твэл ядерного реактора

Формула изобретения

1. Твэл ядерного реактора, состоящий из оболочки с торцевыми заглушками, внутри которой размещен сердечник из ядерного топлива, содержащий делимые и воспроизводящие нуклиды с массовой долей делимых нуклидов более 0,715%, и свободный объем для компенсации распухания ядерного топлива и сбора газообразных осколков деления, отличающийся тем, что часть сердечника заключена в одну или несколько герметичных ампул, внутри которых создан компенсационный объем, при этом массовая доля делимых нуклидов в ядерном топливе сердечников ампул составляет от 20 до 100% и сердечники ампул расположены по всей длине сердечника твэла, а вне ампул размещено ядерное топливо с массовой долей воспроизводящих нуклидов от 0,01 до 100% при массовой доле делимых нуклидов менее 0,715%.

2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что ядерное топливо сердечников ампул выполнено в виде частиц, проволоки или ленты, а ядерное топливо сердечника твэла выполнено в виде частиц, таблеток, блочков, втулок или стержней, при этом химический состав ядерного топлива сердечников ампул и твэла одинаков или различен.

3. Твэл по п.1, отличающийся тем, что ампулы выполнены в виде лент, круглых или профильных стержней прямыми, скрученными относительно продольной оси или навитыми в виде различных спиралей, при этом длина сердечников ампул соответствует длине сердечника твэла или кратная ей, а компенсационный объем ампул полностью или частично расположен на длине сердечника твэла, причем вынесенная часть компенсационного объема ампул за пределы сердечника твэла по профилю одинакова или различна с частью ампулы, находящейся в сердечнике твэла.

4. Твэл по п.1, отличающийся тем, что сердечники и/или сердечники ампул содержит контактный материал, размещенный в пустотах, образованных ядерным топливом внутри оболочки твэла и внутри ампул, который при рабочих условиях твэла находится в твердом или жидком состоянии, при этом химический состав контактного материала сердечника твэла и сердечника ампул одинаков или различен.

5. Твэл по п.1, отличающийся тем, что сердечник твэла, и/или сердечники ампул, и/или материал, из которого выполнены ампулы, содержат выгорающий поглотитель, при этом в сердечнике твэла и сердечнике ампул выгорающий поглотитель находится в виде частиц в смеси с частицами ядерного топлива и/или в составе ядерного топлива, кроме того, выгорающий поглотитель в элементах конструкции твэла по химическому составу и/или концентрации поглощающего изотопа одинаков или различен.

6. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что в компенсационном объеме ампул размещен ге

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) с ядерным топливом из плутония или высокообогащенного урана для энергетических реакторов на тепловых нейтронах.

В мировой атомной энергетике работают реакторы на тепловых и быстрых нейтронах, однако 85% электроэнергии всех АЭС вырабатывается в легководных реакторах на тепловых нейтронах, в большинстве из которых применяются стержневые твэлы контейнерного типа. Такие твэлы представляют собой цилиндрическую металлическую оболочку диаметром 7 - 15 мм с торцевыми заглушками, внутри которой помещен сердечник в виде таблеток или виброуплотненных гранул из диоксида урана или смеси диоксидов урана и плутония, при этом, как правило, массовая доля делимых нуклидов уран-235, плутоний-239 и плутоний-241 составляет менее 6% от суммарного содержания урана и плутония в ядерном топливе. В твэлах имеется свободный объем для компенсации объемных изменений ядерного топлива и сбора газообразных осколков деления.

Для снижения температурного уровня сердечников твэлов иногда в таблетках делают отверстия, заполняют свободные объемы гелием или легкоплавкими материалами, например натрием, сплавом натрия с калием, сплавом свинца с висмутом и др. /1/.

Помимо твэлов контейнерного типа, в ядерных энергетических реакторах, и, еще в большей степени, в исследовательских реакторах, применяются твэлы дисперсионного типа, отличающиеся тем, что их сердечник состоит из частиц ядерного топлива, равномерно распределенных в инертной матрице. Такая структура сердечника твэла локализует в частицах ядерного топлива и прилегающих к ним тонким слоям матрицы осколки деления, поэтому в твэлах отсутствует свободный объем для сбора газообразных осколков деления /2/.

Твэлы контейнерного типа просты в изготовлении и надежно работают на стационарных уровнях мощности реактора в течение 2-, 3- и реже 4-годичной кампании при высоком коэффициенте конверсии нового ядерного топлива (до 0,5). Энерговыработка таких твэлов ограничена объемными изменениями ядерного топлива от накапливаемых осколков деления, массопереносом ядерного топлива из горячей (до 2000^oC) в холодную зону (около 300^oC), коррозионным воздействием агрессивных осколков деления на оболочку, а маневрирование мощностью реактора - термомеханическими напряжениями в оболочке и сердечнике, связанными с различием их температурных уровней и коэффициентов термического расширения материалов. Кроме того, высокий температурный уровень сердечника твэла, аккумулированная в нем тепловая энергия и остаточное тепловыделение в аварийных ситуациях могут приводить к прожогу оболочки. Независимо от причины разгерметизации твзла, случайная, исчерпание ресурса твэла или аварийная ситуация, выделившиеся из ядерного топлива осколки деления попадают в теплоноситель, при этом его радиоактивность может превысить предельно допустимые значения.

У дисперсионных твэлов при хорошей теплопроводности матрицы, обеспечивающей надежный тепловой контакт между ядерным топливом и оболочкой, существенно снижен температурный уровень сердечника твэла, например, перепад температур в сердечнике с матрицей из алюминиевого сплава в твэле реактора ВВЭР-1000 может быть снижен примерно на полтора порядка (с 1500^oC до 100^oC). Это позволяет успешно эксплуатировать твэлы в маневренных режимах, сделать их менее безопасными в аварийных ситуациях, а в случае разгерметизации твэла снизить степень загрязнения теплоносителя, поскольку он будет контактировать с ядерным топливом только в месте дефекта. Кроме того, при низких температурах ядерное топливо меньше подвергается объемным изменениям от накапливаемых осколков деления и появляется возможность применения других видов ядерного топлива, например силицида урана, сплава урана с молибденом и др.

Однако меньшая концентрация в сердечнике дисперсионного твэла ядерного горючего требует увеличения массовой доли делимого нуклида, что соответственно уменьшает коэффициент конверсии нового ядерного топлива. Энерговыработка дисперсионных твэлов ограничена допустимым увеличением диаметра твэла или допустимой деформацией материала оболочки.

В результате ориентации мировой атомной энергетики на легководные реакторы с твэлами контейнерного типа и диоксидным топливом накопилось несколько сотен тонн плутония, имеющего полиизотопный состав с массовыми числами 238, 239, 240, 241 и 242. Появилась проблема хранения плутония и его дальнейшего использования. Наиболее эффективно применение плутония в качестве ядерного топлива в реакторах на быстрых нейтронах, однако их количество в мире ограничено, а программа строительства новых реакторов задерживается на несколько десятилетий. К проблеме использования полиизотопного плутония прибавилась проблема скорейшего уничтожения высвобожденного урана и плутония в результате разоружения.

Наиболее распространенным решением использования плутония в реакторах на тепловых нейтронах является разбавление его обедненным или природным ураном, поскольку для реакторов на тепловых нейтронах массовая доля плутония должна быть около 5%. Такое топливо получило название уран-плутониевое или смешанное топливо.

Следует отметить, что в реакторах на тепловых нейтронах делятся только нечетные изотопы плутония. Изотоп плутония-241, концентрация которого в полиизотопном плутонии достигает 14% мас., имеет период полураспада около 14 лет, образуя при этом америций 241 с жестким гамма-излучением, что осложняет работу с полиизотопным плутонием при его длительном хранении. Кроме того, происходят потери энергетического плутония (за 10 лет около 9%).

В отличие от полиизотопного плутония, оружейный плутоний, в основном, содержит изотоп-239 и может считаться как моноизотопный.

Основной сложностью в изготовлении смешанного диоксидного ядерного топлива является создание гомогенной смеси диоксидов плутония и урана, из которой прессуют таблетки.

Рассматривается также возможность и целесообразность использования микросферического диоксидного смешанного топлива или непосредственно для изготовления твэлов с виброуплотненным сердечником, или для изготовления из них таблеток. Преимущество использования микросфер перед порошками заключается в более удобной форме для обращения на всех стадиях технологического процесса и существенно меньшем пылеобразовании, что обеспечивает более безопасную работу операторов.

Технология изготовления таблеток из порошков, содержащих около 5% диоксида плутония, снаряжение твэлов таблетками или микросферами из смешанного диоксидного топлива и конструкции твэлов аналогичны применяемым для уранового топлива. Однако есть принципиальное отличие в организации самого производства по изготовлению твэлов со смешанным диоксидным ядерным топливом, особенно при использовании полиизотопного плутония. Для создания нормальной радиационной обстановки в производственных помещениях все оборудование необходимо размещать в надежно герметичных камерах, а весь технологический процесс должен быть в максимальной степени автоматизирован, включая операции контроля. Все это приводит к удорожанию изготовления твэлов.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции твэла является конструкция твэла контейнерного типа. Твэл состоит из цилиндрической оболочки и торцевых заглушек, выполненных из сплава на основе циркония, внутри которой размещен сердечник в виде спеченных таблеток из диоксидного уранового или смешанного топлива с содержанием делимых изотопов около 5% мас. и свободный объем для компенсации его распухания и сбора газообразных осколков деления. Для улучшения передачи тепла от ядерного топлива к оболочке внутренний свободный объем заполнен гелием /1, стр. 45/.

Недостатком такого твэла со смешанным топливом является удорожание изготовления твэла в 4-5 раз по сравнению с твэлом с урановым топливом, связанное с обеспечением гомогенности смеси диоксидов и прессованием таблеток при соблюдении требований по радиационной безопасности и правил санитарии. Следует также отметить, что для приготовления смеси с 5% диоксида плутония приходится перерабатывать в 20 раз больше плутонийсодержащих материалов. Основной технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции твэла для энергетических реакторов на тепловых нейтронах, в которой можно было бы использовать в качестве ядерного топлива поли - или моноизотопный плутоний или уран с массовой долей делимых нуклидов до 100%.

В отличие от известной конструкции твэла контейнерного типа, сердечник которого состоит из гомогенной смеси диоксидов урана и плутония, решение поставленной технической задачи достигается заключением части сердечника твэла с массовой долей делимых нуклидов от 20 до 100% в одну или несколько герметичных ампул различной геометрической формы, выполненных из одинакового или различного с оболочкой твэла конструкционного материала. В ампулах имеется свободный объем для компенсации распухания ядерного топлива сердечника ампулы и сбора газообразных осколков деления.

В остальной части сердечника твэла размещено ядерное топливо с массовой долей делимых нуклидов до 0,715% и воспроизводящих нуклидов от 0,01 до 100%. Для обеспечения теплоотвода от ампул и ядерного топлива сердечника твэла пустоты, образованные ампулами и ядерным топливом внутри оболочки твэла, заполнены контактным материалом.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, состоит в том, что, помимо сокращения трудоемкости и объема перерабатываемых плутонийсодержащих материалов, введение в сердечник твэла ампул, внутри которых сосредоточено более 70% осколков деления, и контактного материала, снижающего температурный уровень сердечника твэла, обеспечивает надежную работу твэла в маневренных режимах работы реактора, создает дополнительно две ступени защиты для основного источника радиоактивности при разгерметизации твэла, что делает менее опасным твэл в аварийных ситуациях.

Предлагаемая конструкция твэла позволяет повысить его энерговыработку, поскольку скорость и величина объемных изменений части сердечника твэла с воспроизводящими нуклидами будут существенно уменьшены по сравнению с сердечником твэла старой конструкции из смешанного топлива, так как объемные изменения сердечников ампул, в которых накапливается основная часть осколков деления, компенсируются в ампулах, к тому же сердечник твэла имеет существенно меньшую рабочую температуру.

Предлагаемое техническое решение дает возможность варьирования конструкциями и материалами ампул, материалами и формой ядерного топлива сердечников ампул и твэла, соотношением количества делимых и воспроизводящих нуклидов, применением в сердечниках ампул и твэла одинаковых или разных контактных материалов, применением, при необходимости, в сердечниках ампул и твэла и в конструкционном материале ампул выгорающих поглотителей, применением в ампулах геттеров.

В топливных сердечниках ампул целесообразнее всего применять ядерное топливо в виде частиц произвольной (крупка) или повторяющейся (гранулы) формы из диоксида плутония или в виде проволоки, лент или гранул из сплавов плутония с галлием при использовании моноизотопного плутония, а в сердечнике твэла - химические соединения или сплавы урана или тория, например, диоксиды, силициды, нитриды, сплав урана с 9% молибдена и др., при этом геометрическая форма и размеры ядерного топлива в сердечниках ампул и сердечнике твэла могут быть одинаковыми, например, крупка-крупка, гранулы-гранулы или разными, например, крупка-гранулы, гранулы-блочки и т.д.

Конструктивно ампулы могут быть выполнены в виде шаров, дисков, колец, многогранных или фигурных пластин, прямых, скрученных относительно продольной оси или навитых в виде различных спиралей лент или стержней с круглым, овальным, треугольным, квадратным, прямоугольным, многогранным, трех- или многолепестковым или другим поперечным сечением, в том числе с ребрами для самодистанционирования в сердечнике твэла.

Топливный сердечник ампул по длине может соответствовать или быть кратным длине сердечника твэла. Компенсационный объем ампул может целиком находиться в сердечнике твэла или частично вынесен за его пределы с той же или измененной геометрией ампулы. Кроме того, в компенсационном объеме может быть размещен геттер.

При необходимости неравномерной загрузки делящихся изотопов по длине сердечника твэла ее можно обеспечить количеством и шагом расположения ампул, загрузкой ядерного топлива в ампулы с длиной сердечников, кратной длине сердечника твэла, и переменным поперечным сечением, шагом скручивания или навивки спирали при длине сердечников ампул, соответствующих длине сердечника твэла.

В качестве контактных материалов в сердечнике твэла и сердечниках ампул могут быть использованы материалы, находящиеся при рабочих условиях твэла в твердом, например, магний, сплавы алюминия и др., или в жидком (сплав свинца с висмутом, натрий и др. ) состоянии, причем в любом сочетании состояний (жидкое-жидкое, твердое-жидкое, твердое-твердое, жидкое-твердое) и химических составов.

Материал оболочки твэла и ампулы может быть одинаковым, например, сплав циркония Э-110 - сплав циркония Э-110, нержавеющая сталь ЭИ-847 - нержавеющая сталь ЭИ-847 или разными, например, сплав циркония Э-110 - нержавеющая сталь ЭИ-847, сплав циркония Э-110 - сплав циркония Э-125, нержавеющая сталь ЭИ-844БУ-ИД нержавеющая сталь ЭИ-852 и др.

При необходимости в твэл могут быть введены выгорающие поглотители в ядерное топливо твэла и ампул, и/или в виде смеси частиц выгорающего поглотителя с частицами ядерного топлива твэла и ампул, и/или в конструкционный материал ампул, при этом по химическому составу и/или концентрации поглощающего изотопа они одинаковы или различны.

Например, в сердечнике твэла окись гадолиния в составе частиц ядерного топлива, в сердечнике ампулы - окись гадолиния в виде частиц в смеси с частицами ядерного топлива, в материале ампулы - бор в сплаве циркония.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с известным позволяет установить соответствие заявляемого технического решения требованиям, предъявляемым к изобретениям.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг .1 показан твэл с тремя цилиндрическими ампулами, имеющими сердечники длиной, соответствующей длине сердечника твэла, контактным материалом в сердечнике твэла, находящимся при рабочих условиях твэла в твердом состоянии.

На фиг. 2 показан твэл с цилиндрическими ампулами с сердечниками, имеющими длину, кратную длине сердечника твэла, и контактными материалами сердечников ампул и твэла, находящимися при рабочих условиях в жидком состоянии.

На фиг .3 показан твэл с одной ампулой в виде скрученной ленты с длиной сердечника, соответствующей длине сердечника твэла, с газосборником, вынесенным за пределы топливного сердечника твэла.

На фиг. 4 показан твэл с одной ампулой в виде профильной ленты, свитой в цилиндрическую спираль, с длиной сердечника, соответствующей длине сердечника твэла, газосборником, вынесенным за пределы сердечника твэла.

Конструкция твэла (см. фиг.1) представляет собой оболочку (1), загерметизированную с торцев заглушками (2), внутри которой находится сердечник (3), состоящий из виброуплотненной смеси гранул ядерного топлива, содержащего воспроизводящие нуклиды (4), и гранул выгорающего поглотителя (5), в зазорах между которыми размещен контактный материал (6), при рабочих условиях твэла находящийся в твердом состоянии. В сердечнике твэла через 120^o расположены три цилиндрические ампулы (7). Между ампулами и оболочкой имеется зазор не менее 0,1 диаметра ампул, а минимальный диаметр гранул не менее чем в 1,2 раза больше зазора.

Ампула представляет собой цилиндрическую тонкостенную трубку (8), загерметизированную с торцев заглушками (9), внутри которой находится сердечник (10), состоящий из виброуплотненной смеси пористых гранул ядерного топлива, содержащего делимые нуклиды (11), и геттера (12). Максимальный размер гранул не более 0,3 внутреннего диаметра ампулы. Компенсационным объемом в ампуле (13) является межгранульная и внутригранульная пористость. Для совмещения начала сердечника твэла и ампул на нижней заглушке имеется шайба (14) с прорезями для ампул, толщина которой равна расстоянию от торца ампулы до начала сердечника ампулы. Над слоем сердечника твэла находится пробка (15) из инертного материала, высота которой больше выступающей части ампулы над сердечником твэла.

Материалом оболочки и заглушек твэла является сплав циркония, например, Э-110, а материалом ампулы и заглушек-нержавеющая сталь, например, сталь ЭИ-844БУ-ИД. В качестве ядерного топлива сердечника твэла, в зависимости от требуемого соотношения делимых и воспроизводящих нуклидов в твэле, могут быть использованы сплавы и соединения обедненного или природных урана или тория с молибденом, цирконием, азотом, кремнием, алюминием и др., а в качестве ядерного топлива сердечника ампул - диоксид плутония или высокообогащенного урана.

В качестве выгорающего поглотителя могут быть использованы окись гадолиния, карбид бора, титанат гадолиния и др.

В качестве контактного материала сердечника твэла могут быть использованы магний или сплавы алюминия.

В качестве материала геттера-барийсодержащие соединения с цирконием, алюминием, никелем.

В качестве материала пробки - частицы спеченной окиси алюминия (шлифзерно).

Конструкция твэла (см. фиг.2) представляет собой оболочку (1), загерметизированную с торцев заглушками (2), внутри которой находится сердечник (3), состоящий из ядерного топлива, содержащего воспроизводящие нуклиды (4) и имеющего вид цилиндрических блочков с шестью пазами через 60^o по образующим цилиндра, и контактного материала (6), размещенного в зазорах между блочками и оболочкой твэла и находящегося при рабочих условиях твэла в жидком состоянии. Уровень контактного материала на 3-5 мм выше уровня последнего блочка. В пазах блочков расположены цилиндрические ампулы (7). Ампула представляет собой цилиндрическую тонкостенную трубку (8), загерметизированную с торцев заглушками (9), внутри которой находится сердечник (10), состоящий из ядерного топлива, содержащего делимые нуклиды (11), в виде гранул диаметром не более 0,3 или проволоки диаметром не более 0,7 внутреннего диаметра ампулы, и контактного материала (16), находящегося при рабочих условиях твэла в жидком состоянии. Уровень контактного материала выше уровня ядерного топлива ампулы на 2 - 3 мм. Компенсационным объемом в ампуле (13) является свободный объем, находящийся над уровнем контактного материала.

Для совмещения начала сердечника твэла и ампул на нижней заглушке твэла имеется шайба (14), повторяющая профиль блочков, толщина которой равна расстоянию от торца ампулы до начала сердечника ампулы.

Ампулы по длине твэла расположены так, что в пазах каждого блочка, кроме первого, через 60^o чередуются сердечники и компенсационные объемы ампул. Это достигается тем, что длина ампул равна высоте четного числа блочков (на фиг. 1 она равна двум блочкам), длина блочков сердечника твэла равна длине сердечника ампул, а в первом блочке в трех пазах установлены имитаторы ампул (17) длиной, равной половине длины ампул. Для дистанционирования ампул и блочков между собой и оболочкой на наружной поверхности ампул имеется навитая по спирали проволока (18) диаметром не менее 0,1 диаметра ампулы, концы которой вварены в торцы ампул. Для компенсации объемных изменений сердечника твэла и сбора газообразных осколков деления, выделяемых в нем, над уровнем контактного материала имеется свободный объем (19). Материалами оболочки и заглушек твэла и ампул могут быть те же, что и для твэла, представленного на фиг.1. Материалом ядерного топлива сердечника твэла могут быть сплавы и соединения обедненного или природного урана или тория с молибденом, цирконием, кремнием, алюминием и др. , а материалом ядерного топлива сердечника ампул - сплав плутония с галием или сплав высокообогащенного урана с молибденом. Контактным материалом сердечника твэла может быть сплав свинца с висмутом, а контактным материалом сердечника ампул может быть также сплав свинца с висмутом или натрий.

Конструкция твэла (см. фиг.3) представляет собой оболочку (1), загерметизированную с торцев заглушками (2), внутри которой находится сердечник (3), состоящий из виброуплотненной смеси гранул ядерного топлива (4), содержащего воспроизводящие нуклиды, и выгорающего поглотителя (5), в зазорах между которыми размещен контактный материал (6), при рабочих условиях находящийся в твердом состоянии. В центре сердечника твэла расположена ампула (7). Ампула представляет полую ленту (8), загерметизированную с нижнего конца заглушкой (9) и скрученную относительно продольной оси, внутри которой находится сердечник (10), состоящий из виброуплотненных гранул ядерного топлива, содержащего воспроизводящие нуклиды (11) с максимальным диаметром гранул не более 0,3 толщины сердечника, а в верхней части ампулы, за пределами сердечника твэла, размещен геттер (12). Для совмещения начала сердечников твэла и ампулы имеется шайба (14) с прорезью для ампулы, толщина которой равна расстоянию от торца ампулы до начала сердечника ампулы. Над слоем сердечника твэла имеется пробка (15) из инертного материала, высота которой равна расстоянию от сердечника твэла до газосборника (20).

Компенсационным объемом ампулы (13) является межгранульная пористость и газосборник (20). Топливный сердечник ампулы отделен от газосборника газопроницаемым пыжом (21). Все материалы данной конструкции твэла аналогичны материалам конструкции твэла, приведенной на фиг. 1. Однако для этого твэла в качестве материала оболочки ампулы могут быть использованы и сплавы алюминия.

Конструкция твэла (см. фиг.4) представляет собой оболочку (1), загерметизированную с торцев заглушками (2), внутри которой находится сердечник (3), состоящий из виброуплотненных гранул, содержащих ядерное топливо с воспроизводящими нуклидами (4) и выгорающий поглотитель (5), в зазорах между которыми размещен контактный материал (6), при рабочих условиях находящийся в твердом состоянии. В сердечнике твэла расположена ампула (7). Ампула представляет собой профильную ленту, навитую в виде цилиндрической спирали, на наружной поверхности которой образовано ребро, обеспечивающее зазор между цилиндрической частью ампулы и оболочкой не менее 0,15 мм, а минимальный диаметр гранул сердечника твэла в 1,2 раза больше зазора. В нижней части ампула загерметизирована с помощью заглушки (9). Внутри ампулы находится сердечник (10) длиной, соответствующей длине сердечника твэла, состоящий из ядерного топлива, содержащего делимые нуклиды (11). Для совмещения начала сердечников твэла и ампулы имеется шайба (14) с прорезью для ампулы, толщина которой равна расстоянию от торца ампулы до начала сердечника ампулы. Над слоем сердечника твэла имеется пробка (15) из инертного материала, высота которой равна расстоянию от сердечника твэла до газосборника (20). Компенсационным объемом ампулы (13) является межгранульная пористость и газосборник (20). Топливный сердечник ампулы отделен от газосборника газопроницаемым пыжом (21). Все материалы твэла аналогичны материалам конструкции твэла, приведенного на фиг. 1, с учетом, что и в этой конструкции твэла материалом оболочки ампулы могут быть сплавы алюминия.

Изготовление твэла, представленного на фиг. 1, опробовано в лабораторных условиях. Оболочка (1) диаметром 9,15 х 7,72 мм, длиной 950 мм и заглушки были изготовлены из циркониевого сплава Э-110. Ампулы (7) были изготовлены из капиллярных труб (8) диаметром 1,5 х 1,26 мм. В качестве материала ампул и заглушек к ним была использована сталь ЭИ-844БУ-ИД. В ампулах находился сердечник (10) из виброуплотненной смеси гранул из диоксида урана 98% мас. и сплава бария с цирконием 2% мас. Гранулы из диоксида урана имели внутреннюю пористость 12-15%. Фракционный состав смеси гранул составлял -0,4+0,08 мм. Суммарная внутригранульная и межгранульная пористость, являющаяся компенсационным объемом (13), по расчету - 50 - 55%.

Длина сердечника ампул составила 900-5 мм. Для совмещения сердечников ампул (10) и твэла (3) была установлена шайба (14) толщиной 4 мм, изготовленная из сплава циркония Э-110. В качестве материала сердечника твэла (3) была использована виброуплотненная смесь гранул диоксида урана (4) 95% мас. и окиси гадолиния (5) 5% мас. фракционного состава -0,5 + 0,315 мм, пропитанная контактным материалом (7) - сплавом алюминия с 12% мас. кремния.

Длина сердечника твэла составляла 900 - 5 мм, а объемное заполнение гранулами - 60 - 65%.

Над слоем сердечника твэла была создана пробка (15) из частиц спеченной окиси алюминия округлой формы (шлифзерно) фракционного состава 0,5 - 0,6 мм, которая также была пропитана контактным материалом. Ампулы в сердечнике твэла располагались через 120^o с зазором между ампулами и оболочкой 0,2 мм.

Изготовление ампул проводилось в следующей последовательности.

Подрезка трубы в размер, герметизация одного конца ампулы, виброснаряжение, заполнение ампулы гелием и герметизация второго конца ампулы, контроль ампулы на герметичность и на равномерность распределения ядерного топлива по длине ампулы.

Изготовление твэлов включало следующие технологические операции. Подрезка трубы в размер и герметизация одного конца, установка шайбы и ампул, виброснаряжение твэла, подсыпка пробки и пропитка сердечника твэла и пробки расплавленным алюминиевым сплавом, герметизация второго конца твэла, опрессовка твэла гелием и проверка герметичности, контроль распределения ядерного топлива в твэле, качества пропитки контактным материалом и внешнего вида. Результаты изготовления лабораторных образцов твэлов показали, что неравномерность распределения ядерного топлива в ампулах не превышает 7%, а в твэле - 10%. Качество пропитки сердечников твэлов удовлетворительное и внешний вид твэлов соответствует контрольным образцам.

Технология изготовления других приведенных вариантов конструкций твэлов аналогична приведенной выше, только в вариантах с ленточными твэлами проводится еще профилирование трубок и придание снаряженным ампулам требуемой формы.

Таким образом, показана реальная возможность создания твэлов предложенной конструкции, а сочетанием выбранных составов ядерного топлива, конструкционных, контактных и других материалов и конструкций ампул обеспечение увеличения ресурса и повышения надежности работы твэлов в маневренных режимах при конкретных рабочих условиях реактора.

При реализации твэла по заявленному изобретению могут быть использованы и другие, не рассмотренные в указанных примерах, формы, размеры и геометрии гранул, конструкционные, ядерные, выгорающие материалы и геттеры и их размещение в сердечнике твэла.

Применение твэлов по заявленному изобретению в энергетических реакторах более экономично по сравнению с твэлами, в которых используется смешанное топливо, и в большей степени удовлетворяет требованиям по экологии, санитарии и радиационной безопасности.

Использованные источники информации

1. "Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов", книга 1. Москва, Энергоатомиздат, 1995 г. (Прототип на стр.45).

2. А. Г.Самойлов, А.И.Каштанов, В.С.Волков. "Дисперсионные тепловыделяющие элементы ядерных реакторов", том 1. Москва, Энергоиздат, 1982 г.