CZ32776U1 - Jaderné palivo, palivová peleta toto jaderné palivo obsahující a palivová tyč obsahující alespoň jednu tuto palivovou peletu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká jaderného paliva se sníženou centrální teplotou, palivové pelety toto jaderné palivo obsahující a palivové tyče obsahující alespoň jednu tuto palivovou peletu.

Dosavadní stav techniky

Současným palivem lehkovodních reaktorů, ve zkratce LWR, ať již tlakovodních či varných, je ve většině případů oxid uraničitý, zkráceně UO2. V některých případech je oxid uraničitý smíchán s oxidem plutoničitým, zkráceně PUO2. Oxid uraničitý je slinut v keramický materiál, který i za vyšších teplot v řádech tisíců stupňů Celsia vykazuje chemickou stabilitu, mechanickou stabilitu a inertní chování v reakci s vodou. Teplota tání je přibližně 2650 °C.

Palivo z UO2 jev jaderném reaktoru přítomno ve formě pelet, tedy válečků, o průměru do cca 10 mm a výšce cca 10 mm, které jsou uzavřeny v trubičkách vyrobených ze slitin na bázi zirkonia. Trubička bývá pro lepší přestup tepla mezi peletou a samotnou trubičkou naplněna plnícím plynem, heliem, a z tohoto důvodu je i hermeticky uzavřena na obou koncích. Mezi peletou a trubičkou se nachází volný prostor, tzv. palivová mezera, která slouží k pojmutí dilatací pelet způsobených tepelnou roztažností a objemovým napucháním vlivem vyhořívání. Sestava pelet v trubičce se nazývá palivový proutek. Palivové proutky se dále kompletují do palivového souboru a v závislosti na typu reaktoru se délka palivového souboru liší v rozmezí cca 2,5 až 4 m. Liší se i celková hmotnost souboru, a to od 200 kg do 800 kg.

Přírodní uran se sestává zejména z izotopu U238 v množství 99,28 % a dále z izotopu U235 v množství 0,72 % a stopového množství U234, tedy 0,005 %. Lehkovodní reaktory jsou založeny na štěpení izotopu U235, kterého po dobu provozu reaktoru v peletách ubývá. Z tohoto důvodu bývá v peletách UO2 množství U235 navýšeno procesem tzv. obohacování, jelikož obohacené palivo je možno využívat k provozu reaktoru po delší dobu.

Štěpením izotopu U235 vzniká v objemu pelety teplo, které jez pelety radiálně odváděno přes palivovou mezeru a pokrytí do chladivá jaderného reaktoru. U LWR se jedná o vodu. Jelikož vývin tepla probíhá v celém objemu pelety a UO2 má malou tepelnou vodivost, vzniká v samotné peletě velký teplotní gradient v řádech stovek stupňů na centimetr. Palivová mezera i pokrytí v tomto případě představují tepelný odpor, který dále navyšuje teplotu v peletě, přičemž provozní teplota v centru pelety může dosahovat patnáct set až dvou tisíc stupňů Celsia. Na základě tohoto jevu je peleta silně mechanicky a tepelně namáhána vlivem teplotní roztažností. V kritických případech může dojít i k tavení středu pelety. Za účelem prevence tohoto jevu je někdy v peletě vytvořen centrální otvor, čímž se eliminují vysoké centrální teploty pelety, avšak na úkor množství paliva v peletě.

Udržení štěpné řetězové reakce je založeno na zásobě izotopu uranu U235, který v průběhu vyhořívání ubývá. Navýšením obsahu U235 se dosahuje vyšší efektivity ve využívání paliva, jelikož palivo je možno používat po delší dobu. Použití tohoto principu ovšem vede ke značnému přebytku reaktivity na začátku vyhořívání, který se musí kompenzovat použitím absorbátorů neutronů přítomných v palivu, chladící vodě nebo regulačních orgánech jaderného reaktoru.

V tomto ohledu se jeví jako výhodné zavést do pelety/palivového proutku oxid thoria (TI1O2), kde thorium patří mezi tzv. „štěpitelné materiály“. V tomto případě dochází nejprve k absorpci přebytečných neutronů na atomech thoria, které „konverzí“ přechází na izotop uranu U233, což je neutronový záchyt následovaný dvěma beta mínus rozpady, který jev pozdějších fázích procesu

- 1 CZ 32776 U1 vyhoriván, štěpen, podobně jako izotop U235. V tomto případě může být ThO₂ buďto přimícháno přímo do matrice pelety UO₂, nebo může být centrum pelety na bázi UO2 vytvořeno z TliCL, tzv. palivo typu „DUPLEX“, nebo je možno v palivovém proutku proložit pelety z UO2 peletami z ThO₂.

Nevýhoda tohoto způsobu je ovšem fakt, že TI1O2 vykazuje podobně nízkou tepelnou vodivost, jak je tomu u UO2. Problémy s mechanickým namáháním paliva tedy zůstávají i u této formy paliva.

Podstata technického řešení

Cílem tohoto technického řešení je představit jaderné palivo se sníženou centrální teplotou, obsahující vnější materiál obklopující vnitřní materiál, kde vnějším materiálem je oxid uraničitý, zkráceně UO2, jehož podstata spočívá vtom, že vnitřním materiálem je materiál s tepelnou vodivostí větší, než je tepelná vodivost oxidu uraničitého.

Ve výhodném provedení je vnitřní materiál karbid thoria.

V jiném výhodném provedení je vnitřní materiál dikarbid thoria.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž palivová peleta, jejíž podstata spočívá v tom, že obsahuje jaderné palivo podle některého ze shora uvedených znaků.

Ve výhodném provedení je vnitřní materiál je válcová vložka a/nebo nános vnitřního materiálu do centrálního otvoru prstence vnějšího materiálu a/nebo nános vnitřního materiálu na vnitřní povrch prstence vnějšího materiálu.

V jiném výhodném provedení je průměr vnitřního materiálu maximálně 60 % průměru pelety.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž palivová tyč, jejíž podstata spočívá v tom, že obsahuje alespoň jednu palivovou peletu podle některého ze shora uvedených znaků.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále přiblíženo pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje palivovou peletu jaderného paliva se sníženou teplotou v jeho centru podle tohoto technického řešení a obr. 2 představuje graf poklesu neutronové bilance v průběhu vyhořívání jaderného paliva.

Příklady uskutečnění technického řešení

Jaderné palivo podle tohoto technického řešení obsahuje vnější materiál 2 obklopující vnitřní materiál 1, kde vnějším materiálem 2 je oxid uraničitý, zkráceně UO2, a vnitřním materiálem 1. je materiál s tepelnou vodivostí větší, než je tepelná vodivost oxidu uraničitého.

Vnitřní materiál 1 je výhodně vytvořen z karbidů thoria, zejména z dikarbidu thoria, zkráceně ThC₂.

Jak je vidět na obr. 1, jaderné palivo podle tohoto technického řešení je výhodně ve formě pelety, jejíž vnější materiál 2 je ve formě prstence. Vnitřní materiál _l_ je v peletě vytvořen jejím zasunutím coby válcové vložky, a/nebo nanesením vnitřního materiálu 1 do centrálního otvoru prstence vnějšího materiálu 2, např. napěchováním, a/nebo nanesením vnitřního materiálu 1 na vnitřní povrch prstence vnějšího materiálu 2.

-2CZ 32776 U1

Průměr vnitřního materiálu 1 je maximálně 60 % průměru pelety.

ThC2 je množivý materiál, tudíž pozitivně ovlivňuje neutronovou bilanci v pozdějších fázích palivové kampaně. Neutronová bilance je vyjádřena pomocí koeficientu kmf, který je ideálně roven jedné, což značí vyrovnanou neutronovou bilanci. Průměr centrální části z TI1C2 je ovlivněn požadavkem na funkci centrální části.

Jak je vidět na obr. 2, při průměrech vnitřního materiálu 1 do 1 mm zlepšuje jeho přítomnost neutronovou bilanci na konci palivové kampaně, v příkladu o poloměru vložky r=0,25 mm, a tím i zlepšuje ekonomickou stránku provozu jaderného reaktoru. Při vyšších průměrech vnitřního materiálu 1 dochází k významnému snížení přebytku reaktivity na začátku kampaně, čímž pozitivně přispívá k provozu reaktoru, v příkladu o poloměru vložky r=2,0 mm. V tomto případě totiž není zapotřebí zásahu regulačních orgánů jaderného reaktoru, vysoké koncentrace kyseliny borité v chladivu či použití vyhořívajících absorbátorů na bázi oxidů vzácných zemin. Rovněž hustota neutronového toku, a tedy i tepelného výkonu je následně rovnoměrněji rozložena v radiálním směru aktivní zóny jaderného reaktoru.

Nový typ paliva vychází ze standardního paliva UO2 s centrálním otvorem, tudíž je snadno vyrobitelný.

Výhodou tohoto technického řešení je, že není nutno, aby se celý palivový proutek sestával z nového typu pelet. S výhodou je možno využít konceptu, kdy jsou v palivovém proutku axiálně střídány klasické plné pelety z UO2 a nově navržené pelety s odlišnou centrální částí. Rovněž je možno dávat nový typ pelet na místa palivového proutku, kde je potřeba snížit přebytek neutronů, zejména v počátku vyhořívání.

TI1C2 vykazuje více než dvojnásobnou tepelnou vodivost oproti UO2 a vysokou teplotu tání, cca 2650 °C, tudíž je teplotně stálý a efektivně snižuje množství akumulovaného tepla. V případě, že je palivový proutek sestaven z pelety z paliva podle tohoto technického řešení, umožňuje toto provedení proudění plnícího plynu centrem této pelety a tím i chlazení jejího centra. Dále umožňuje snížit mechanické namáhání vnitřního materiálu 1 i vnějšího materiálu 2 pojmutím jejich tvarových deformací.

Dalším pozitivním jevem je snížení toxické zátěže vyhořelého jaderného paliva, jelikož použitím vložky založené na thoriu vzniká méně transuranů, které představují významnou radiotoxickou zátěž u použitého jaderného paliva.

Nový typ pelety je možno využít v lehkovodních reaktorech, ať již tlakovodního či varného typu, nebo těžkovodních reaktorech, např. typu CANDU.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (7)

1. Jaderné palivo, obsahující vnější materiál (2) obklopující vnitřní materiál (1), kde vnějším materiálem (2) je oxid uraničitý, zkráceně UO2, vyznačující se tím, že vnitřním materiálem (1) je materiál s tepelnou vodivostí větší, než je tepelná vodivost oxidu uraničitého.

2. Jaderné palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že vnitřní materiál (1) je karbid thoria.

-3 CZ 32776 U1 z předchozích nároků.

3. Jaderné palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že vnitřní materiál (1) je dikarbid thoria.

4. Palivová peleta, vyznačující se tím, že obsahuje jaderné palivo podle některého

5 nános vnitřního materiálu (1) na vnitřní povrch prstence vnějšího materiálu (2).

5. Palivová peleta podle nároku 4, vyznačující se tím, že vnitřní materiál (1) je válcová vložka a/nebo nános vnitřního materiálu (1) do centrálního otvoru prstence vnějšího materiálu (2) a/nebo

6. Palivová peleta podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že průměr vnitřního materiálu (1) je maximálně 60 % průměru pelety.

ío

7. Palivová tyč, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jednu palivovou peletu podle některého z nároků 4 až 6.