тепловыделяющий элемент ядерного реактора

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.