твэл для составной тепловыделяющей кассеты ядерного реактора типа рбмк

Формула изобретения

1. ТВЭЛ для составной тепловыделяющей кассеты ядерного реактора типа РБМК, состоящий из цилиндрической оболочки, загерметизированной с одного конца заглушкой и с другого - наконечником, внутри которой расположены топливные таблетки из двуокиси урана и пружинный фиксатор топливного столба, отличающийся тем, что между торцом заглушки и прилегающей к нему топливной таблеткой размещен поглотитель избыточных нейтронов, представляющий собой шайбу, выполненную из материала, содержащего гафний.

2. ТВЭЛ по п.1, отличающийся тем, что шайба выполнена из сплава гафния с цирконием при содержании циркония от 0,1 до 50 мас.%.

3. ТВЭЛ по п.1, отличающийся тем, что шайба выполнена из сплава гафния с титаном при содержании титана от 0,1 до 50 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к ТВЭЛам для тепловыделяющей кассеты ядерного реактора типа РБМК, состоящей из двух тепловыделяющих сборок (ТВС), и может быть использовано в ТВЭЛах других ТВС, в которых необходимо снизить локальный всплеск нейтронов, вызывающий повышенное энерговыделение.

Известна конструкция ТВЭЛа [1], состоящего из заполненной топливными таблетками герметичной оболочки, который используется в тепловыделяющих кассетах, состоящих из одной ТВС. Регулировку мощности в таких ТВС проводят вертикальным перемещением поглощающих стержней в направляющих каналах. В ТВЭЛах таких ТВС энерговыделение по высоте практически постоянно за исключением концов, где оно понижено. Такое энерговыделение в ТВЭЛах характерно только для тепловыделяющих кассет, состоящих из одной ТВС и позволяющих проводить регулировку мощности поглощающими стержнями.

В ТВЭЛах таких кассет топливо выгорает практически равномерно по высоте, и работоспособность их высокая. Однако, применение таких тепловыделяющих кассет, состоящих из одной ТВС, ограничено высотой активной зоны ядерного реактора.

Известен ТВЭЛ, взятый авторами за прототип [2], состоящий из цилиндрической циркониевой оболочки, загерметизированной с одного конца заглушкой, а с другого наконечником, внутри которой находятся поджатые пружинным фиксатором топливные таблетки из обогащенной двуокиси урана. Этот ТВЭЛ используется в тепловыделяющих кассетах ядерного реактора РБМК-1000, состоящих из двух ТВС, закрепленных на центральной трубе. Конструктивно кассету изготавливают так, что в районе стыка двух ТВС в центре активной зоны происходит разрыв по топливному столбу из-за наличия водяного зазора высотой 30 мм между торцами ТВЭЛов и двух заглушек высотой 9,5 мм из циркониевого сплава с поперечным захватом тепловых нейтронов не более 0,2 барн.

Недостаток прототипа заключается в повышенном энерговыделении на концах ТВЭЛов в центре активной зоны ядерного реактора, вызванном локальным всплеском нейтронного поля из-за разрыва в размещении топлива по высоте тепловыделяющей кассеты. При нахождении в ТВЭЛах топлива с обогащением 2,6% по урану-235 величина неравномерности энерговыделения на концах ТВЭЛов может достигать 1,34. Основное изменение энерговыделения происходит на расстоянии 20-30 мм от торцов крайних таблеток. В результате существенное увеличение энерговыделения на концах ТВЭЛов приводит к снижению их работоспособности (разгерметизация ТВЭЛов происходит преимущественно в центре активной зоны, вплоть до отрыва заглушек), безопасности в аварийных ситуациях и ухудшению экономических показателей работы АЭС, в том числе из-за невозможности эксплуатации ТВЭЛов со 100% мощностью по всей длине (существует ограничение по предельно допустимой линейной тепловой нагрузке).

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение энерговыделения на концах ТВЭЛов в центре активной зоны, что обеспечит более глубокое равномерное выгорание топлива по длине, повышение работоспособности ТВС и безопасности ядерного реактора, в том числе в аварийных ситуациях.

Решение технической задачи достигается тем, что в ТВЭЛе для составной тепловыделяющей кассеты ядерного реактора типа РБМК, состоящем из цилиндрической циркониевой оболочки, загерметизированной с одного конца заглушкой, а с другого наконечником, внутри которой размещены топливные таблетки из двуокиси урана и пружинный фиксатор топливного столба, между торцом заглушки и прилегающей к нему топливной таблеткой размещен поглотитель избыточных нейтронов, представляющий собой шайбу, выполненную из материала, содержащего гафний.

В частном варианте шайба выполнена из сплава гафния с цирконием при содержании циркония от 0,1 до 50 мас.%.

В другом частном варианте шайба выполнена из сплава гафния с титаном при содержании титана от 0,1 до 50 мас.%.

В другом частном варианте в цилиндрической оболочке расположены топливные таблетки из двуокиси урана только штатного обогащения.

Гафний совместим с материалами оболочки, заглушки и таблеток, выполненных из двуокиси урана. Коррозионная стойкость гафния и его сплава с цирконием или титаном в реакторных условиях выше, чем у циркониевых сплавов. Поперечное сечение захвата у гафния 105 барн, в процессе эксплуатации поглощающая способность гафния изменяется незначительно.

Влияние толщины шайбы на снижение энерговыделения в центре активной зоны на концах ТВЭЛов в наружном ряду кассеты РБМК-1000 с топливом обогащением 2,8% и содержанием эрбия 0,6% в районе стыка двух пучков в центре активной зоны приведено в таблице 1.

Из представленных результатов следует, что в ТВЭЛах РБМК-1000 без шайбы-поглотителя избыточных нейтронов на концах в центре активной зоны происходит повышенное энерговыделение до величины 1,34. Шайба толщиной 0,6 мм снижает исходный всплеск до 1,11, а шайба толщиной 1,0 мм устраняет всплеск энерговыделения почти полностью.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показано продольное сечение ТВЭЛа, состоящего из оболочки 1, заглушки 2, наконечника 3, топливных таблеток 4, пружинного фиксатора 5. Дополнительный поглотитель избыточных нейтронов 6 в виде шайбы из гафния или сплава гафния с цирконием расположен внутри ТВЭЛа между внутренним торцом заглушки и прилегающей к ней таблеткой из двуокиси урана.

На фиг.2 показана заглушка 2 с шайбой 6.

ТВЭЛ работает следующим образом. В энергетических ядерных реакторах на тепловых нейтронах типа РБМК в качестве замедлителя и теплоносителя используется дистиллированная вода, а в качестве ядерного топлива - обогащенная двуокись урана. В процессе эксплуатации ядерного реактора в центре активной зоны в районе стыка двух пучков ТВЭЛов, вследствие наличия на этом участке водяного зазора высотой 30 мм и двух циркониевых заглушек (2Х9,5 мм) с поперечным сечением захвата тепловых нейтронов не более 0,2 барн, образуется локальный всплеск энерговыделения нейтронного поля, который вызывает повышенное до величины 1,34 энерговыделение на концах ТВЭЛов. Помещенная между внутренним торцом заглушки и прилегающей к ней топливной таблеткой шайба, выполненная из гафния или из сплава гафния с цирконием, с поперечным сечением захвата 105 барн поглощает часть нейтронов и тем самым выравнивает энерговыделение по длине ТВЭЛа. Кроме того, замена двух экранных таблеток из обедненного урана шайбой из гафния позволяет увеличить загрузку топлива в ТВЭЛе, что даст возможность повысить экономические показатели АЭС.

Чем больше масса гафния в ТВЭЛе, тем на большую величину снижается энерговыделение на конце ТВЭЛа.

В более энергонапряженных тепловыделяющих кассетах ядерного реактора РБМК-1500 (аналогичных по конструкции РБМК-1000), в которых повышенное локальное энерговыделение в центре активной зоны приводит к большим негативным последствиям, с целью снижения повышенного энерговыделения на концах ТВЭЛов в центре активной зоны в топливный столб у заглушки помещают две экранные таблетки высотой 30 мм из двуокиси урана пониженного обогащения [3], в результате чего величина неравномерности энерговыделения по длине ТВЭЛа снижается с 1,34 до 1,25. Гафний более эффективен и в меньшем количестве, по сравнению с обедненной двуокисью урана, выравнивает энерговыделение по длине ТВЭЛа. Так, две экранные таблетки суммарной высотой 30 мм из двуокиси урана обогащением 0,7% по урану-235 в ТВЭЛах РБМК-1500 снижают всплеск энерговыделения на концах ТВЭЛов в центре активной зоны с 1,34 до 1,25, в то время как для получения аналогичного эффекта снижения энерговыделения в ТВЭЛах на концах достаточно шайбы из гафния толщиной всего 0,2 мм.

При этом потери в выгорании топлива при использовании двух экранных таблеток из обедненной двуокиси урана составляют 1,8%, а при использовании шайб из гафния толщиной 0,2 мм только 0,42%. В предлагаемом изобретении используются топливные таблетки только штатного обогащения.

Новый технический результат изобретения состоит в том, что при использовании в тепловыделяющих кассетах ТВЭЛов шайбы из гафния или сплава гафния с цирконием, или сплава гафния с титаном, расположенной между внутренним торцом циркониевой заглушки и топливной таблеткой, обеспечивается высокая работоспособность ТВС, снижается количество негерметичных ТВЭЛов, обеспечивается более глубокое равномерное выгорание ядерного топлива по длине ТВЭЛа, снижается себестоимость вырабатываемой электроэнергии. Использование в РБМК-1500 таблеток штатного обогащения увеличит энерговыделение по всей длине ТВЭЛа, что повысит экономические показатели АЭС.

Источники информации

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

2. Доллежаль Н.А. Канальный ядерный энергетический реактор. - М.: Атомиздат, 1980, с. 54-55, 95-97.

3. K.Almenas, A.Kaliatka, E.Uepuras. Ignalina RBMK-1500. A Sourse Book. – Lithuanian Energy Institute, 1998, p. 62-64.