тепловыделяющий элемент ядерного реактора

Формула изобретения

Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, состоящий из оболочки, загерметизированной заглушками, приваренными к торцам оболочки, с атмосферой заданного состава под ней, и расположенного под оболочкой ядерного топлива из обогащенного урана в виде таблеток, имеющих осевое отверстие и образующих топливный столб, по концам которого расположены защитные экраны, выполненные из цилиндрических таблеток из обедненного урана и поджатые к топливному столбу и к одной из заглушек фиксатором, расположенным в компенсационном объеме оболочки тепловыделяющего элемента, при этом поверхности топливного столба и защитных экранов прилегают с зазором к внутренней поверхности оболочки, отличающийся тем, что в цилиндрических таблетках, образующих защитный экран, выполнено осевое отверстие диаметром, составляющим 1,3-2,3 от диаметра осевого отверстия таблеток топливного столба, а величина зазора между поверхностью защитных экранов и внутренней поверхностью оболочки составляет 1,0-1,2 от величины зазора между поверхностью топливного столба и внутренней поверхностью оболочки.

Описание изобретения к патенту

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

Одним из требований к конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов) стержневого типа для атомных станций является наличие под их оболочкой атмосферы заданного состава и давления. Необходимая атмосфера под оболочкой твэла создается при их изготовлении путем вакуумирования и последующего заполнения свободного объема под оболочкой твэла гелием. Этому способствует то, что, как правило, такие твэлы имеют по оси топливных таблеток, образующих топливный стержень, отверстие, существенно упрощающие создание под оболочкой требуемой атмосферы. Типичным примером такой конструкции являются твэлы типа ВВЭР (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов, книга 2, Москва, Энергоатомиздат, 1995 г., стр.218).

Известный твэл содержит герметизированную приваренными по ее торцам заглушками оболочку, под которой находится атмосфера заданного состава и давления, ядерное топливо в виде керамических таблеток из обогащенного урана, образующих топливный столб, поджатый к одной из заглушек фиксатором, расположенным в компенсационном объеме твэла. Таблетки имеют осевое отверстие и гарантированный зазор с внутренней стенкой оболочки. Конструкция твэла технологична и обеспечивает быстрое создание под его оболочкой атмосферы заданного состава и давления, однако такой твэл не всегда может быть использован для работы в реакторе, например, когда по соображениям безопасности по торцам топливного столба должны быть установлены защитные экраны из обедненного или природного урана, которые в данном твэле отсутствуют. Такие защитные экраны устанавливаются, например, в твэлах для реакторов на быстрых нейтронах (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов, книга 2, Москва, Энергоатомиздат, 1995 г., с.218) - прототип. Данный твэл является наиболее близким к предлагаемому техническому решению.

Твэл состоит из герметизированной приваренными по ее торцам заглушками оболочки, заполненной ядерным топливом в виде керамических таблеток из обогащенного урана, имеющих осевое отверстие и образующих топливный столб, по концам которого расположены поджатые к топливному столбу и к одной из заглушек фиксатором, расположенным в компенсационном объеме твэла, защитные экраны, представляющие собой столбчатый набор цилиндрических таблеток сплошного сечения из обедненного урана и имеющих также, как и топливный столб, гарантированный зазор с внутренней стенкой оболочки твэла.

Наличие защитных экранов применительно к реакторам типа ВВЭР позволяет использовать твэлы такой конструкции в переходных режимах работы реакторов в процессе замены одних модификаций топливных кассет другими. Однако твэл не технологичен, так как осевое отверстие в таблетках топливного столба закрыто по торцам таблетками защитных экранов. В результате создание требуемой под оболочкой твэла атмосферы достигается только за счет зазоров между стенкой оболочки и таблетками, образующими топливный столб и защитные экраны, и зазоров между торцами поджатых между собой таблеток. Это существенно увеличивает время, необходимое для создания под оболочкой твэла атмосферы заданного состава. Выполнение осевого отверстия в таблетках защитных экранов по аналогии с таблетками топливного столба не может быть решением проблемы по причине возникновения возможности смешения топливных таблеток и таблеток защитного экрана и затруднения контроля из-за идентичной геометрии таблеток.

Технической задачей изобретения является повышение технологичности изготовления твэлов, имеющих защитные экраны, и обеспечение безопасности активной зоны реактора при эксплуатации таких твэлов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном тепловыделяющем элементе, состоящем из герметизированной приваренными по ее торцам заглушками оболочки, заполненной ядерным топливом в виде керамических таблеток из обогащенного урана, имеющих осевое отверстие и образующих топливный столб, по концам которого расположены поджатые к нему и к одной из заглушек фиксатором, расположенным в компенсационном объеме тепловыделяющего элемента, защитные экраны, представляющие собой столбчатый набор цилиндрических таблеток из обедненного или природного урана и имеющие также, как и топливный столб, гарантированный зазор с внутренней стенкой оболочки, согласно изобретению, таблетки, образующие защитный экран, имеют осевое отверстие, диаметр которого составляет 1,3-2,3 диаметра осевого отверстия таблеток топливного столба, а величина зазора между таблетками защитного экрана и внутренней стенкой оболочки находится в пределах 1-1,2 от величины зазора, образованного со стенкой оболочки таблетками топливного столба.

Указанная совокупность признаков является новой, не известной из уровня техники и решает поставленную задачу, так как:

- наличие в таблетках, образующих защитные экраны, осевого отверстия позволят исключить под оболочкой твэла наличие замкнутых объемов, затрудняющих создание под его оболочкой атмосферы заданного состава, тем самым сокращается время на его вакуумирование и создание под оболочкой атмосферы заданного состава, что в конечном итоге снижает потребность в количестве оборудования для герметизации таких твэлов;

- превышение диаметра осевого отверстия в таблетках защитных экранов около 1,3 раза по сравнению с диаметром осевого отверстия в таблетках топливного столба позволяет однозначно идентифицировать таблетки, имеющие разное обогащение по топливной составляющей, упрощает контроль за количеством топлива в твэле, тем самым гарантирует безопасную работу твэлов в реакторе, увеличение этого соотношения более чем в 2, 3 раза нецелесообразно как с точки зрения обеспечения прочности таблеток защитных экранов, так и с точки зрения технологичности их изготовления. Кроме этого дальнейшее увеличение этого отношения снижает эффективность работы защитных экранов;

- выдерживание соотношения величины зазора между экранными таблетками и внутренней стенкой оболочки в пределах 1,0-1,2 от величины этого зазора, образованного топливными таблетками, также способствует уменьшению времени вакуумирования твэла, которое, по существу, не изменяется по сравнению с этим временем у твэлов иной конструкции, выпускаемых серийно. Увеличение этого соотношения более чем в 1, 2 раза увеличивает время вакуумирования внутреннего объема за счет образования со стороны нижнего конца твэла дополнительного свободного объема.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан твэл.

Предлагаемый твэл состоит из оболочки 1, к которой сварными швами 2 и 3 приварены заглушки 4 и 5.

Под оболочкой твэла находится топливный столб 6 из таблеток, имеющих осевое отверстие 7. Со стороны торцов топливного столба расположены защитные экраны 8 и 9, таблетки которых имеют осевое отверстие 10, превышающее по диаметру аналогичное отверстие в топливных таблетках в 1,3-2,3 раза. Таблетки топливного столба и защитных экранов сжаты между собой и друг с другом фиксатором 11 и прижаты к торцу заглушки 5. Между оболочкой и таблетками защитных экранов существует гарантированный зазор (на чертеже не показан), величина которого составляет 1,0-1,2 от величины такого зазора между внутренней стенкой оболочки и топливными таблетками.

Предлагаемая конструкция твэла работает следующим образом.

В процессе изготовления твэла под его оболочкой 1 с приваренной к ней сварным швом 2 заглушкой 5 размещаются защитный экран 8, топливный столб 6, защитный экран 9, таблетки которых имеют различные по диаметру осевые отверстия 10 и 7. Таблетки топливного столба и защитных экранов удерживаются в требуемом положении фиксатором 11. Наличие явно отличающихся по величине осевого отверстия таблеток, имеющих различное обогащение, позволяет на стадии формирования в твэле защитных экранов и топливного столба контролировать этот процесс, не допуская перемешивания этих таблеток между собой. Снаряженный топливными и экранными таблетками твэл вакуумируется посредством осевого отверстия, проходящего по всей его длине, и зазора между внутренней поверхностью оболочки и таблетками, после чего герметизируется приваркой заглушки 4. Готовый твэл подвергается дополнительному неразрушающему контролю физическими методами на наличие и расположение топливных экранов. По разнице в диаметре отверстий таблеток определяется их принадлежность к топливу или к экранам. Во время работы твэла в реакторе экранные таблетки поглощают часть нейтронов со стороны концов твэла, уменьшая тем самым чрезмерное облучение конструкций, расположенных по концам активной зоны реактора.