твэл ядерного реактора

Формула изобретения

1. Твэл ядерного реактора, состоящий из герметичной трубчатой оболочки, в которой размещены топливные таблетки, фиксатор топливного столба, размещенный в газовом компенсационном объеме, и вкладыш для поглощения избыточных нейтронов, размещенный между крайней таблеткой и фиксатором, отличающийся тем, что вкладыш выполнен из гафния или из сплава гафния с цирконием, а в оболочке размещены дополнительные топливные таблетки.

2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что для изготовления вкладыша используют сплав гафния с цирконием при содержании гафния от 15 до 90 мас.%.

3. Твэл по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполняют высотой от 0,5 до 2,5 внутреннего диаметра оболочки.

4. Твэл по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполняется в форме таблетки диаметром в пределах, заданных для топливных таблеток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции твэла для составной кассеты системы управления мощностью активной зоны (СУЗ) энергетического реактора типа ВВЭР-440.

Известен твэл, состоящий из герметичной цилиндрической оболочки снаряженной топливными таблетками из двуокиси урана и закрепленные в оболочке от перемещений фиксатором топливного столба, которые используются в топливных кассетах из одной тепловыделяющей сборки (ТВС), содержащей дистанционированный решетками шестигранной пучок твэлов и направляющие каналы. Регулировка мощности в таких кассетах производится вертикальным перемещением поглощающих стержней в направляющих каналах [1, 2]. Работоспособность твэлов в таких ТВС высокая, т.к. энерговыделение по высоте практически постоянно за исключением концов, где оно несколько понижено. Недостатком таких кассет является пониженная загрузка топлива, т.к. часть объема кассеты занято направляющими каналами.

Известен твэл, взятый авторами за прототип [3], состоящий из заполненной топливными таблетками из двуокиси урана герменичной цилиндрической оболочки, фиксатора топливного столба, предотвращающего перемещение топливных таблеток в процессе транспортных операций, 100 мм столбика из нержавеющей стали, размещенного между торцом верхней топливной таблетки и фиксатором топливного столба и газового компенсационного объема в верхней части твэла, которые используются в тепловыделяющих сборках составных кассет СУЗ для активных зон реакторов типа ВВЭР-440. Нижняя тепловыделяющая сборка кассеты состоит из дистанционированными решетками шестигранного пучка твэлов в чехловой трубе, а верхняя надставка, которая крепится на чехловой трубе тепловыделяющей сборки, содержит поглащающие материалы. Кассета СУЗ используется для выработки энергии и управлением мощностью активной зоны реактора за счет их вертикального перемещения. Для снижения мощности тепловыделяющая сборка кассеты СУЗ выводится из активной зоны, а поглащающая надставка вводится. При регулировании мощности в районе стыка кассеты, где находится 30 мм водяной зазор между надставкой и торцом твэлов, а также газовые компенсационные объемы твэлов, образуется всплеск нейтронного поля, который вызывает недопустимое повышение энерговыделения на верхних концах твэлов. Для устранения повышенного энерговыделения в твэлы кассеты СУЗ помещают 100 мм нержавеющие столбики (3). Недостатком известного технического решения является снижение загрузки топлива в твэлы вследствие установки в них нержавеющих столбиков, в результате чего снижается выработка энергии и экономические показатели работы АЭС.

Технической задачей изобретения является увеличение эффективности использования активной зоны реактора.

Решение технической задачи достигается тем, что в твэле (состоящем из герметичной трубчатой оболочки, в которой размещены топливные таблетки, фиксатор топливного столба, размещенный в газовом компенсационном объеме, и вкладыш для поглощения избыточных нейтронов, размещенный между крайней таблеткой и фиксатором), вкладыш выполнен из гафния или из сплава гафния с цирконием, а в оболочке размещены дополнительные топливные таблетки.

В частном варианте выполнения изобретения для изготовления вкладыша используют сплав гафния с цирконием при содержании гафния от 15% мас. до 90% мас.

В другом частном варианте выполнения изобретения вкладыш выполняют высотой от 0,5 до 2,5 внутреннего диаметра оболочки.

В другом частном варианте выполнения изобретения вкладыш выполняется в форме таблетки, диаметр которой изменяется в пределах изменения диаметра топливных таблеток.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан общий вид твэла по прототипу.

На фиг.2 показан общий вид твэла по предлагаемому изобретению.

На фиг. 1 показана конструкция твэла для ТВС СУЗ реактора ВВЭР-440 по прототипу. Твэл состоит из трубчатой оболочки (5), герметизированной со стороны торцов заглушками (1) и (6). Внутри оболочки размещены топливные таблетки (4), фиксатор (2) топливного столба, вкладыш (3), выполненный в виде стержня из нержавеющей стали высотой 100 мм.

На фиг. 2 показана конструкция твэла для ТВС СУЗ реактора ВВЭР-440 по предлагаемому изобретению. Твэл состоит из трубчатой оболочки (5), герметизированной со стороны торцов заглушками (1) и (6). Внутри оболочки размещены топливные таблетки (4), дополнительные топливные таблетки (7), фиксатор (2) топливного столба, вкладыш (3), выполненный из гафния или сплава гафния с цирконием. Содержание гафния в сплаве задают в пределах от 15% до 90% мас. Указанные пределы содержания циркония в сплаве (от 15% до 90% мас.) обусловлено двумя факторами: необходимостью обеспечения заданного количества поглощающего нейтроны материала - гафния в зоне торца верхней таблетки и необходимостью получения вкладыша объема и формы, удобной для снаряжения оболочки твэла при его изготовлении. Оптимальным является выполнение вкладыша в форме таблетки с высотой в диапазоне от 0,5 до 2,5 внутреннего диаметра оболочки и диаметром в пределах, установленных для таблетки ядерного топлива. Геометрические параметры вкладыша в указанных пределах позволяют изготавливать твэлы без усложнения технологии его снаряжения.

Кассета СУЗ, изготовленная с использованием твэлов в соответствии с предложенным решением, работает следующим образом. При регулировании мощности активной зоны реакторов типа ВВЭР-440 в зоне стыка ТВС и надставкой, где расположены газовые компенсационные объемы и водяной зазор между верхними торцами твэлов и надставкой, повышается концентрация тепловых нейтронов по сравнению с другими частями ТВС кассеты, где расположены твэлы с топливными таблетками, имеющими большое сечение захвата тепловых нейтронов. Размещенный в твэле вкладыш из гафния или сплава гафния с цирконием, имеющий высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (около 105 барн), поглощает избыточные нейтроны и тем самым снижает тепловыделение на верхних таблетках ТВС СУЗ. Гафний совместим с циркониевыми сплавами и двуокисью урана, его коррозионная стойкость в реакторных условиях выше, чем у сплавов циркония. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов в гафнии в процессе эксплуатации изменяется всего на несколько %. Дополнительные топливные таблетки, которые в соответствии с изобретением размещены в верхней части твэла (вместо части объема вкладыша из нержавеющей стали), позволяют увеличить загрузку топлива в твэлах ТВС на 3,5-4% и получать соответствующее дополнительное энерговыделение.

Новый технический результат изобретения состоит в том, что при использовании кассет СУЗ с вкладышем, содержащим гафний, в ТВС обеспечивается существенное увеличение загрузки топлива в этих твэлах при сохранении равномерного выгорания топлива в твелах рабочих кассет. За счет этого снижается себестоимость вырабатываемой на АЭС электроэнергии.

Источники информации

1. Емельянов И.Е. Энергетические ядерные реакторы. М., Энергоатомиздат, 1984 г., с.18-30.

2. Решетников Ф.Г. Разработка производства и эксплуатации тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. М., Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1., с.185.

3. Сидоренко В.А. Вопросы безопасной работы реакторов ВВЭР. М., Атомиздат, 1977, с.141-142 - прототип.