Патент на изобретение №2263981

(54) ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

(57) Реферат:

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.

Формула изобретения

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.