твэл ядерного реактора

Формула изобретения

1. Твэл ядерного реактора, включающий герметичную оболочку, в которой размещен сердечник в виде содержащих делящийся изотоп частиц, распределенных в металлической матрице, и слой пропиточного сплава, размещенный между сердечником и оболочкой, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде спрессованных пористых брикетов с объемом пор 5 - 30 об.%, брикеты размещены в герметичном металлическом пенале, а пропиточным сплавом залит зазор между пеналом и оболочкой.

2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности пенала выполнены дистанционирующие элементы.

3. Твэл по п.1, отличающийся тем, что сердечник и пенал выполнены в виде нескольких герметичных секций пенала с брикетами, которые размещены друг над другом по высоте оболочки.

4. Твэл по п.1, отличающийся тем, что матрица сердечника выполнена или из сплава алюминия, или из сплава циркония, или из сплава магния.

5. Твэл по п.1, отличающийся тем, что в качестве пропиточного сплава используются сплавы с низкой температурой плавления, например сплавы алюминия - силумины, или припои, или сплавы свинца с висмутом, натрий, калий и др.

6. Твэл по п.1, отличающийся тем, что выгорающий поглотитель размещен в частицах топлива.

7. Твэл по п.1, отличающийся тем, что выгорающий поглотитель размещен в матрице.

8. Твэл по п.1, отличающийся тем, что выгорающий поглотитель размещен в пропиточном слое.

9. Твэл по п.1, отличающийся тем, что выгорающий поглотитель размещен в сердечнике в виде отдельной фазы.

10. Твэл по п.1, отличающийся тем, что пенал выполнен из алюминия, или сплавов циркония, или нержавеющей стали.

11. Твэл по п.1, отличающийся тем, что сердечник изготовлен из частиц сплава урана с 9 мас.% молибдена, взятых в количестве 20 - 55 об.%, матрица изготовлена из порошка циркония, взятого в количестве 35 - 60 об.%, брикеты сердечника спрессованы с объемом пор 5 - 30 об.%, пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

12. Твэл по п.1, отличающийся тем, что сердечник изготовлен из частиц сплава урана с 9 мас.% молибдена, взятых в количестве 20 - 55 об.%, матрица изготовлена из порошка алюминия, взятого в количестве 35 - 60 об.%, брикеты сердечника спрессованы с объемом пор 5 - 30 об.%, пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

13. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что сердечник изготовлен из смеси частиц сплава урана с 9 мас.% молибдена, взятых в количестве 20 - 55 об.%, и частиц, содержащих гадолиний или гафний, матрица изготовлена из порошка алюминия, взятого в количестве 35 - 50 об.%, брикеты сердечника спрессованы с объемом пор 5 - 15 об.%, пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

14. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что сердечник изготовлен из смеси частиц сплава урана с 9 мас.% молибдена, взятых в количестве 20 - 55 об.%, и частиц, содержащих гадолиний или гафний, матрица изготовлена из порошка циркония, взятого в количестве 35 - 50 об.%, брикеты сердечника спрессованы с объемом пор 5 - 15 об.%, пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из нержавеющей стали.

15. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что сердечник изготовлен из смеси частиц диоксида урана с плотностью, близкой с теоретической, взятых в количестве 20 - 55 об.%, матрица изготовлена из порошка циркония, взятого в количестве 35 - 60 об.%, брикеты сердечника спрессованы с объемом пор 5 - 30 об.%, пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, причем в состав пропиточного сплава введен поглощающий поглотитель, например соединение бора, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

16. Твэл по п.1, отличающийся тем, что сердечник изготовлен из частиц интерметаллида урана с алюминием, взятых в количестве 20 - 55 об.%, матрица изготовлена из порошка алюминия, взятого в количестве 35 - 60 об.%, брикеты сердечника спрессованы с объемом пор 5 - 30 об.%, пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

17. Твэл по п.1, отличающийся тем, что сердечник изготовлен из частиц силицида урана (U₃Si), брикеты сердечника спрессованы непосредственно из частиц силицида урана с объемом пор 5 - 15 об.%, пенал выполнен из нержавеющей стали, пропиточный сплав изготовлен из магния, а оболочка твэла изготовлена из нержавеющей стали.

18. Твэл по п.1, отличающийся тем, что сердечник изготовлен из частиц сплава урана с молибденом (9 мас.%) и алюминиевого порошка матрицы, брикеты сердечника спрессованы из этих топливных частиц, взятых в количестве 40 - 65 об. %, и из порошка алюминия, взятого в количестве 20 - 40 об.%, причем брикеты сердечника спрессованы с объемом пор 5 - 30 об.%, пенал выполнен из алюминия, пропиточный сплав - из сплава алюминия с кремнием и медью, а оболочка твэла изготовлена из хромо-никелевого сплава.

19. Твэл по п.1, отличающийся тем, что топливный сердечник содержит брикеты с различной пористостью матрицы и/или с различным содержанием топлива и/или поглощающего материала по высоте твэла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области атомной техники и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов (твэлов) энергетических и исследовательских реакторов.

Одной из наиболее сложных проблем создания эффективных ядерных энергетических установок является обеспечение высокой надежности твэлов при глубоких выгораниях (при накоплении более 1 г осколков деления на 1 см³ объема под оболочкой), а также при работе реактора в условиях частых изменений его мощности и в условиях аварийных ситуаций.

Известен твэл ядерного реактора, включающий трубчатую оболочку из сплава на основе циркония, герметизированную с торцов заглушками, внутри оболочки размещено таблетированное ядерное топливо из оксида урана [1]. Эти твэлы обеспечивают высокую надежность при эксплуатации до умеренных выгораний в стационарном режиме мощности реактора (накопление осколков деления до 0,5 г на 1 см³ объема под оболочкой).

Однако надежность таких твэлов уменьшается при более высоких выгораниях, в первую очередь из-за механического и коррозионного воздействия распухающего топлива на оболочку твэлов, приводящего к нарушению ее герметичности. Высокая температура топлива, которая достигается в центре твэла 1500^oC, отрицательно сказывается на надежности твэла при аварийных ситуациях типа LOCA, так как в этом случае из-за снижения эффективности теплоотвода может произойти перегрев оболочки за счет аккумулированной сердечником энергии. При разгерметизации оболочки такого твэла происходит контакт теплоносителя с большой поверхностью сердечника, не сцепленного с оболочкой, что повышает скорость загрязнения теплоносителя.

Известен твэл дисперсионного типа для использования в энергетических ядерных реакторах, в котором сердечник выполнен в виде керамических частиц из диоксида, карбида, дикарбида урана, равномерно диспергированных в металлической матрице из циркония, сплава циркония, нержавеющей стали или алюминия [2]. Сердечник помещен в оболочку из циркония (или сплава на его основе) или из нержавеющей стали. Сердечник такого твэла получают методом горячего прессования, например, частиц диоксида урана и электролитического циркония. Затем сердечник помещают в оболочку и прокаткой или обжатием достигают плотное прилегание сердечника к оболочке.

Достоинством твэла является увеличение теплопроводности за счет контакта сердечника с оболочкой и пластичности сердечника. В таком твэле снижается рабочая температура сердечника и аккумулированная им энергия.

Недостатком твэла является снижение его надежности при высоких выгораниях. Это связано со сложностью изготовления сердечников таких твэлов с заданной величиной и равномерным распределением по сердечнику свободного объема для компенсации распухания топлива. Поскольку матрица этих твэлов практически не содержит пор, для изготовления сердечников необходимо использовать топливо с высокой и заданной в узких пределах пористостью. Это усложняет технологию изготовления твэлов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является твэл, состоящий из герметичной оболочки из циркониевого сплава, в которую помещен сердечник с ядерным топливом, металлургически сцепленный с оболочкой [3]. Сердечник получен методом изостатического горячего прессования микросфер диоксида урана, имеющих покрытие и плотность 85-95% от теоретической, и материала матрицы на основе циркония. Металлургическое сцепление между сердечником и оболочкой достигается за счет пропитки зазора между ними алюминиевым сплавом (силумином).

Достоинством твэла является существенное увеличение теплопроводности сердечника (по сравнению с твэлом, приведенным в [1]) и уменьшение термического сопротивления на границе раздела сердечника и оболочки (по сравнению с твэлом, приведенным в [2]). В таком твэле снижается рабочая температура сердечника и улучшаются условия работы оболочки. Кроме того, повышается надежность работы твэлов при эксплуатации реактора в условиях частых изменений его мощности, а также при возникновении аварийных ситуаций.

Недостатком твэла является снижение его надежности при высоких выгораниях. Это связано со сложностью изготовления сердечников с заданной величиной и равномерным распределением по твэлу свободного объема для компенсации распухания топлива. Поскольку матрица, изготовленная методом изостатического горячего прессования, практически не содержит пор, а для изготовления сердечников используют микросферические частицы диоксида урана с относительно высокой плотностью, то такая конструкция твэла не позволит обеспечить высокое выгорание без существенного изменения внешних размеров твэлов.

Основной технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции твэла, которая позволяла бы обеспечить в сердечнике заданную величину при равномерном распределении по сердечнику свободного объема для компенсации распухания при высокой степени выгорания топлива. Кроме того, задачей настоящего изобретения является расширение возможности использования в качестве фаз, содержащих делящиеся изотопы, различные сплавы, интерметаллиды урана, плутония, тория, в том числе оружейного урана и оружейного и "энергетического" плутония.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в известной конструкции твэла (включающей герметичную оболочку, в которой размещен сердечник, состоящий из содержащих делящийся изотоп частиц, распределенных в металлической матрице, и слой пропиточного сплава, размещенный между сердечником и оболочкой) сердечник выполнен в виде спрессованных пористых брикетов с объемом пор от 5 до 30 об.%, брикеты размещены в герметичном металлическом пенале, а пропиточный сплав залит в зазор между пеналом и оболочкой.

Технический эффект, достигаемый заявляемым изобретением, состоит в том, что, при найденном сочетании конструктивных, тепловых, объемно-геометрических и ядерных параметров твэла удается надежно обеспечить неизменность размеров твэла и снижение коррозионных и механических воздействий на оболочку со стороны топлива даже при высоких степенях выгорания. Закладываемая в сердечник при прессовании брикетов пористость в диапазоне от 5 до 30% об. достаточна для компенсации распухания от накопления осколков деления, а высокая эффективная теплопроводность твэла (за счет высокой теплопроводности матрицы, плотного контакта брикетов с пеналом и металлургического сцепления оболочки твэла и упаковочного пенала пропиточным сплавом) обеспечивает относительно низкую исходную температуру твэла при возникновении аварийных ситуаций.

В другом частном варианте выполнения твэла на наружной поверхности пенала выполнены дистанционирующие элементы.

В другом частном варианте выполнения твэла топливный сердечник и пенал выполнены в виде нескольких герметичных секций пенала с брикетами, которые размещены друг над другом по высоте оболочки.

В другом частном варианте выполнения твэла матрица топливного сердечника выполнена или из сплава алюминия, или из сплава циркония, или из сплава магния.

В другом частном варианте выполнения твэла в качестве пропиточного сплава используются сплавы с низкой температурой плавления, например, сплавы алюминия - силумины или припои, или сплавы свинца с висмутом.

В другом частном варианте выполнения твэла выгорающий поглотитель размещен в частицах, содержащих делящийся изотоп.

В другом частном варианте выполнения твэла выгорающий поглотитель размещен в матрице.

В другом частном варианте выполнения твэла выгорающий поглотитель размещен в пропиточном слое.

В другом частном варианте выполнения твэла выгорающий поглотитель размещен в сердечнике в виде отдельной фазы.

В другом частном варианте выполнения твэла пенал выполнен из алюминия или сплавов циркония, или нержавеющей стали.

В другом частном варианте выполнения твэла (см. фиг. 2) сердечник изготовлен из частиц сплава урана с 9% мас. молибдена, взятых в количестве от 20 до 55% об., матрица изготовлена из порошка циркония, взятого в количестве от 35 до 60% об., брикеты сердечника спрессованы с объемом пор от 5 до 30% об., пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

В другом частном варианте выполнения твэла сердечник изготовлен из частиц сплава урана с 9% мас. молибдена, взятых в количестве от 20 до 55% об. , матрица изготовлена из порошка алюминия, взятого в количестве от 35 до 60% об., брикеты сердечника спрессованы с объемом пор от 5 до 30% об., пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

В другом частном варианте выполнения твэла (см. фиг. 3) сердечник изготовлен из смеси частиц сплава урана с 9% мас. молибдена, взятых в количестве от 20 до 55% об., и частиц, содержащих гадолиний или гафний, матрица изготовлена из порошка алюминия, взятого в количестве от 35 до 50% об., брикеты сердечника спрессованы с объемом пор от 5 до 15% об., пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из нержавеющей стали.

В другом частном варианте выполнения твэла сердечник изготовлен из частиц диоксида урана с плотностью, близкой к теоретической, взятых в количестве от 20 до 55% об., матрица изготовлена из порошка циркония, взятого в количестве от 35 до 60% об., брикеты сердечника спрессованы с объемом пор от 5 до 30% об., пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, причем в состав пропиточного сплава введен поглощающий поглотитель, например соединение бора, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

В другом частном варианте выполнения твэла сердечник изготовлен из частиц интерметаллида урана с алюминием, взятых в количестве от 20 до 55% об., матрица изготовлена из порошка алюминия, взятого в количестве от 35 до 60% об. , брикеты сердечника спрессованы с объемом пор от 5 до 30% об., пенал выполнен из алюминиевого сплава, пропиточный сплав изготовлен из алюминиевого сплава, например силумина, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

В другом частном варианте выполнения твэла (см. фиг. 4) сердечник изготовлен из частиц силицида урана (U₃Si), брикеты сердечника спрессованы непосредственно из частиц силицида урана с объемом пор от 5 до 15% об., пенал выполнен из нержавеющей стали, пропиточный сплав изготовлен из магния, а оболочка твэла изготовлена из нержавеющей стали.

В другом частном варианте выполнения твэла сердечник изготовлен из частиц сплава урана с молибденом (9% мас.) и алюминиевого порошка матрицы. Брикеты сердечника спрессованы из этих топливных частиц, взятых в количестве от 40 до 65% об., и из порошка алюминия, взятого в количестве от 20 до 40% об. Причем брикеты сердечника спрессованы с объемом пор от 5 до 30% об. Пенал выполнен из алюминия, пропиточный сплав из сплава алюминия с кремнием и медью, а оболочка твэла изготовлена из циркониевого сплава.

В другом частном варианте выполнения твэла (см. фиг. 5) топливный сердечник содержит брикеты с различной пористостью матрицы и/или с различным содержанием топлива, и/или поглощающего материала по высоте твэла.

Для реализации твэла по заявляемому изобретению могут быть использованы и многие другие материалы, которые уже применяются или считаются перспективными для применения к твэл. В частности, для изготовления сердечника могут быть использованы карбиды и нитриды урана и/или плутония, сплавы урана с цирконием; для матрицы - алюминий, цирконий и его сплавы, магний; для изготовления пенала - различные сплавы циркония, нержавеющие стали, алюминий и его сплавы; для пропиточного сплава - сплавы алюминия, свинца, висмута; для оболочки - известные оболочечные материалы.

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

На фиг. 1 показан продольный разрез твэла;

На фиг. 2 показан поперечный разрез твэла с частицами топлива из сплава урана с молибденом;

На фиг. 3 показан поперечный разрез твэла с частицами топлива, содержащими выгорающий поглотитель;

На фиг. 4 показан поперечный разрез твэла с сердечником, спрессованным из частиц силицида урана (без матрицы);

На фиг. 5 приведен продольный разрез твэла, выполненного с сердечником, который содержит брикеты с различной пористостью матрицы и/или с различным содержанием топлива и/или поглощающего материала по высоте твэла.

Предлагаемый твэл (см. фиг. 1) состоит из герметичной оболочки (1) с заглушками (2) и размещенного в оболочке (1) сердечника (3) в упаковочном пенале (4) с дистанционирующими выступами (ребрами). Зазор между упаковочным пеналом (4) и оболочкой (1) заполнен пропиточным сплавом (5). Сердечник (3) представляет собой комплект пористых (объемная доля пор от 5 до 30% об.) брикетов, спрессованных из частиц (гранул), содержащих делящиеся изотопы урана или плутония или тория, частиц (гранул) матрицы (теплопроводящей фазы). Сердечник может содержать также выгорающие поглотители нейтронов и другие известные вещества и добавки, используемые для улучшения работы твэлов в различных сочетаниях и пропорциях.

Пример конкретной реализации изобретения, выполненный в соответствии со схемой, представленной на фиг. 1, реализован, в частности, при использовании следующих материалов. Оболочка (1) диаметром 9,15 мм и длиной 950 мм, а также заглушки выполнены из циркониевого сплава Э-110; брикеты сердечника (3) диаметром 7,0 мм и высотой 10 мм, в количестве 90 шт содержат объемную долю ураносодержащей фазы - сплава урана с 9 вес.% молибдена в количестве 55% об. и теплопроводящей фазы матрицы - алюминия в количестве 30% об., а также поры - в объемной доле 15%. Размеры частиц топливной и матричной фаз, которые использовались для изготовления сердечника, составляли для обеих фаз от 0,2 до 0,6 мм. Упаковочный пенал (4) диаметром 7,4 мм и с толщиной стенки 0,2 мм и длиной 920 мм был изготовлен из алюминия. Пропиточный материал (5) изготовлен из сплава алюминия с кремнием и медью.

Способ изготовления твэла состоит из следующих операций. Смесь частиц, содержащих делящийся изотоп в требуемом количестве, и частиц теплопроводящей матрицы прессуется при обычных температурах в брикеты, необходимая величина пористости которых рассчитывается, исходя из требуемой величины выгорания топлива и его расчетного распухания. Спрессованные брикеты помещаются в упаковочный пенал с приваренной с одной стороны заглушкой и отгазовываются, например, при температуре 350^oC. Температура отгазовки в общем случае зависит от состава брикета. Прочность спрессованных брикетов должна быть достаточна для их снаряжения в упаковочный пенал. После отгазовки снаряженный брикетами пенал калибруется в размер. При калибровке обеспечивается плотный контакт брикетов с внутренней поверхностью пенала. Затем проводят заваривание пенала второй заглушкой в вакууме. Затем оболочка твэла с приваренной одной заглушкой и с помещенным в нее снаряженным брикетами пеналом заполняется пропиточным расплавленным сплавом. После этого оболочка герметизируется путем приваривания второй заглушки. Готовый твэл контролируется на герметичность и качество заполнения зазора.

При изготовлении твэла в соответствии с описанным выше примером конкретного исполнения содержание урана в 1 см³ объема под оболочкой твэла составляет 6,94 г, а содержание урана на 1 погонный см равно 3,25 г.

Описание других возможных вариантов реализации изобретения приведены в более общем виде с пояснениями на фиг. 2 - фиг. 5.

Показанный (см. фиг. 2) в поперечном разрезе твэл состоит из оболочки (1) сложного профиля, выполненной из нержавеющей стали, пенала (4) с дистанционирующими элементами (8), выполненного из алюминиевого сплава, в котором размещены брикеты топливного сердечника, состоящие из частиц (6) сплава урана с 9% мас. молибдена, матрицы (7) из циркония или циркониевого сплава, которая имеет микроскопические поры (9), и пропиточного сплава (5), выполненного из сплава алюминия, например силумина.

Показанный (см. фиг. 3) в поперечном разрезе твэл, который состоит из оболочки (1), выполненной из сплава циркония, пенала (4) с дистанционирующими элементами (80), выполненного из алюминиевого сплава, в котором размещены брикеты топливного сердечника, состоящие из частиц (6) топлива из сплава урана с молибденом, содержащего выгорающий поглотитель, например, на основе соединений гадолиния или гафния, матрицы (7) из алюминиевого сплава, в которой имеются макроскопические поры (9), а и пропиточного сплава (5), выполненного из сплава алюминия, например силумина.

Показанный (см. фиг. 4) в поперечном разрезе твэл с частицами топлива из силицида урана состоит из оболочки (1), выполненной из нержавеющей стали, пенала (4) с дистанционирующими элементами (8), выполненного также из нержавеющей стали, в котором размещены брикеты топливного сердечника, состоящие из частиц (6) из силицида урана и макроскопических пор (9), и пропиточного сплава (5), выполненного из магния.

На фиг. 5 в продольном разрезе показан твэл, топливный сердечник которого содержит брикеты с различной пористостью матрицы и/или с различным содержанием топлива и/или поглощающего материала по высоте твэла. Такой твэл состоит из герметичной оболочки (1) с заглушками (2) и размещенного в оболочке (1) сердечника (3) в упаковочном пенале (4) с дистанционирующими выступами (ребрами). Зазор между упаковочным пеналом (4) и оболочкой (1) заполнен пропиточным сплавом (5). Сердечник (3) представляет собой комплект пористых брикетов, пористость и содержание топлива в которых может изменяться по высоте твэла для создания оптимальных условий для выгорания топлива, равномерности выделения энергии, а также для снижения коррозионного повреждения поверхности оболочки в наиболее критических зонах, например, на участках дистанционирования твэлов. Один из брикетов (6) сердечника с пониженным содержанием топлива показан в зоне размещения дистанционирующей решетки в кассете (на фиг. 1 не показан). Такой сердечник также может содержать выгорающие поглотители нейтронов и другие известные вещества и добавки, используемые для улучшения работы твэлов в различных сочетаниях и пропорциях.

Один из брикетов (11), содержащих частицы поглощающего материала, частицы матрицы и поры, показан на нижнем участке твэла (на фиг. 1 не показан).

Возможна реализация изобретения с оболочками из известных оболочечных материалов: из сплавов циркония (Э-635, циркалой-2, циркалой-4), нержавеющих сталей (хромо-никелевых сплавов, сплавов титана), которые могут иметь простую и сложную форму и описанный диаметр от 5,0 мм до 15 мм.

Конструкция твэла позволяет использовать для топливного сердечника брикеты из значительно более широкой номенклатуры веществ в различных сочетаниях, т. к. сердечник отделен от теплоносителя тремя защитными слоями (пенал, заливочный слой и оболочка), а рабочая температура сердечника не высока. При этом возможно использование и только фазы, содержащей делящийся изотоп. Так, если брикетируется только U₃Si, то содержание урана в 1 см³ объема под оболочкой твэла, приведенного в примере конкретного выполнения, составляет 10,3 г, а содержание урана на 1 погонный см равно 4,84 г. Такое выполнение обусловлено свойствами силицида урана, который имеет относительно высокую теплопроводность и может быть использован для изготовления брикетов без использования матрицы.

Простое и легко реализуемое конструктивное и технологическое решение твэла позволяет охватить широкий диапазон по топливоемкости сердечника за счет возможности применения в твэле различных делящихся материалов, в том числе в виде металлов и сплавов. Так, в качестве частиц урансодержащей фазы используется слаболегированный уран, сплавы на основе урана (U-Mo, U-Nb-Zr, U-Si, U-Al, U-Fe, интерметаллиды, карбиды, нитриды и оксиды); используются сплавы или оксиды "энергетического" или оружейного плутония; используются сплавы или оксиды тория. Частицы топливосодержащей фазы могут иметь покрытия, в частности, из материала матрицы.

Предлагаемая конструкция позволяет снизить энерговыделение (и, следовательно, тепловой поток с поверхности твэла) на участках дистанционирования твэлов в ТВС, расположив на этих участках брикеты с пониженным содержанием делящегося изотопа. Таким образом можно снизить глубину неравномерной коррозии (в частности, для оболочек из сплавов циркония) на наиболее опасных участках твэла.

Конструкция твэла позволяет легко реализовать высотное профилирование пористости и энерговыделения, размещая брикеты с различным количеством пор и с различным содержанием делящегося изотопа или брикеты с выгорающим поглотителем как на заданных высотах твэлов, так и в твэлах различных рядов тепловыделяющей сборки (ТВС). Для исключения возможного перепутывания брикетов можно, например, прессовать их в зависимости от свойств с разным размером по высоте. В качестве фазы выгорающего поглотителя в твэле используются известные для этой цели вещества, например соединения гадолиния или гафния. При этом возможно размещение выгорающего поглотителя как в частицах ядерного топлива, так и в матрице и заливочном слое.

Твэл позволяет обеспечивать равномерное распределение делящегося изотопа по высоте твэла, т.к. коэффициент неравномерности его распределения как по высоте брикета, так и между брикетами не превышает значения 1,05. В твэле можно точно фиксировать нижние и верхние обрезы активной зоны, так как колебания высоты активной части в каждом твэле незначительно.

Для удобства организации производства могут быть созданы отдельные участки изготовления сердечников из различных делящихся изотопов урансодержащих фаз, "энергетического" плутония, оружейного плутония и торийсодержащих фаз.

Твэлами заявленной конструкции с различными сердечниками можно компоновать активную зону ТВС, преследуя различные цели: производство энергии, наработку различных изотопов или, наоборот, существенное сокращение наработки, сжигание делящихся изотопов ("энергетического" и оружейного плутония, оружейного урана-235) и т.д. При этом можно планировать тепловыделяющие сборки на разные длительности кампаний.

Таким образом, приведенные данные показывают, что предложенная конструкция твэла позволяет существенно расширить возможности по формированию оптимальных параметров твэлов и существенно расширяет возможности их использования в реакторах различных типов. Такая конструкция и предложенные варианты сочетаний материалов для выполнения элементов твэла позволяют обеспечить высокую надежность твэлов при больших выгораниях, а также дает возможность понизить стоимость изготовления твэлов из оружейного урана и плутония, т.к. не требует снижения степени их обогащения до обычно используемого в этом случае.

Использованные источники информации:

1. А. С. Займовский, А.В.Никулина, Н.Г.Решетников "Циркониевые сплавы в атомной энергетике". - М.: Энергоиздат, 1981 г., стр. 4-10).

2. Патент США N 3404200, опубликован 01.10.68.

3. Доклад на 3 Межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, г. Димитровград, 27-30 октября 1992 г. "Твэл с керметным сердечником матричного типа для водо-водяных энергетических реакторов повышенной безопасности". Авторы: А.Н.Пермяков, А.С.Черников, С.С.Гаврилин, В.П.Спассков, Г.А.Симонов, В.И.Курылев).