RU2256242C2 - Тепловыделяющий элемент ядерного реактора - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов ядерного реактора. Техническим результатом изобретения является повышение надежности тепловыделяющего элемента в реакторе и снижение стоимости его изготовления. Тепловыделяющий элемент содержит помещенное с зазором в герметичную оболочку ядерное топливо, коэффициент линейного температурного расширения которого больше коэффициента линейного температурного расширения материала оболочки, представляющее собой цилиндрические таблетки, образующие столб по высоте тепловыделяющего элемента, и пружинный фиксатор топливного столба. Пружинный фиксатор топливного столба выполнен из материала с высокой релаксационной способностью, проявляющейся под воздействием термомеханических нагрузок на него со стороны топливного столба при рабочей температуре тепловыделяющего элемента в реакторе, со скоростью релаксации усилия поджатия не менее 0,002 веса топливного столба в час, а максимальное усилие поджатия топливного столба фиксатором в начальный момент эксплуатации не превышает трех весов топливного столба. 1 ил.

Description

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов ядерного реактора.

Известен тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий герметичную оболочку, ядерное топливо в виде цилиндрических таблеток, набранных в столб по длине оболочки и удерживаемых в заданном положении фиксатором в виде разрезных втулок. Оболочка тепловыделяющего элемента выполнена из сплава циркония, коэффициент линейного расширения которого меньше коэффициента линейного расширения ядерного топлива (см. Ф.Г.Решетников и др. “Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов”, кн.2, М.: Энергоатомиздат, 1995, с.210). Недостатком известного тепловыделяющего элемента является то, что втулочные фиксаторы выполняют свою функцию только до проведения первой технологической операции, связанной с нагревом такого тепловыделяющего элемента, например, горячим контролем герметичности. В результате при дальнейших транспортно-технологических операциях не исключается повреждение таблеток топлива, возникновение в них трещин и сколов в виде крошки вследствие вибраций или ударов, а также образование зазоров в топливном столбе из-за радиального заклинивания крошки. В связи с тем, что во время работы тепловыделяющего элемента в реакторе в осевом зазоре топливного столба тепловыделяющего элемента наблюдается всплеск энерговыделения, этот факт учитывают при обосновании работоспособности тепловыделяющего элемента путем введения дополнительного слагаемого в коэффициент запаса К_мех, тем самым ухудшая экономические показатели реактора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является тепловыделяющий элемент активной зоны водо-водяных энергетических реакторов типа ВВЭР-1000 по патенту РФ № 2150150, МПК G 21 С 3/18, опубл. в бюлл. № 15, 27.05.2000 (прототип).

Известный тепловыделяющий элемент обеспечивает фиксацию топливного столба при всех транспортно-технологических операциях, связанных с его изготовлением и транспортировкой, однако вследствие того, что фиксатор данного тепловыделяющего элемента представляет собой пружину, материал которой сохраняет свои свойства (усилие поджатия, длину), в том числе и в условиях работы реактора, а оболочка данного тепловыделяющего элемента выполнена из сплава циркония с коэффициентом температурного расширения меньше, чем у топливного столба, то при работе тепловыделяющего элемента в результате преимущественного увеличения длины топливного столба усилие его поджатия возрастает и сохраняется в течение длительного времени. Как показали специально проведенные расчеты, наличие осевого поджатия столба при неблагоприятном осевом расположении таблеток, например формировании столба в виде коленчатого вала, существенно повышает вероятность взаимодействие топлива с оболочкой по механизму термомеханического храповика, при этом осевые напряжения могут превышать предел текучести материала оболочки с накоплением максимальной деформации в области нижнего сварного шва. Особенно опасно дополнительное поджатие топливного столба фиксатором в случае, когда таблетки топлива расположатся с перекосом своих осей относительно друг друга, например в случае попадания между торцами таблеток крошки и после длительной эксплуатации тепловыделяющего элемента в реакторе, когда пластические свойства оболочки под действием условий работы реактора существенно снижаются.

Другим недостатком данного тепловыделяющего элемента являются повышенные затраты на его изготовление из-за высокой стоимости фиксатора, которая, в первую очередь, определяется стоимостью материала, обеспечивающего высокую релаксационную стойкость при повышенной температуре, и длительной термической обработкой фиксатора в вакууме при его изготовлении.

Технической задачей изобретения является повышение надежности тепловыделяющего элемента в реакторе и снижение стоимости его изготовления.

Решение технической задачи достигается тем, что в тепловыделяющем элементе, содержащем помещенное с зазором в герметичную оболочку ядерное топливо, коэффициент линейного температурного расширения которого больше коэффициента линейного температурного расширения материала оболочки, представляющее собой цилиндрические таблетки, образующие столб по высоте тепловыделяющего элемента, и пружинный фиксатор топливного столба, согласно формуле изобретения пружинный фиксатор топливного столба выполнен из материала с высокой релаксационной способностью, проявляющейся под воздействием термомеханических нагрузок на него со стороны топливного столба при рабочей температуре тепловыделяющего элемента в реакторе, со скоростью релаксации усилия поджатия не менее 0,002 веса топливного столба в час, а максимальное усилие поджатия топливного столба фиксатором в начальный момент эксплуатации не превышает трех весов топливного столба.

Указанная совокупность признаков является новой, не известной из уровня техники, и обладает изобретательским уровнем, так как материал фиксатора обладает высокой скоростью релаксации усилия поджатия топливного столба и уже в начальный период работы тепловыделяющего элемента снижает осевую нагрузку на топливный столб. Расчетным путем показано, что в случае, если скорость релаксации составляет не менее 0,002 веса топливного столба в час, то вероятность возникновения эффекта храповика при штатных условиях эксплуатации и при асимметричном расположении таблеток столба относительно друг друга или оси тепловыделяющего элемента снижается.

Первоначальное повышение усилия поджатия столба топлива, в начальный момент эксплуатации составляющее не более трех весов топливного столба, с учетом достаточно высоких механических свойств необлученной оболочки не является критичным для работы тепловыделяющего элемента. В процессе работы тепловыделяющего элемента одновременно с уменьшением пластичности оболочки тепловыделяющего элемента за счет релаксации фиксатора усилие поджатия уменьшается.

Применение сплавов с высокой релаксационной способностью, являющимися менее дефицитными, более дешевыми и не требующими сложной термической обработки, снижает стоимость изготовления фиксатора в целом.

На чертеже представлен предлагаемый тепловыделяющий элемент, состоящий из оболочки 1, загерметизированной сварными швами путем приварки заглушек 2 и 3, ядерного топлива в виде цилиндрических таблеток 4, верхняя часть тепловыделяющего элемента содержит компенсационный объем, в котором размещается пружинный фиксатор 5, представляющий собой либо цилиндрическую пружину, упирающуюся в заглушку 2, либо пружину переменного диаметра, опирающуюся верхними витками на внутреннюю поверхность оболочки (не показано). Фиксатор изготавливается из материала с высокими релаксационными свойствами, например, из стали типа 12Х18Н10Т. Размеры фиксатора, а именно длина, шаг навивки, толщина проволоки, количество витков и другие параметры определяются для каждого конкретного тепловыделяющего элемента отдельно в зависимости от веса топлива и величины компенсационного объема.

Тепловыделяющий элемент работает следующим образом. В процессе изготовления тепловыделяющего элемента фиксатор поджимает топливный столб с усилием, превышающим не менее чем на 20% вес топливного столба. Это позволяет при выполнении технологических операций, связанных с кратковременным нагревом тепловыделяющего элемента до температуры около 350°С, а также при транспортировке тепловыделяющего элемента в составе кассеты до реактора в столбе топлива исключить появление зазоров и повреждение таблеток.

После загрузки в реактор с началом подъема мощности и ростом температуры фиксатор разогревается до температуры выше 500°С, одновременно при этом большее удлинение топливного столба по сравнению с длиной оболочки приводит к сжатию фиксатора, усилие поджатия возрастает в 1,5-2,5 раза, но не превышает трех весов топливного столба. В результате действия этих двух факторов - температуры и деформации - начинается процесс снижения усилия - релаксация - со скоростью не менее 0,002 веса топливного столба в час.

Уменьшение усилия поджатия снижает нагрузку на столб и уменьшает вероятность возникновения эффекта храповика при взаимодействии топливных таблеток и оболочки, в том числе и при асимметричном расположении топливных таблеток, например, из-за попадания частиц топлива между их торцевыми поверхностями. При этом уменьшение усилия поджатия топливного столба происходит быстрее снижения пластических свойств оболочки тепловыделяющего элемента.

Claims (1)

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий помещенное с зазором в герметичную оболочку ядерное топливо, коэффициент линейного температурного расширения которого больше коэффициента линейного температурного расширения материала оболочки, и представляющее собой цилиндрические таблетки, образующие столб по высоте тепловыделяющего элемента, и пружинный фиксатор топливного столба, отличающийся тем, что фиксатор выполнен из материала с высокой релаксационной способностью, проявляющейся под воздействием термомеханических нагрузок на него со стороны топливного столба при рабочей температуре тепловыделяющего элемента в реакторе, со скоростью релаксации усилия поджатия не менее 0,002 веса топливного столба в час, а максимальное усилие поджатия топливного столба фиксатором в начальный момент эксплуатации не превышает трех весов топливного столба.