Твэл реактора на быстрых нейтронах

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок для активных зон реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Твэл для реактора на быстрых нейтронах включает ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой оболочки из стали и концевых деталей, элемент дистанционирования, навитый по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки и закрепленный на концах твэла на концевых деталях. Элемент дистанционирования выполнен в виде ленты, скрученной вокруг продольной оси. Техническим результатом изобретения является снижение металлоемкости твэла. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов и чехловых тепловыделяющих сборок для активных зон реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем.

Известен тепловыделяющий элемент (далее - твэл) для формирования тепловыделяющих сборок (далее - ТВС) реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Твэл включает ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере, который выполнен в виде тонкостенной трубчатой оболочки из хромистой стали и концевых заглушек. Твэл также включает элемент дистанционирования в виде проволоки, навитой по спирали с большим шагом по его длине на наружную поверхность оболочки и закрепленной на концах твэла на оболочке или заглушках. Элемент предназначен для формирования ТВС в виде пучка параллельных твэлов, которые равномерно (с определенным относительным шагом) распределены по поперечному сечению ТВС и помещены в чехол сборки. Такая конструкция твэла и ТВС прошла практическую проверку в реакторах на быстрых нейтронах типа БН с натриевым теплоносителем. В эксплуатировавшихся реакторах типа БН наружный диаметр оболочки твэлов изменялся в диапазоне от 5,9 мм до 7,5 мм, толщина оболочки составляла около 0,3 мм, а диаметр проволоки для изготовления элемента дистанционирования, который определял минимальное расстояние между оболочками соседних твэлов в треугольной решетке ТВС, - около 1 мм. Однако такая конструкция твэла имеет недостатки при использовании в ТВС для разрабатываемых реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем и нитридным уран-плутониевым топливом. Это обусловлено тем, что для обеспечения оптимальных характеристик активных зон таких реакторов расстояние между оболочками соседних твэлов имеют существенно большую величину по сравнению с реакторами с жидкометаллическим теплоносителем типа БН. Так для проектируемого реактора типа БР-1200 наружный диаметр оболочки твэла может составлять более 10 мм, а расстояние между соседними твэлами в ТВС - более 3 мм. В этом случае использование известной конструкции для твэлов реактора типа БР-1200 связано с навивкой на тонкостенную трубку проволоки из нержавеющей стали диаметром около 3 мм. Такое исполнение твэла увеличит металлоемкость ТВС, что приведет к ухудшению нейтронно-физических характеристик активной зоны реактора. Кроме того, навивка с заданным натягом массивной проволоки на поверхность тонкостенной оболочки может привести к заметным искажениям геометрической формы твэла, например, к его искривлению или другой деформации. Другим недостатком такой конструкции твэла является жесткость элемента дистанционирования в поперечной плоскости сечения.

Известен твэл для формирования ТВС реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, который включает ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой стальной оболочки с заглушками, и элемент дистанционирования, размещенный на наружной поверхности оболочки и закрепленный по краям твэла (GB 1459562). Элемент представляет собой проволочную спираль в форме пружины, которая в свою очередь навита по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки. Такая конструкция позволяет обеспечить заданное расстояние между соседними твэлами в ТВС при относительно низкой металлоемкости элемента. Однако элемент в твэле такой конструкции изготавливается из относительно тонкой проволоки, длина которой в несколько раз превышает длину твэла. Поэтому при нагреве до рабочих температур металлического теплоносителя в активной зоне реактора общая длина проволоки существенно увеличивается, что может привести к локальным искажениям геометрической формы спирали и смещению ее витков относительно поверхности оболочки твэла. Это повышает вероятность формирования многочисленных очагов точечной фреттинг-коррозии в местах контакта относительно подвижных витков пружины с оболочкой твэла.

Известен твэл для формирования ТВС реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, который включает ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой стальной оболочки и концевых заглушек. На поверхности оболочки с большим шагом по спирали навит элемент дистанционирования, который закреплен на заглушках твэла (US 3944468). Элемент выполнен в виде двух сопряженных между собой деталей - тонкостенной трубки и размещенной внутри трубки армирующей проволоки. При этом на заглушках закреплена только проволока, а трубка зажимается между проволокой и наружной поверхностью оболочки при изготовлении твэла. Такая конструкция позволяет распределить свойства и функции элемента дистанционирования между его двумя составными частями и за счет этого обеспечить заданный комплекс его свойств. Необходимая прочность элемента в продольном направлении обеспечивается за счет выбора диаметра проволоки. Необходимое расстояние между твэлами в ТВС обеспечивается за счет выбора наружного диаметра трубки. Возможность деформации элемента и компенсации распухания топлива в радиальном направлении обеспечивается за счет малой толщины стенки трубки. Недостатком конструкции является ее сложность, относительно высокая металлоемкость, повышенная вероятность накопления примесей из теплоносителя в тонком зазоре между проволокой и трубкой, а также возможность образования застойных зон для свинцового теплоносителя внутри трубки. Это существенно повышает вероятность возникновения локальных зон перегрева оболочки и очагов коррозии в свинцовом теплоносителе в зонах контакта оболочки, проволоки и трубки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение металлоемкости твэла за счет снижения металлоемкости элемента дистанционирования. Достижение указанного технического результата способствует повышению нейтронно-физических параметров активной зоны реактора на быстрых нейтронах.

Технический результат в изобретении достигается тем, что в твэле для реактора на быстрых нейтронах (включающем ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой оболочки из стали и заглушек, элемент дистанционирования, навитый по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки и закрепленный на концах твэла к заглушкам; а также дополнительные детали, которые могут быть размещены внутри оболочки твэла, например, фиксаторы топливных таблеток или вставки из неделящихся материалов, металлический расплав и другое) элемент дистанционирования выполнен в форме скрученной вокруг продольной оси металлической ленты, ширина которой примерно равна минимальному расстоянию между соседними твэлами в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, а площадь поперечного сечения ленты задана в пределах от 0,1 до 0,5 от площади описанной вокруг этого сечения окружности.

Далее в описании упомянутый элемент дистанционирования, выполненный в форме скрученной вокруг продольной оси металлической ленты, обозначен для краткости как «витая лента» (далее используется без кавычек).

Выполнение витой ленты с шириной примерно равной минимальному расстоянию между соседними твэлами позволяет обеспечить их надежное дистанционирование между собой в тепловыделяющей сборке ядерного реактора.

Нижний предел площади поперечного сечения витой ленты - от 0,1 площади описанной вокруг этого сечения окружности - обусловлен необходимостью придать скрученной витой ленте определенную жесткость для сохранения заданной формы. Верхний предел площади поперечного сечения витой ленты - до 0,5 площади описанной вокруг этого сечения окружности - обусловлен необходимостью снижения металлоемкости элемента дистанционирования.

Возможные частные варианты выполнения твэла характеризуются приведенными ниже признаками.

Направление скручивания витой ленты вокруг продольной оси и направление навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла по спирали в предложенной конструкции твэла могут как совпадать, так и противоположны между собой. Оба варианта выполнения твэла с указанными частными признаками направлений скручивания и навивки обеспечивают эффективное дистанционирование твэлов между собой в тепловыделяющей сборке ядерного реактора.

Элемент дистанционирования выполнен из той же стали, что и оболочка твэла. Такое выполнение элемента дистанционирования позволяет использовать в активной зоне проверенный и коррозионностойкий материал с оптимальными характеристиками при рабочих температурах теплоносителя.

Кромки витой ленты скруглены, что позволяет избежать механических повреждений оболочек соседних твэлов в случае вибрационных колебаний твэлов в активной зоне.

Изобретение поясняется рисунками, приведенными на фиг. 1-5.

На фиг. 1 приведено изображение витой ленты до навивки на твэл.

На фиг. 2 приведено изображение твэла (с совпадающими направлениями навивки элемента дистанционирования и скручивания ленты).

На фиг. 3 приведено изображение семи твэлов, дистанционированных между собой элементами дистанционирования в виде витых лент, имеющих прямоугольные поперечные сечения.

На фиг. 4 приведено изображение схемы дистанционирования твэла относительно соседнего твэла, в которой направления навивки элемента дистанционирования и скручивания ленты совпадают.

На фиг. 5 приведено изображение схемы дистанционирования твэла относительно соседнего твэла, в которой направления навивки элемента дистанционирования и скручивания витой ленты противоположны.

Твэл в соответствии с одним из возможных вариантов выполнения изобретения (см. фиг. 2, фиг. 4 и фиг. 5) содержит оболочку (1), которая по торцам герметизирована заглушками (3). На наружную поверхность оболочки (1) навит по спирали с большим шагом элемент дистанционирования, который включает витую ленту (2) и концевые участки (4). Концевые участки (4) приварены к заглушкам (3). Внутри оболочки (1) размещено ядерное топливо (5), а также, при необходимости, другие детали и материалы, например, фиксаторы топлива, элементы из неактивных материалов, металлические расплавы в зазоре между топливом и оболочкой, и другие (не показаны).

Для обеспечения надежного дистанционирования твэла с каждым из соседних твэлов на одном шаге навивки элемента дистанционирования на оболочку шаг скручивания витой ленты определяется по формуле:

где S2 - шаг скручивания витой ленты вокруг продольной оси;

S1 - шаг навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла, определяемый из условия вибрационной прочности пучка твэлов в ТВС;

d - наружный диаметр оболочки твэла;

δ - ширина витой ленты;

N - количество полных витков скрученной с шагом S2 витой ленты на одном шаге Sl, которое определяется по следующим формулам:

- для однонаправленной навивки

- для разнонаправленной навивки

где n - число, выбираемое из ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. При этом большее значение n обеспечивает меньшее возможное отклонение между элементом дистанционирования и соседними твэлами, которое может возникнуть из-за погрешностей размеров при изготовлении твэла и тепловыделяющей сборки.

Однако выбираемое значение n ограничивается допустимым относительным удлинением материала витой ленты при пластической деформации материала в области продольных кромок при скручивании. Поэтому значение n должно удовлетворять условию:

- для однонаправленных направлений скручивания ленты и навивки элемента дистанционирования

- для разнонаправленных направлений скручивания ленты и навивки элемента дистанционирования навивки

где δ5(tизг) - удлинение при разрыве для материала ленты при температуре изготовления (скручивания);

Kзап - коэффициент запаса по допустимому удлинению при скручивании ленты.

Ниже приведены примеры осуществления твэла в соответствии с изобретением.

Пример 1. Изготавливают твэл с наружным диаметром оболочки 10,5 мм и ее толщиной 0,5 мм с элементом дистанционирования (2) в виде ленты с прямоугольным поперечным сечением 2,6×0,5 мм, причем углы прямоугольника закруглены с радиусом 0,25 мм. Оболочка (1) твэла и элемент дистанционирования (2) выполнены из стали, обладающей повышенной коррозионной стойкостью в среде свинцового теплоносителя. Ленту скручивают в холодном состоянии вокруг продольной оси с шагом 8,2 мм (шаг рассчитан по формулам (1), (2) и (4)), путем, например, протягивания через вращающуюся фильеру. При этом относительная деформация материала ленты в области продольных кромок составляет 42,7% (принята максимальная допустимая относительная деформация 50% при температуре 20°С по аналогии с листом из стали 10Х18Н9 и коэффициент запаса 1,1). При таком шаге на одном витке спирали укладывается 19 малых витков скрученной ленты. После этого лента (2) навивается на оболочку твэла (1) с шагом навивки 250 мм в направлении, совпадающем с направлением закрутки ленты вокруг центральной продольной оси, и закрепляется своими концевыми элементами (4) на заглушках (3) твэла.

Пример 2. Изготавливают твэл с элементом дистанционирования (2) с размерами, приведенными в примере 1. Для изготовления используют ленту с размерами, приведенными в примере 1. Ленту скручивают вокруг продольной оси с шагом 7,9 мм, и навивают на оболочку (1) твэла с шагом навивки 250 мм в направлении, противоположном направлению скрутки ленты вокруг центральной продольной оси, и закрепляют концевыми элементами (4) на заглушках (3) твэла.

Пример 3. Изготавливают твэл с элементом дистанционирования в виде витой ленты с учетом возможных предельных отклонений геометрических размеров твэла и элемента дистанционирования, которые заложены в технический проект твэла и ТВС реакторной установки БН-1200. Размеры прямоугольного поперечного сечения ленты составляют 2,56×0,5 мм. Наружный диаметр твэла - 10,53 мм. Шаг навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла - 258,3 мм. Лента скручивается вокруг продольной оси с шагом 20,10 мм и навивается на оболочку твэла. В этом случае в соответствии с методикой, изложенной в приложении 2, можно показать, что при наиболее неблагоприятном сочетании погрешностей в изготовлении твэла и ТВС максимальное возможное смещение соседнего твэла от его номинального положения составит 0,16 мм.

Предложенная конструкция позволяет существенно снизить металлоемкость твэла за счет выполнения элемента дистанционирования в виде витой ленты. Например, в активной зоне с твэлами с оболочкой наружным диаметром 10,5 мм, расположенными с шагом 13,1 мм в узлах треугольной решетки, при дистанционировании витой лентой с размерами поперечного сечения 2,6×0,5 мм относительная металлоемкость (отношение объемов элементов дистанционирования) витой ленты по сравнению с дистанционирующей проволокой диаметром 2,6 мм составляет 24,5%. Относительная металлоемкость витой ленты по сравнению с трубкой ∅ 2,6×0,5 мм составляет 39,4%, а по сравнению с трубкой ∅ 2,6×0,3 мм - 60,0%.

Кроме того, важным дополнительным техническим результатом предлагаемого изобретения является дополнительная турбулизация потока теплоносителя в тепловыделяющей сборке, набранной из твэлов, в которых используются в качестве дистанционирующих элементов витые ленты. Дополнительная турбулизация потока теплоносителя формируется благодаря скручиванию самих лент вокруг их осей, позволяет уменьшить возможность образования и площадь застойных зон теплоносителя, а, следовательно, и «горячих пятен» на оболочке твэла.

Достижение указанных технических результатов способствует улучшению нейтронно-физических характеристик и надежности работы активной зоны реактора на быстрых нейтронах. Указанные свойства технического решения позволяют предполагать возможность его практического применения при изготовлении твэлов и ТВС для реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем.

1. Твэл для реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включающий ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде трубчатой оболочки и заглушек, элемент дистанционирования, навитый по спирали на наружную поверхность оболочки и закрепленный на концах в заглушках, отличающийся тем, что элемент дистанционирования выполнен в виде скрученной вокруг своей продольной оси ленты, ширина которой определяется расстоянием между соседними твэлами, а ее площадь поперечного сечения задана в пределах от 0,1 до 0,5 от площади описанной вокруг этого сечения окружности.

2. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что направление навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла и направление скручивания ленты вокруг свой продольной оси совпадают, и при этом шаг скручивания ленты рассчитывают по формуле

где S2 - шаг скручивания витой ленты вокруг своей продольной оси;

S1 - шаг навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла, определяемый из условия вибрационной прочности пучка твэлов в ТВС;

d - наружный диаметр оболочки твэла; δ - ширина ленты;

No - количество полных витков скрученной ленты на одном шаге S1 при совпадающих направлениях скручивания и навивки.

3. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что направление навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла и направление скручивания ленты вокруг свой продольной оси противоположны, и при этом шаг скручивания ленты рассчитывают по формуле

где S2 - шаг скручивания витой ленты вокруг своей продольной оси;

S1 - шаг навивки элемента дистанционирования на оболочку твэла, определяемый из условия вибрационной прочности пучка твэлов в ТВС;

d - наружный диаметр оболочки твэла; δ - ширина ленты;

Np - количество полных витков скручивания ленты на одном шаге S1 при противоположных направлениях скручивания и навивки.

4. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что кромки витой ленты скруглены.

5. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что элемент дистанционирования выполнен из той же стали, что и оболочка твэла.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к составу водорастворимого покрытия для защиты поверхности ядерного топливного стержня, а также к раствору покрытия и способу его нанесения.

Группа изобретений относится к композитной оболочке тепловыделяющего элемента ядерного реактора. Композитная оболочка тепловыделяющего элемента ядерного реактора содержит подложку, содержащую внутренний слой на основе циркония и один промежуточный слой, расположенный на указанном внутреннем слое и состоящий по меньшей мере из одного промежуточного материала, выбранного из тантала, молибдена, вольфрама, ванадия, гафния или их сплавов, и по меньшей мере один внешний слой, расположенный на подложке и состоящий из защитного материала, выбранного из хрома или сплава на основе хрома.

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) для атомных реакторов. Способ герметизации твэлов включает аргонодуговую сварку оболочки с заглушкой из высокохромистой стали, снаряжение твэла топливом, приварку к другому концу оболочки второй заглушки, термообработку сварных соединений.

Данное изобретение относится к оболочкам микротвэлов ядерного реактора. Оболочка полностью или частично изготовлена из композиционного материала с керамической матрицей, содержащей волокна карбида кремния (SiC) в качестве армирования матрицы и межфазный слой между матрицей и волокнами.

Изобретение относится к трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора. .

Изобретение относится к атомной энергетике и может использоваться в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) с таблеточным топливом, которые применяются в быстрых энергетических реакторах.
Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в сверхвысокотемпературных космических реакторах. .

Изобретение относится к области производства сталей для основного оборудования атомных энергетических установок. .

Изобретение относится к области металлургии. Техническим результатом изобретения является получение прочностных характеристик стали, склонности к ВН-эффекту при отсутствии площадки текучести.

Изобретение относится к электротехнической листовой стали с изоляционным покрытием с превосходными штампуемостью и адгезионными свойствами. Электротехническая листовая сталь с изоляционным покрытием содержит электротехническую листовую сталь и изоляционное покрытие, сформированное на электротехнической листовой стали.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к производству листового проката для использования при строительстве морских сооружений, транспортном и тяжелом машиностроении и для работы в арктических условиях.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения повышенной деформационной способности стального листа толщиной 15-40 мм с пределом текучести свыше 480 МПа, используемого при производстве электросварных труб, сляб из стали, содержащей, мас.

Изобретение относится к листу из текстурированной электротехнической стали и может быть использовано в качестве материала сердечника электрических трансформаторов, генераторов и т.п.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при производстве толстолистового штрипса из низколегированной стали толщиной от 10 до 15 мм.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве горячекатаного листа толщиной 48-100 мм из низколегированной стали для изготовления конструкций ответственного назначения, работающих под давлением при температуре до -70°C.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения прочности и пластичности листовую заготовку получают из стали, содержащей в мас.%: С от 0,15 до 0,5, Si от 0,2 до 3, Mn от 0,5 до 3, Р 0,05 или менее, S 0,05 или менее, Al от 0,01 до 1,В от 0,0002 до 0,01,N от 0,001 до 0,01 Ti в количестве, равном или более 3,4[N]+0,01 и равном или менее 3,4[N]+0,1, где [N] - содержание (мас.%) N в стали, железо и неизбежные примеси – остальное, причем средний диаметр эквивалентной окружности Ti-содержащих выделившихся включений, имеющих диаметр эквивалентной окружности 30 нм или менее, составляет 6 нм или менее, а количество Ti во включениях и общее количество Ti в стали удовлетворяет предписанному соотношению, нагревают заготовку до температуры от 900 до 1100°С, штампуют в пресс-форме, при этом в процессе формования её охлаждают со средней скоростью охлаждения 20ºС/с или более до температуры, равной или ниже на 100ºС температуры Bs начала бейнитного превращения и равной или большей, чем температура Ms начала мартенситного превращения, а после завершения формования полученное изделие охлаждают со средней скоростью охлаждения менее 20°С/с до температуры 200°С или менее.

Изобретение относится к области термомеханической обработки стального листа путем резания. Для предотвращения замедленного разрушения на поверхности среза листа и получения точности размера при изготовлении изделия из листа способ горячей режущей обработки с измельчением зерен поверхностного слоя включает стадии, в которых: нагревают и выдерживают стальной лист в диапазоне температур от Ас3 до 1400°С для получения аустенитной структуры стального листа, затем проводят режущую обработку стального листа при размещении стального листа на матрице и закаливают быстрым охлаждением подвергнутого режущей обработке стального листа, причем начальную температуру режущей обработки регулируют в диапазоне от Ar3 + 30°С до Ar3 + 140°С.

Изобретение относится к области черной металлургии. Для получения изделий сложной формы и обеспечения высоких показателей временного сопротивления, предела текучести, хладостойкости, коррозионной стойкости, высокой пластичности и свариваемости отожженный холоднокатаный стальной лист нагревают до температуры 890-950°C со скоростью не менее 6°C/с, выдерживают при упомянутой температуре в течение 4-5 минут, затем подвергают горячей штамповке и охлаждают в штампе со скоростью 30-80°C/с для получения изделия, имеющего временное сопротивление до 2200 Н/мм2.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к покрытому сплавом на основе алюминия стальному материалу, используемому в различных областях в качестве коррозионностойкого материала. Коррозионностойкое покрытие сформировано на поверхности стального материала и включает слой покрытия из сплава на основе Al, слой ZnAl2O4 толщиной 0,05-2 мкм, сформированный непосредственно на слое покрытия из сплава на основе Al, и внешний слой, содержащий ZnO и сформированный непосредственно на слое ZnAl2O4. Слой покрытия из сплава на основе Al содержит в мас.%: 10-50 Fe и 3-15 Si. Достигается повышение коррозионной стойкости после нанесения покрытия. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок для активных зон реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Твэл для реактора на быстрых нейтронах включает ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой оболочки из стали и концевых деталей, элемент дистанционирования, навитый по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки и закрепленный на концах твэла на концевых деталях. Элемент дистанционирования выполнен в виде ленты, скрученной вокруг продольной оси. Техническим результатом изобретения является снижение металлоемкости твэла. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Наверх