефектности по всем параметрам достигаются технологией получения топливной таблетки. С повышением выгорания увеличивается степень газовыделения, что компенсировано усовершенствованием параметров топливных таблеток. Экспериментальными и расчетными исследованиями доказано, что оптимальная микроструктура топливной таблетки обеспечивает минимальную открытую пористость. Оптимизация структуры таблеток по зерну, среднему размеру пор и открытой пористости приводит к уменьшению эффективного газовыделения и способна обеспечить хорошее состояние ТВЭЛа при повышенных выгораниях.

Формула изобретения

Топливная таблетка из диоксида урана для снаряжения тепловыделяющих элементов для ядерного реактора преимущественно типа ВВЭР, выполненная с показателями по параметрам: плотность, г/см³; диаметр, мм; высота, мм; массовая доля смеси изотопов урана, %; отклонение от номинала массовой доли урана, %; доспекаемость, %; открытая пористость, %; средний условный размер зерна, мкм; доля пор от 1-10 мкм, %; максимальный размер пор, мкм; средний эффективный размер пор, мкм; газосодержание, мл/г урана; массовая доля общего водорода, шероховатость поверхности таблетки, мкм, и уровень дефектности, %, по плотности, диаметру, высоте и доспекаемости топливной таблетки, отличающаяся тем, что топливная таблетка выполнена со следующими показателями и уровнем дефектности, %: плотность 10,4-10,6 г/см³, дефектность 2,5; диаметр 7,535-7,570 мм, дефектность 1,0; высота 9-11 мм, дефектность 1,0; массовая доля смеси изотопов урана ≥ 87,9%; отклонение от номинала массовой доли урана 235-0,03%; доспекаемость 0,0-0,3%, дефектность 4; открытая пористость 0,5%; средний условный размер зерна 10-25 мкм;
доля пор от 1 до 10 мкм ≥ 90%;
максимальный размер пор 100 мкм;
средний эффективный размер пор 3-5 мкм;
газосодержание 40 мл/г урана;
содержание водорода при 1800^oС - 0,7 ррm;
шероховатость не более 1,8 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2