нагревная секция

Формула изобретения

1. Нагревная секция, включающая керамические твэлы из материала на основе карбидов тугоплавких металлов, между которыми образованы каналы для прохода теплоносителя, отличающаяся тем, что твэлы выполнены в виде винтообразно закрученных стержней фасонного профиля, набранных в пучок и размещенных в его поперечном сечении по треугольной решетке с контактом относительно друг друга по максимальному размеру профиля, пучок выполнен закрученным относительно продольной оси, стержни в местах контакта диффузионно скреплены друг с другом, причем шаг закрутки стержней составляет (5 15)d, а шаг закрутки пучка (5 6)D, где d описанный диаметр поперечного сечения стержня, D описанный диаметр поперечного сечения пучка.

2. Секция по п.1, отличающаяся тем, что стержни выполнены в виде трубок, например, овального профиля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нагревным секциям тепловыделяющих сборок и может быть использовано в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах, в частности в реакторах ядерных ракетных двигателей (ЯРД) с водородным теплоносителем.

Известна нагревная секция, предназначенная для использования в ЯРД, выполненная в виде призматического блока гексагональной формы из композиции, включающей карбид бериллия и графит в молярном отношении 3:1. В объеме блока равномерно диспергировано топливо из карбида урана, обогащенного до 90% по ²³⁵U. По высоте блока выполнены гладкие сквозные отверстия для прохода водородного теплоносителя.

Также известна нагревная секция, аналогичная описанной, выполненная в виде многоканального призматического блока гексагональной формы из графита с диспергированными в нем сферическими частицами из карбидного топлива, покрытыми пироуглеродом (1).

Недостатками известных нагревных секций являются недостаточно интенсивный в гладких цилиндрических каналах, а также низкая коррозионная стойкость графитовой матрицы в потоке горячего водорода, приводящая к вымыванию графита и топлива и резко снижающая эксплуатационную надежность ЯРД.

Наиболее близкой к заявляемой нагревной секции по решаемой технической задаче (прототипом) является нагревная секция, включающая сферические частицы из карбидной топливной композиции типа ZrC-UC+C, которые диспергированы в многоканальном призматическом блоке гексагональной формы, выполненном из графита. Для повышения коррозионной стойкости графитовой матрицы в потоке горячего водорода, на стенках каналов и на наружных поверхностях блока нанесены защитные покрытия из карбидов ниобия или циркония (2).

Данная секция также характеризуется низкой интенсификацией теплообмена. Кроме того, вследствие растрескивания защитных покрытий из-за существенно различных температурных расширений матрицы и покрытий известная нагревная секция также не обладает необходимой эксплуатационной надежностью при рабочих параметрах ЯРД.

Анализ уровня техники в области нагревных секций, разрабатываемых для ЯРД, показывает, что использование в них керамических твэлов из коррозионностойких в потоке водорода топливосодержащих композиций на основе карбидов и циркония, является наиболее предпочтительным для достижения необходимой температуры водорода (до 3200 К) в течение требуемого ресурса работы ЯРД (несколько часов). Но выполнение многоканальных блочных нагревных секций целиком из таких композиций сопряжено с трудностями организации их эффективного охлаждения, снижающего опасность терморазрушения керамического тепловыделяющего блока, вследствие существенно неравномерного тепловыделения по высоте и поперечному сечению активной зоны.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности нагревной секции.

Для решения поставленной задачи предлагается блочная нагревная секция, целиком выполненная из топливосодержащей композиции на основе карбидов тугоплавких металлов, в которой твэлы выполнены в виде винтообразно закрученных стержней фасонного профиля, набранных в пучок и размещенных в его поперечном сечении по треугольной решетке с контактом относительно друг друга по максимальному размеру профиля, пучок выполнен закрученным относительно оси, стержни в местах контакта диффузионно скреплены друг с другом, причем шаг закрутки стержней составляет (5-15)d, а шаг закрутки пучка составляет (5-6)D, где d описанный диаметр поперечного сечения стержня, D описанный диаметр поперечного сечения пучка.

Кроме того, стержни могут быть выполнены в виде трубок, например овального профиля.

Выполнение твэлов в виде винтообразно закрученных стержней фасонного профиля, позволяет организовать спиральную закрутку водорода в межстержневом пространстве и интенсифицировать теплообмен при незначительном увеличении гидравлического сопротивления. При выполнении стержней в виде трубок овального профиля, интенсификация теплоомбена наблюдается также и внутри трубок. Закрутка стержней в пучке относительно его оси приводит к перераспределению расхода водорода по радиусу в межстержневом пространстве из-за различия в коэффициентах гидравлического сопротивления для стержней, расположенных на разных радиусах относительно оси пучка. При этом дополнительно интенсифицируется теплообмен в периферийных областях пучка, что ведет к выравниванию температур в его поперечном сечении. Размещение стержней в поперечном сечении пучка по треугольной решетке с контактом относительно друг друга по максимальному размеру профиля обеспечивает надежное дистационирование стержней между собой с сохранением требуемых геометрических размеров каналов для прохода водорода. Диффузионное скрепление стержней в точках соприкосновения позволяет получить монолитный карбидный блок со строго заданными размерами каналов как в осевом, так и в радиальном направлениях. Такое скрепление не увеличивает исходное гидравлическое сопротивление нагревной секции и также, как и закрутка стержней в пучке, препятствует радиальному и осевому смещениям фрагментов стержней в случае, например, аварийного

растрескивания стержней. В результате предотвращается вынос фрагментов потоком водорода и закупорка ими каналов между стержнями. Также увеличивается сопротивляемость нагревной секции высокотемпературной ползучести.

Как показывают экспериментальные исследования, газовая (объемная) пористость нагревной секции может быть изменена в интервале 20-80% за счет выбора, в основном, относительной толщины профиля стержней. На практике достаточно технологичными являются сплошными стержни 2-х, 3-х, 4-х лопастного профиля, а также трубчатые стержни капилляры овального профиля. При этом толщина лопасти и стенки капилляра может составлять 0,5-3 мм, описанный диаметр 1-5 мм, шаг закрутки стержня 5-75 мм. Шаг закрутки пучка, набранного из таких стержней, составляет 50-360 мм, описанный диаметр 10-60 мм. Длина нагревной секции может составлять 50-1000 мм и более, то есть нагревная секция может быть выполнена целиком на длину всей активной зоны. С учетом экспериментальных данных по исследованию теплогидравлических и механических характеристик предлагаемой нагревной секции, шаг закрутки стержней составляет (5-15)d, где d описанный диаметр поперечного сечения стержня, а шаг закрутки пучка составляет (5-6) D, где D описанный диаметр поперечного сечения пучка. При изготовлении стержней и пучка с шагом, меньшим соответственно 5d и 5D, гидравлическое сопротивление нагревной секции существенно возрастает и, кроме того, при ее изготовлении возможны разрывы стержней и искажение их профиля. При изготовлении стержней и пучка с шагом, большим соответственно 15d и 6D, существенно снижается спиральная закрутка потока водорода и, как следствие, уменьшается интенсификация теплообмена в периферийных областях пучка, что может привести к перегреву и недопустимому растрескиванию нагревной секции. Также снижается несущая способность секции из-за уменьшения числа диффузионных соединений между стержнями. Таким образом, указанные соотношения являются оптимальными для достижения цели изобретения.

На фиг. 1 изображен общий вид нагревной секции; на фиг. 2 поперечное сечение нагревной секции; на фиг. 3 витой стержень, общий вид; на фиг. 4-7 - сечение А-А на фиг. 3, варианты профилей.

Нагревная секция содержит винтообразные стержневые твэлы 1 фасонного профиля, набранные в пучок 2, закрученный относительно продольной оси. В местах контакта 3 стержней друг с другом они скреплены диффузионно так, что пучок представляет собой цельное керамическое тело, пронизанное по оси спиральными каналами 4, сообщающимися друг с другом по радиусу пучка. Нагревная секция помещена внутри корпусной обечайки 5 тепловыделяющей сборки и фиксируется от радиальных перемещений в обечайке с помощью заполнителей 6.

При работе нагревной секции теплоноситель-водород поступает на ее торцовую часть, попадая в каналы 4, закручивается по спирали вдоль между стержнями и одновременно часть расхода перераспределяется по радиусу в межстержневом пространстве нагревной секции, интенсифицируя теплообмен в ее периферийных областях, нагревается до высокой температуры и выходит с противоположного торца секции.

Пример. Нагревная секция содержит спиральный пучок диаметром 20 мм и длиной 800 мм из винтообразных двухлопастных стержневых твэлов диаметром 2,2 мм, с толщиной лопасти 0,9 мм и шагом 20 мм. Шаг закрутки пучка составляет 100 мм, газовая пористость 52% Твэлы изготовлены из тройного карбида ZrC-NbC-UC, с концентрацией урана до 20% мас. Максимальная температура эксплуатации нагревной секции составляет 3200 К, удельное тепловыделение до 40 МВт/л.

После термонагружения нагревной секции в течение 2 ч при температуре 3200 К и удельной нагрузке до 10 МПа уменьшение ее длины не превышает 5% от исходной, увеличение газодинамического сопротивления не более 10%

Технология изготовления нагревной секции включает следующие основные операции:

получение "сырых" винтообразных стержневых твэлов методом продавливания пресс-массы через соответствующую фильеру (требуемого профиля);

сборка "сырых" стержней в пучок;

закрутка пучка с помощью специального приспособления;

обжатие пучка для обеспечения плотной упаковки стержней;

термообработка для спекания стержней;

диффузионная пайка для неразъемного соединения стержней в пучке;

механическая обработка полученной секции "в размер".

Варьирование содержания урана в исходных стержнях позволяет осуществлять радиальное профилирование концентрации урана в нагревной секции. При этом за счет применения стержней с уменьшенной относительной толщиной лопастей обеспечивается возможность получения нагревной секции с соответствующим распределением газовой пористости. Например, при максимальном энерговыделении в периферийных областях нагревной секции они выполняются из стержней с меньшей относительной толщиной лопастей и с большей концентрацией урана. В результате большая газовая пористость и больший расход водорода организуются в области максимального энерговыделения, что обеспечивает более равномерное охлаждение нагревной секции.

Комбинирование содержания урана в стержнях (вплоть до нулевого) при изготовлении пучка, позволяет более просто, чем в прототипе, осуществлять крепление монолитной нагревной секции в активной зоне, например, с помощью зажима типа цанги, устанавливаемой на входной, менее горячей части секции.

Как показывают опытно-экспериментальные исследования предлагаемой нагревной секции, ее эксплуатационные характеристики отвечают требованиям высокой эксплуатационной надежности перспективных ЯРД.