Тепловыделяющий элемент ядерного реактора
Владельцы патента RU 2263981:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" (RU)
Изобретение применяется в ядерной энергетике, в особенности в области активной зоны ядерного реактора. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора состоит из оболочки с концевыми деталями, внутри которой расположены таблетки из расщепляющегося материала и выгорающий поглотитель. В тепловыделяющем элементе предусмотрен компенсационный объем, расположенный в верхней части оболочки. Зазор между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала заполнен виброуплотненной крупкой из выгорающего поглотителя, в частности оксида гадолиния. Размер фракций крупки составляет не более 30% от ширины зазора между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала. Виброуплотненная крупка из выгорающего поглотителя пропитана материалом с высокой теплопроводностью - натрием. В качестве расщепляющего материала таблеток используют оксид плутония, карбид плутония, нитрид плутония, оксид урана, карбид урана, нитрид урана. 8 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к активной зоне ядерного реактора.
Известен тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий таблетки из расщепляющегося материала, помещенные в металлическую оболочку, концевые детали и компенсационный объем, заполненный инертным газом [Г.Н.Ушаков. Технологические каналы и тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, -М.: Энергоиздат, 1981, с.29, рис.1.6].
Наиболее близким предлагаемому устройству является тепловыделяющий элемент ядерного реактора атомной электростанции, который представляет собой оболочку с размещенными в ней топливными таблетками. Оболочка с обоих концов герметично заглушена концевыми элементами [А.С.Монахов. Атомные электрические станции и их технологическое оборудование, Москва, Энергоатомиздат, 1986, с.89].
Недостатками обоих типов устройств являются:
- относительно высокая вероятность попадания осколков деления под оболочку тепловыделяющего элемента в результате деформации таблеток ядерного топлива в процессе их облучения;
- относительно высокий градиент температур между боковой поверхностью таблетки и внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента;
- невозможность обеспечения при изготовлении и в процессе эксплуатации равномерности зазора между боковой поверхностью таблеток и внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента.
Для исключения указанных недостатков в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, состоящем из оболочки с концевыми деталями, внутри которой расположены таблетки из расщепляющегося материала, выгорающий поглотитель, имеющий компенсационный объем, предлагается:
- зазор между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала заполнить виброуплотненной крупкой, изготовленной из выгорающего поглотителя, например из оксида гадолиния.
В частных случаях выполнения тепловыделяющего элемента предлагается:
- использовать фракции крупки не более 30% от ширины зазора между боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала и внутренней поверхностью оболочки;
- виброуплотненную крупку из выгорающего поглотителя пропитать материалом с высокой теплопроводностью;
- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать оксид плутония;
- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать карбид плутония;
- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать нитрид плутония;
- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать оксид урана;
- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать карбид урана;
- в качестве расщепляющегося материала таблеток использовать нитрид урана.
Использование изобретения позволяет:
- исключить возможность попадания осколков деления под оболочку тепловыделяющего элемента в процессе облучения;
- снизить градиент температур на участке боковая поверхность таблетки из расщепляющегося материала - внутренняя поверхность оболочки;
- обеспечить при изготовлении и в процессе эксплуатации равномерность зазора между боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала и внутренней поверхностью оболочки.
Устройство выполнено следующим образом. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора состоит из оболочки с концевыми деталями. Внутри оболочки расположены таблетки из расщепляющегося материала и выгорающий поглотитель. В тепловыделяющем элементе имеется компенсационный объем, расположенный в верхней части оболочки.
Зазор между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала заполнен виброуплотненной крупкой из выгорающего поглотителя, например оксида гадолиния. Размер фракций виброуплотненной крупки составляет не более 30% от ширины зазора между внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала.
Виброуплотненная крупка из выгорающего поглотителя пропитана материалом с высокой теплопроводностью, например натрием.
В качестве расщепляющегося материала таблеток используют оксид плутония, карбид плутония, нитрид плутония, оксид урана, карбид урана, нитрид урана.
Пример конкретного выполнения тепловыделяющего элемента.
Оболочка тепловыделяющего элемента выполнена в виде трубки длиной 450 мм, наружным диаметром 8,4 мм, у которой толщина стенки составляет 0,4 мм. В качестве материала трубки используют сталь ЧС-68. Оболочка заполнена топливными таблетками из оксида урана. Таблетки имеют диаметр 6,4 мм и высоту 10 мм. В кольцевом зазоре между топливными таблетками и оболочкой равномерно размещена виброуплотненная крупка из оксида гадолиния.
Размер частиц крупки находится в пределах 200-300 мкм. Вес виброуплотненной крупки, размещенной внутри оболочки, составляет 23,86 г. При этом относительная пористость заполнения кольцевого зазора виброуплотненной крупкой составляет 52%. Контроль равномерности заполнения зазора виброуплотненной крупкой осуществляют с помощью рентгенографии. Оболочка с обоих концов герметизирована с помощью концевых элементов.
Устройство работает следующим образом. Благодаря тому, что виброуплотненная крупка из выгорающего поглотителя расположена в кольцевом зазоре между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала, это позволяет исключить непосредственный механический контакт между боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала и внутренней поверхностью оболочки. Натрий, которым пропитана виброуплотненная крупка, обеспечивает снижение градиента температур в кольцевом зазоре между боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала и внутренней поверхностью оболочки. При деформациях таблеток из расщепляющегося материала в процессе эксплуатации реактора виброуплотненная крупка играет роль буфера, тем самым, снижая механическую нагрузку на оболочку со стороны таблеток из расщепляющегося материала.
1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, состоящий из оболочки с концевыми деталями, внутри которой расположены таблетки из расщепляющегося материала, выгорающий поглотитель, и имеющий компенсационный объем, расположенный в верхней части оболочки, отличающийся тем, что зазор между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала заполнен виброуплотненной крупкой из выгорающего поглотителя, например оксида гадолиния.
2. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что размер фракций крупки составляет не более 30% от ширины зазора между внутренней поверхностью оболочки и боковой поверхностью таблеток из расщепляющегося материала.
3. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что виброуплотненная крупка из выгорающего поглотителя пропитана материалом с высокой теплопроводностью, например натрием.
4. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют оксид плутония.
5. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют карбид плутония.
6. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют нитрид плутония.
7. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют оксид урана.
8. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют карбид урана.
9. Тепловыделяющий элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве расщепляющегося материала используют нитрид урана.
