Топливный сердечник тепловыделяющего элемента

Изобретение относится к атомной энергетике и может использоваться в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) с таблеточным топливом, которые применяются в быстрых энергетических реакторах. Топливный сердечник содержит сборку соосно размещенных топливных таблеток (1), выполненных из делящегося вещества, и теплопроводящих прокладок (2). Каждая прокладка (2) установлена между близлежащими топливными таблетками (1). Прокладки устанавливаются также на торцевых поверхностях первой и последней топливной таблетки (1) сборки. Толщина топливных таблеток меньше их диаметра. Толщина прокладок меньше толщины топливных прокладок. Топливные таблетки и прокладки могут иметь одинаковый диаметр. Диаметр теплопроводящих прокладок может превышать диаметр топливных таблеток, по меньшей мере, на величину радиального зазора между поверхностью топливной таблетки и внутренней поверхностью оболочки (3) ТВЭЛа. Прокладки выполнены из сплава на основе молибдена, обогащенного, по крайней мере, одним из изотопов: Мо⁹², Мо⁹⁴, Мо⁹⁸, Мо¹⁰⁰, или из сплава хрома. Изобретение направлено на повышение надежности, безопасности и энергетической эффективности топливных сердечников ТВЭЛов и ядерного реактора в целом. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к атомной энергетике, а более конкретно к конструкции тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) с таблеточным топливом, которые применяются в быстрых энергетических реакторах.

При разработке топливных элементов для энергетических реакторов принимаются во внимание критерии надежности топлива и экономичности топливного цикла. К ТВЭЛам быстрых реакторов предъявляется ряд дополнительных требований, в том числе проведение кампании с долей выгорания тяжелых ядер от 8 до 10%; высокая надежность топлива при работе в условиях воздействия тепловых нагрузок с удельной величиной более 100 Вт/г, обеспечение возможности реализации бридерного топливного цикла либо цикла с коэффициентом воспроизводства топлива К_В≅1, который позволяет сжигать большую часть доступного природного урана. Используемое топливо должно быть совместимым с условиями уже существующих водных промышленных схем регенерации отработанного топлива, а также соответствовать условиям перспективных безводных схем переработки топлив, применяемых на атомных электростанциях. Однако используемые типы реакторных топлив не вполне отвечают совокупности изложенных требований.

В настоящее время основным топливом атомной энергетики является таблеточное топливо на основе оксидов урана UO₂ для реакторов с тепловыми нейтронами, а также смешанное топливо (U, Pu)O₂ для быстрых реакторов. Оксидное топливо, применяемое в качестве топлива быстрого энергетического реактора, имеет ряд недостатков, которые связаны с низкой теплопроводности оксидов (U, Pu)O₂, и неэффективным удержанием газов, образующихся при выгорании более 4% делящихся атомов. Вследствие этого из-за воздействия на топливные элементы высоких удельных тепловых нагрузок (~100 Вт/г) при низкой теплопроводности оксидного топлива конструкция ТВЭЛа существенно усложняется. В указанных выше условиях диаметр корпуса ТВЭЛа должен составлять порядка 7 мм. Вместе с тем использование ТВЭЛов с оксидным топливом ограничивает возможности оптимизации топливного цикла бридера.

Топливная таблетка на основе оксидов UO₂ или (U, Pu)O₂ способна удерживать газообразные продукты деления до уровня выгорания тяжелых атомов не более 4%. Данное свойство оксидных таблеток рассматривается как недостаток. В кампаниях с выгоранием топлива ~10% неизбежен выход газов из топливной таблетки и значительный рост давления газообразных продуктов деления (до 10 МПа) под оболочкой ТВЭЛа. Оксидное топливо плохо удерживает соединения Cs, Rb, I, Те, которые вместе с газообразными продуктами деления попадают под оболочку ТВЭЛа и инициируют процесс коррозии внутренней стенки оболочки ТВЭЛа. Указанные явления снижают надежность топлива и всего реактора в целом в кампаниях с большим уровнем выгорания.

Известны технические решения, направленные на устранение недостатков, проявляющихся при использовании оксидного топлива. Наиболее важной задачей для усовершенствования топливных сердечников ТВЭЛов является увеличение теплопроводности топливных таблеток в радиальном направлении. Для решения данной задачи разработаны ТВЭЛы с дисперсионным топливом в виде частиц топливных фаз UO₂, UC или UN, распределенных в металлической матрице, выполненной из нержавеющей стали (Самойлов А.Г., Каштанов А.И., Волков B.C. Дисперсионные твэлы. В 2-х томах, т.2. М.: Энергоиздат, 1982, с.144-146).

Дисперсионные топлива обладают повышенной теплопроводностью и пониженным выделением газообразных продуктов деления. Обычно объемная доля керамики UO₂, UC или UN в матрице составляет ~20% при размерах частиц топливной фазы от 100 до 200 мкм. Теплопроводность дисперсионных топлив определяется теплофизическими параметрами матричного сплава и достаточно высока. Дисперсионные ТВЭЛы способны работать при линейных тепловых нагрузках до 1 кВт/см. Однако паразитное поглощение нейтронов материалом матрицы существенно ухудшает нейтронный баланс топлива. В топливах данного вида необходимо применять высокообогащенное делящееся вещество. Следствием этого является повышение риска появления критических масс топлива в сценариях тяжелых аварий с проплавлением активной зоны. Учитывая указанные недостатки, дисперсионное топливо не применяют в больших энергетических реакторах, для которых, в первую очередь, важны критерии безопасности и эффективности использования нейтронов.

Известны топливные сердечники со структурой кермета UO₂-Mo. Топливные сердечники данного вида изготавливаются методом спекания гранул UO₂, на которые предварительно наносится молибденовое покрытие (Котельников Р.Б., Башлыков С.Н., Каштанов А.И., Меньшикова Т.С. Высокотемпературное ядерное топливо. Изд 2-е. - М.: Атомиздат, 1978, с.32, рис.1.9). Введение в состав топлива молибдена позволяет повысить теплопроводность оксидного топлива и увеличить линейную тепловую нагрузку. Однако при использовании большого количества необогащенного природного молибдена существенно увеличивается паразитное поглощение нейтронов. Данный эффект связан с присутствием в составе топлива изотопа молибдена Мо⁹⁵, который обладает большим сечением поглощения тепловых нейтронов (σ_n,γ=14·10^-28 м²) и имеет большую величину резонансного интеграла поглощения в тепловой области (I_γ=110÷118·10^-28 м²). Массовое содержание изотопа Mo⁹⁵ в природном молибдене составляет примерно 16%.

Недостатки оксидных топлив различных модификаций стимулировали разработку высокотемпературных топливных элементов для быстрых реакторов, выполненных на основе тугоплавких карбидов и нитридов актиноидов: (U, Pu)C и (U, Pu)N. Карбидное топливо обладает высокой теплопроводностью и способно работать в условиях высокой тепловой нагрузки при диаметрах ТВЭЛа (10÷15) мм. Недостаток карбидного топлива состоит в значительной скорости распухания, превышающей соответствующую скорость для оксидного и нитридного топлива. Кроме того, карбидное топливо неэффективно удерживает газообразные продукты деления, вследствие этого углерод переносится вместе с продуктами деления в оболочку ТВЭЛа и способствует ее охрупчиванию.

Карбидные и нитридные топлива обладают низкой радиационной ползучестью под действием нагрузки при нормальных рабочих температурах топлива. Следует отметить, что обычные оболочечные материалы не способны сдерживать распухание карбидных или нитридных таблеток. В результате распухающая таблетка деформирует и повреждает оболочку ТВЭЛа.

Для предотвращения деформации оболочек ТВЭЛов используется дополнительный компенсирующий зазор между таблеткой и оболочкой. Однако при выгорании карбидного топлива происходит фрагментизация таблеток, вследствие которой мелкие осколки топлива расклинивают уже образовавшиеся трещины и зазоры. В результате этого происходит нерасчетное увеличение эффективного диаметра таблетки и соответственно уменьшение зазора между таблеткой и оболочкой ТВЭЛа. Как показали проведенные реакторные испытания, при фрагментизации топливных таблеток происходит повреждение большей части оболочек ТВЭЛов (Ма Б.М. Материалы ядерных энергетических установок. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1987. С.156-157).

Применяются также топливные элементы, выполненные из нитридного топлива UN, (U, Pu)N. Плотное нитридное топливо имеет высокую теплопроводность. В режимах работы с температурой в центре таблетки ниже 1200 К нитридное топливо обладает низкой скоростью распухания и эффективно удерживает газообразные продукты деления до уровня выгорания ~8%. Однако нитридное топливо, подобно карбидному топливу, обладает низкой радиационной ползучестью под действием нагрузки. Выгорание таблеток сопровождается их фрагментацией, что приводит к высокому риску повреждения оболочек ТВЭЛов.

Для подавления фрагментизации топливных таблеток используют сдерживающую оболочку из сплавов Nb-1%Zr или W-25%Re, сохраняющих пластичность при высоких нейтронных флюенсах. Так. например, сдерживающая оболочка ТВЭЛа, выполненная из ниобия, сохраняет пластичность при высоких нейтронных флюэнсах и позволяет довести выгорание карбидных таблеток до уровня 8% без повреждения основной оболочки ТВЭЛа. Однако специальные сплавы, разработанные для активной зоны, недостаточно пластичны при высоких флюэнсах в случае их использования в качестве материала сдерживающей оболочки. С другой стороны, применение сдерживающей оболочки из пластичных сплавов W-25%Re или ниобия ограничено из-за того, что данные металлы при облучении нейтронами становятся радиотоксичными. Поэтому указанные материалы не могут использоваться в схемах переработки облученных топлив и не подлежат рециклу.

Наиболее близким аналогом изобретения является топливный сердечник тепловыделяющего элемента, описанный в патенте US 3147192 (опубл. 01.09.1964). Топливный сердечник содержит таблетки, выполненные из порошкообразного оксида урана, и теплопроводящие плоские вставки, установленные между топливными таблетками. Сборка топливных таблеток, разделенных теплопроводящими вставками, устанавливается внутри оболочки ТВЭЛа. Между двумя близлежащими таблетками устанавливаются две теплопроводящие вставки. Вставки выполняются в виде шайб, толщина которых, по крайней мере, в пять раз меньше высоты топливных таблеток. При этом высота вставок существенно меньше их диаметра. В качестве материала вставок используются оксиды алюминия, магния и бериллия, которые обладают высокой теплопроводностью. Наиболее предпочтительно, с точки зрения нейтронного баланса (с целью снижения паразитного нейтронного поглощения), использование в качестве материала теплопроводящей вставки оксида бериллия.

Необходимость установки теплопроводящих вставок между топливными таблетками обусловлена весьма низкой теплопроводностью топливных таблеток. Например, в интервале температур (500÷1500)°С теплопроводность плотного спеченного оксида бериллия в 5÷10 раз выше теплопроводности оксида урана. Более того, теплопроводность делящегося вещества (UO₂) уменьшается с ростом температуры. Несмотря на высокую температуру плавления оксидов топлива (~2700°С), удельное тепловыделение, связанное с процессом ядерного деления топлива, ограничено из-за возможности расплавления центральной части топливной таблетки. С увеличением температуры до 1700°С снижается также и теплопроводность оксида бериллия, однако, несмотря на температурную зависимость, теплопроводность оксида бериллия остается существенно высокой по сравнению с теплопроводность оксида урана. При этом температура оболочки ТВЭЛа поддерживается постоянной за счет ее охлаждения потоком жидкометаллического теплоносителя.

Данное техническое решение позволяет увеличить эффективную теплопроводность топлива и за счет этого увеличить полезную энергию, вырабатываемую реактором. В случае использования теплопроводящих вставок из оксида бериллия в составе топливных сердечников удельная тепловая нагрузка на топливо увеличивается на 43%. Однако известный топливный сердечник обладает существенным для коммерческих энергетических реакторов недостатком, связанным с чрезвычайно высокой биологической активностью бериллия и нейтронной токсичностью растворов, содержащих бериллий. Указанный недостаток осложняет радиационную обстановку в технологических процессах изготовления топливных сердечников, сборки ТВЭЛов и переработки отработанного топлива. При использовании бериллия в составе топливных сердечников существенно увеличивается количество бериллия в активной зоне ядерного реактора, при этом снижается пассивная безопасность реактора, отягощая последствия гипотетических тяжелых аварий с разрушением активной зоны.

Изобретение направлено на создание топливных сердечников ТВЭЛов, обладающих высокой эффективной теплопроводностью в радиальном направлении и способных работать в условиях удельных тепловых нагрузок до 1 кВт/см при диаметрах ТВЭЛа (10÷15) мм. Кроме того, при работе топливного сердечника в условиях высоких тепловых нагрузок необходимо минимизировать возможность фрагментизации топливных таблеток. Для обеспечения условий безопасной эксплуатации ТВЭЛов требуется исключить из конструкции материалы, обладающие биологической и нейтронной токсичностью.

Решение перечисленных выше поставленных задач непосредственно влияет на достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности, безопасности и энергетической эффективности ТВЭЛов и ядерного реактора в целом.

Указанные технические результаты достигаются при использовании топливного сердечника ТВЭЛа, содержащего сборку соосно размещенных топливных таблеток, выполненных из делящегося вещества (топливного материала), между которыми установлены теплопроводящие прокладки. Толщина топливных таблеток меньше их диаметра. При этом толщина прокладок меньше толщины топливных таблеток. Теплопроводящие прокладки установлены между близлежащими топливными таблетками. Прокладки выполняются из сплава на основе молибдена, обогащенного, по крайней мере, одним из изотопов: Mo⁹², Mo⁹⁴, Mo⁹⁸, Mo¹⁰⁰, или из сплава на основе хрома.

Достижение технических результатов обеспечивается за счет того, что сплавы молибдена, обогащенные изотопами Mo⁹², Mo⁹⁴, Mo⁹⁸, Mo¹⁰⁰, являются тугоплавкими металлами, обладают высокой теплопроводностью (112 Вт/мК при 1000 К), инертны по отношению к делящемуся веществу и обеспечивают слабое паразитное поглощение нейтронов при совместной работе с делящимся веществом (топливным материалом). Нейтронные характеристики используемых для изготовления теплопроводящих прокладок изотопов молибдена приведены в таблице.

Таблица
Изотопы молибдена	Сечения тепловых нейтронов σ(n,γ), 10-28 м2	Резонансные интегралы Iγ, 10-28 м2
Мо92	0.019	0.85
Мо94	0.015	<1.0
Мо98	0.130	6.9
Мо100	0.199	3.87

Содержание изотопов Мо⁹², Мо⁹⁴, Мо⁹⁸, Мо¹⁰⁰ в составе сплава на основе молибдена может выбираться в каждом конкретном случае в зависимости от конструкции и условий эксплуатации ТВЭЛа. Наиболее оптимально массовое содержание указанных выше изотопов в искусственном молибдене, входящем в состав сплава, от 90% до 99%. Искусственный молибден с необходимой степенью обогащения выбранными изотопами получают путем замещения изотопа Мо⁹⁵ в составе природного молибдена одним или несколькими изотопами из ряда: Мо⁹², Мо⁹⁴, Мо⁹⁸, Мо¹⁰⁰.

Сплавы на основе хрома обладают аналогичными свойствами. Теплопроводность тугоплавких сплавов хрома существенно превышает радиальную теплопроводность топливного сердечника, представляющего собой сборку топливных таблеток и теплопроводящих прокладок. В частности, при характерной температуре 1000°С теплопроводность сплавов хрома и нитридов делящегося вещества (U, Pu)N составляет соответственно λ_П=60 Вт/мК и λ_Т=17 Вт/мК. Сплавы хрома инертны по отношению к делящемуся веществу. Введение в топливо типичного состава (0.8U, 0.2Pu)N хрома в количестве 20 объемных % увеличивает паразитное поглощение нейтронов в типичном спектре нейтронов быстрого реактора на величину не более 1% от величины поглощения нейтронов ядрами изотопа урана U²³⁸, которые обеспечивают воспроизводство плутония.

Перечисленные свойства теплопроводящих прокладок, выполненных из сплавов на основе молибдена, обогащенных изотопами Мо⁹², Мо⁹⁴, Мо⁹⁸, Мо¹⁰⁰, либо из сплавов на основе хрома, позволяют использовать топливные сердечники ТВЭЛов в быстрых энергетических реакторах, работающих по замкнутому циклу с коэффициентом воспроизводства К_В=1. Топливные сердечники могут применяться при умеренном бридинге либо в циклах, позволяющих сжигать большую часть доступного природного урана.

Толщина топливных таблеток преимущественно выбирается в диапазоне от 2 до 3 мм. Толщина теплопроводящих прокладок выбирается в диапазоне от 0,5 до 0,8 мм. При указанных условиях обеспечивается максимальная эффективная теплопроводность в радиальном направлении композитного топлива, состоящего из топливных таблеток и теплопроводящих прокладок, при минимизации стоимостных затрат на изготовление топливного сердечника.

На поверхность теплопроводящих прокладок может быть нанесено защитное покрытие, предотвращающее взаимную диффузию делящегося вещества и металла, из которого выполнены теплопроводящие прокладки.

Для достижения максимальных значений эффективной теплопроводности топливного сердечника в радиальном направлении объемная доля материала теплопроводящих прокладок в объеме сборки топливных таблеток и теплопроводящих прокладок выбирается равной не менее 20%. Следует отметить, что данное условие не ограничивает возможность использования теплопроводящих прокладок, объемная доля материала которых составляет менее 20% в объеме топливной сборки. В этом случае также обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности, безопасности и энергетической эффективности ТВЭЛов.

Топливные таблетки и теплопроводящие прокладки могут иметь одинаковый диаметр. В других вариантах конструкции диаметр может превышать диаметр топливных таблеток, по меньшей мере, на величину радиального зазора между поверхностью топливной таблетки и внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента. При данном конструктивном выполнении теплопроводящие прокладки дополнительно выполняют функцию дистанционирующих элементов, обеспечивающих заданный технологический зазор между топливными таблетками и оболочкой ТВЭЛ.

Для равномерного отвода тепловых потоков с торцевых частей сборки топливных таблеток и теплопроводящих прокладок прокладки устанавливаются на торцевых поверхностях первой и последней топливной таблетки сборки.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров реализации топливного сердечника ТВЭЛа.

На прилагаемом чертеже изображена схема размещения топливных таблеток и теплопроводящих прокладок топливного сердечника, установленного в оболочке ТВЭЛа.

Топливный сердечник, изображенный на чертеже, представляет собой сборку (композитную структуру), включающую топливные таблетки 1 и установленные между каждой парой близлежащих таблеток теплопроводящие металлические прокладки 2. Соосная сборка топливных таблеток 1 и теплопроводящих прокладок 2 устанавливается в оболочке 3 ТВЭЛа. При сборке сердечника прокладки 2 и таблетки 1 поочередно укладывают в сборку так, чтобы каждая таблетка 1 располагалась между двумя близлежащими прокладками 2. Первым и последним элементом сборки топливного сердечника являются прокладки 2. Толщина топливной таблетки 1 существенно меньше ее диаметра. Толщина прокладки 2 меньше толщины топливной таблетки 1. Соосность топливных таблеток 1 и теплопроводящих прокладок 2 может обеспечиваться, например, за счет сборки топливного сердечника в шаблоне или в оболочке 3 ТВЭЛа, как это изображено на чертеже.

В варианте конструкции топливного сердечника, изображенного на чертеже, топливные таблетки 1 и теплопроводящие прокладки 2 имеют равный диаметр. В других вариантах конструкции топливного сердечника диаметр каждой теплопроводящей прокладки 2 может быть больше диаметра топливной таблетки 1, по меньшей мере, на величину начального радиального зазора между поверхностью таблетки 1 и внутренней поверхностью оболочки 3 ТВЭЛа. В данном случае прокладки 2 дополнительно могут выполнять функцию дистанционирующих элементов, с помощью которых устанавливается равномерный начальный технологический зазор между топливными таблетками 1 и оболочкой 3.

Пример №1

Топливные таблетки 1 выполняются из нитрида делящегося вещества (U, Pu)N, теплопроводящие прокладки 2 изготовлены из слаболегированного сплава на основе хрома. На поверхность прокладок 2 нанесено защитное покрытие, предотвращающее взаимную диффузию вещества и материала прокладок. В качестве материала защитного покрытия используются молибден или нитриды титана, обладающие инертностью по отношению к нитридам делящегося вещества. В рассматриваемом примере диаметр таблетки 1 выбран равным 10 мм при толщине таблетки 2 мм. Толщина топливных таблеток выбирается с учетом стоимостных требований, предъявляемых к производству таблеток. Толщина прокладки 2 составляет 0,5 мм. Подбор толщины прокладки 2 относительно толщины таблетки 1 производится таким образом, чтобы теплопроводность сборки топливных таблеток 1 и теплопроводящих прокладок 2 в радиальном направлении превышала теплопроводность нитридов делящегося вещества в 1,5÷2 раза. Объемные доли нитридов делящегося вещества, из которых выполнены таблетки 1, и слаболегированного сплава на основе хрома, из которого выполнены теплопроводящие прокладки, составляет 80% и 20% соответственно.

В процессе работы топливного сердечника в составе ТВЭЛа каждая таблетка 1 зажата теплопроводящими прокладками 2. В случае развития в таблетке 1 трещин под действием повышенных тепловых нагрузок прокладки 2 фиксируют фрагменты таблетки и обеспечивают сохранение взаимного положение фрагментов. Вследствие этого блокируется раскрытие трещин и последующее расклинивание фрагментов мелкими осколками. В результате подавляются механические эффекты, приводящие к быстрому увеличению эффективного диаметра таблетки.

Повышение теплопроводности топливного сердечника в радиальном направлении осуществляется за счет следующих теплофизических эффектов. При условии выполнения соотношения между размерами топливных таблеток и теплопроводящих прокладок: h_T<<d; h_П<<d, где h_T=2 мм - толщина топливной таблетки; h_П=0,2 мм - толщина теплопроводящей прокладки, d=10 мм - диаметр топливных таблеток и теплопроводящих прокладок, радиальная теплопроводность сердечника λ_С определяется согласно следующей формуле:

,

где λ_П и λ_T - соответственно теплопроводность материала теплопроводящей прокладки и топливной таблетки.

При характерной температуре в центре таблетки ~1000°С величины теплопроводности прокладок и таблеток составляют соответственно λ_П=60 Вт/мК и λ_T=17 Вт/мК. Для данных условий величина радиальной теплопроводности топливного сердечника составляет λ_С=25 Вт/мК. Указанное значение радиальной теплопроводности топливного сердечника дает возможность использовать топливный сердечник с диаметром 10 мм в составе ТВЭЛов при уровне линейных тепловых нагрузок до 1 кВт/см. Указанный уровень тепловых нагрузок достигается при разнице температур между периферией и центром топливной таблетки ~300°С.

Охлаждение внешней поверхности оболочки ТВЭЛов осуществляется жидкометаллическим теплоносителем до уровня температур от 600°С до 650°С. Вследствие этого температура в центре топливной таблетки 1 в процессе ее работы в составе топливного сердечника составит ~1000°С. Данные значения температуры в центре таблетки свидетельствуют о высокой надежности топливного сердечника в процессе его эксплуатации при высоких уровнях тепловых нагрузок.

Наличие хрома в составе топливного сердечника, содержащего делящийся материал (0.8U, 0.2Pu)N или (0.9U, 0.1Pu)N, незначительно увеличивает паразитное поглощение нейтронов в спектре нейтронов быстрого реактора до ~1% от величины поглощения нейтронов ядрами U²³⁸, которые обеспечивают воспроизводство плутония.

Регенерация используемого в рассматриваемом примере топлива с теплопроводящими прокладками, выполненными из хрома, осуществляется посредством применения водного промышленного метода. В соответствии с данным методом расчехлованное топливо поступает на поддонах для растворения в азотной кислоте. Топливные металлы и растворимые продукты деления преобразуются в раствор, а детали из хрома, нерастворимого в азотной кислоте, остаются на поддоне и выводятся для последующей переработки.

Пример №2

Топливные таблетки 1 выполняются из нитрида делящегося вещества (U, Pu)N, теплопроводящие прокладки 2 изготовлены из сплава молибдена, обогащенного изотопами Мо⁹² и Мо⁹⁴. Массовое содержание указанных изотопов в составе искусственного молибдена выбирается равным 95%. Преимущество выбранного материала теплопроводящих прокладок 2 обусловлено тем, что сплавы молибдена, обогащенные выбранными изотопами, инертны относительно делящегося вещества (топливных нитридов), имеют высокую теплопроводность: λ=112 Вт/мК. Кроме того, изотопы Мо⁹² и Мо⁹⁴ (или Мо⁹⁸ и Мо¹⁰⁰), входящие в состав материала прокладок, обеспечивают слабое паразитное поглощение нейтронов для топливного сердечника в целом (характеристики нейтронного поглощения приведены в таблице).

Во втором примере реализации изобретения размеры топливных таблеток 1 и теплопроводящих прокладок 2 выбираются аналогично первому примеру. Для выбранных условий радиальная теплопроводность топливного сердечника достигает 40 Вт/мК при характерной температуре в центре таблетки ~1000°С. При данном уровне радиальной теплопроводности топливный сердечник может использоваться в реакторе-бридере с жидкометаллическим теплоносителем при линейной нагрузке на ТВЭЛ ~1 кВт/см. Разность температур между периферийной частью и центром топливной таблетки составляет ~(200÷250)°С.

В ТВЭЛах с нитридным топливом зазор между топливной таблеткой 1 и оболочкой 3 ТВЭЛа заполняется натрием или свинцом с целью обеспечения надежного теплового контакта между топливом и оболочкой. В реакторах с жидкометаллическим теплоносителем максимальная температура оболочки ТВЭЛа составляет ~650°С. Температура в центре топливной таблетки 1 не превышает 1000°С. Вследствие указанного распределения температур в топливном сердечнике ТВЭЛа обеспечиваются оптимальные режимы работы реактора-бридера, при этом топливные таблетки 1 остаются относительно холодными.

В практике эксплуатации энергетических быстрых реакторов линейная тепловая нагрузка находится на уровне 550 Вт/см. В этом случае перепад температур между центральной и периферийной частями топливной таблетки составляет (120÷125)°С, что в 2÷2,5 раза ниже по сравнению с традиционной конструкцией топливного сердечника. Температура в центре топливной таблетки составляет (800÷900)°С. За счет снижения температуры центральной части топливной таблетки снижается скорость распухания топлива. На основании проведенных реакторных экспериментов было установлено, что при температурах топливных таблеток ниже ~1200°С распухание выгорающего топлива происходит со скоростью ~0,5% на 10²⁰ делений/см³, причем до уровня температур (1000÷1200)°С скорость распухания слабо зависит от температуры. Для рассматриваемого примера реализации изобретения перепад температур между центром и периферией топливной таблетки минимален (120÷125)°С, поэтому распухание топлива происходит более равномерно по радиусу. В этом случае снижается расклинивающее действие центральной части таблетки. Топливный сердечник, выполненный согласно рассматриваемому примеру осуществления изобретения, позволяет снизить растягивающее действие на периферии топливной таблетки, уменьшить вероятность фрагментизации таблетки и, как следствие, повысить надежность ТВЭЛа.

Топливный сердечник с прокладками, выполненными из сплавов молибдена, обогащенных изотопами Мо⁹² и Мо⁹⁴ (или Мо⁹⁸ и Мо¹⁰⁰) обеспечивает низкое паразитное поглощение нейтронов. При объемном содержании обогащенного сплава молибдена в составе топлива (0.8U, 0.2Pu)N, паразитный захват молибденом нейтронов в спектре быстрого реактора составляет менее 1% от поглощения нейтронов ядрами U²³⁸, которые обеспечивают воспроизводство плутония.

Пример №3

Топливные таблетки 1 выполняются из оксида делящегося вещества (U, Pu)O₂, теплопроводящие прокладки 2 изготовлены из сплава молибдена, обогащенного изотопами Мо⁹⁸ и Мо¹⁰⁰ (или Мо⁹² и Мо⁹⁴). Массовое содержание указанных изотопов в составе искусственного молибдена выбирается равным 96%. Преимущества оксидного топлива заключаются в высокой надежности, по крайней мере, до степени выгорания 4% и в возможности промышленной регенерации топлива. Размеры топливной таблетки 1 и теплопроводящей прокладки 2 в данном примере осуществления изобретения выбраны аналогично примеру №1. Радиальная теплопроводность топливного сердечника составила 25 Вт/мК. На поверхность прокладок 2 нанесено защитное покрытие, предотвращающее взаимную диффузию вещества и материала прокладок. В качестве материала защитного покрытия используются хром.

При диаметре топливного сердечника 10 мм и тепловой нагрузке на ТВЭЛ ~1 кВт/см перепад температур на участке периферия-центр (таблетки) равен 300°С. В конструкциях ТВЭЛов с оксидными таблетками оболочка ТВЭЛов заполняется гелием. Для выбранной тепловой нагрузки тепловой скачок в гелиевом зазоре составляет ~250°С. В результате этого при работе в быстром реакторе с жидкометаллическим теплоносителем температура в центре таблетки топливного сердечника достигнет 1200°С. Таким образом, при использовании топливного сердечника описанной конструкции оксидное топливо остается относительно холодным в процессе работы реактора и не подвергается разрушению (фрагментизации).

Оксидное топливо сохраняет надежность до уровня выгорания 8÷10%. По величине удельных тепловых нагрузок и нейтронным характеристикам топливный сердечник, содержащий оксидное топливо, эквивалентен топливному сердечнику, содержащему нитридное топливо.

В связи с тем, что молибден не имеет долгоживущих радиоактивных изотопов, возможен рецикл теплопроводящих прокладок. Используя данную возможность, можно снизить эффективную стоимость используемых изотопов молибдена. При регенерации расчехлованное топливо загружается в поддон и подвергается растворению в азотной кислоте. Молибденовые теплопроводящие прокладки с защитным хромовым покрытием, нерастворимым в азотной кислоте, отделяются от топлива и направляются на хранение в течение одного года. После выдержки молибденовые прокладки подвергаются высокотемпературному отжигу, затем производится восстановление защитного покрытия. Прошедшие процесс регенерации молибденовые прокладки могут использоваться повторно. В другом варианте рецикла молибденовые прокладки после выдержки преобразуются в гексофторид молибдена (MoF₆). Далее гексофторид молибдена подвергается ректификации для удаления радиотоксичных примесей. После этого гексофторид молибдена перерабатывается в металлический молибден, из которого изготавливаются прокладки.

Представленные выше примеры №№1-3 раскрывают преимущественные варианты осуществления изобретения, однако возможны и другие варианты конструкции топливного сердечника, включающего в свой состав теплопроводящие прокладки, выполненные из сплавов молибдена, обогащенных, по крайней мере, одним из изотопов: Мо⁹², Мо⁹⁴, Мо⁹⁸, Мо¹⁰⁰, или из сплавов хрома. Для достижения технического результата, связанного с повышением надежности, безопасности и энергетической эффективности ТВЭЛов, определяющим является выбор материала теплопроводящих прокладок при традиционно используемом соотношении между размерами топливных таблеток и теплопроводящих прокладок. Так, в частности, объемная доля материала теплопроводящих прокладок может быть менее 20% в общем объеме сборки топливных таблеток и теплопроводящих прокладок, абсолютные размеры теплопроводящих прокладок могут отличаться от оптимальных значений, в конструкции теплопроводящих прокладок может не использоваться защитное покрытие. Массовое содержание указанных выбранных изотопов в искусственном молибдене, входящем в состав сплава, может отличаться от оптимальных значений, указанных в примерах осуществления изобретения, в зависимости от конструкции и условий эксплуатации ТВЭЛа.

Представленные выше примеры реализации изобретения подтверждают возможность увеличения диаметров ТВЭЛов за счет существенного повышения радиальной теплопроводности топливного сердечника при действующих тепловых нагрузках, возможность снижения температуры в центральной области ТВЭЛа, и перепада температуры на участке между периферийной и центральной областью топливных таблеток. Необходимо отметить, что при увеличении диаметра ТВЭЛа до (10÷15) мм повышается эффективность использования нейтронов из-за снижения доли нейтронов, поглощаемых оболочкой ТВЭЛа. При этом выполняется условие по снижению паразитного поглощения нейтронов самим топливным сердечником. Решение указанных выше технических задач позволяет повысить линейную тепловую нагрузку на топливо при сохранении нейтронного баланса ТВЭЛа.

Используемые в топливном сердечнике сплавы не проявляют биологическую и радиоактивную токсичность. Кроме того, при использовании теплопроводящих прокладок в составе топливных сердечников, содержащих карбидное или нитридное топливо, блокируются процессы, связанные с фрагментизацией и распуханием топливных таблеток. Перечисленные преимущества обеспечивают повышение надежности, безопасности и энергетической эффективности топливного сердечника и ТВЭЛа. Изобретение может найти применение при разработке ТВЭЛов быстрых реакторов с жидкометаллическим теплоносителем, включая реакторы, работающие по бридерному циклу.

1. Топливный сердечник тепловыделяющего элемента, содержащий сборку соосно размещенных топливных таблеток, выполненных из делящегося вещества, и теплопроводящих прокладок, каждая из которых установлена между близлежащими топливными таблетками, при этом толщина топливных таблеток меньше их диаметра, толщина теплопроводящих прокладок меньше толщины топливных таблеток, отличающийся тем, что теплопроводящие прокладки выполнены из сплава на основе молибдена, обогащенного, по крайней мере, одним из изотопов: Мо⁹², Мо⁹⁴, Мо⁹⁸, Мо¹⁰⁰, или из сплава на основе хрома.

2. Сердечник по п.1, отличающийся тем, что толщина топливных таблеток выбрана в диапазоне от 2 до 3 мм, а толщина теплопроводящих прокладок выбрана в диапазоне от 0,5 до 0,8 мм.

3. Сердечник по п.1, отличающийся тем, что на поверхность теплопроводящих прокладок нанесено защитное покрытие, предотвращающее взаимную диффузию делящегося вещества и металла, из которого выполнены теплопроводящие прокладки.

4. Сердечник по п.1, отличающийся тем, что объемная доля материала теплопроводящих прокладок в объеме сборки топливных таблеток и теплопроводящих прокладок составляет не менее 20%.

5. Сердечник по п.1, отличающийся тем, что топливные таблетки и теплопроводящие прокладки имеют одинаковый диаметр.

6. Сердечник по п.1, отличающийся тем, что диаметр теплопроводящих прокладок превышает диаметр топливных таблеток, по меньшей мере, на величину радиального зазора между поверхностью топливной таблетки и внутренней поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента.

7. Сердечник по п.1, отличающийся тем, что содержит теплопроводящие прокладки, установленные на торцевых поверхностях первой и последней топливной таблетки, входящей в состав сборки.