Ядерная энергетика и особые подходы к работоспособности конструкционных материалов (стр. 2 из 4)

Конструктивно ТВЭЛы выпускают в виде отдельных элементов или объединяют в сборки (пакеты, кассеты, блоки). Их размещают в активной зоне реактора в каналах твёрдого замедлителя, через которые протекает теплоноситель, или пропускают через них жидкий теплоноситель, служащий одновременно замедлителем ядерной реакции. В энергетических реакторах срок службы тепловыделяющих элементов может достигать трёх лет.

Изготовление тепловыделяющих элементов осуществляется на автоматизированных линиях, объединяющих технологические и контрольные операции в единый технологический комплекс. Особое внимание уделяется технологии сварки нижней и верхней заглушек и контролю качества сварных швов и околошовных зон, которые должны обладать высокой прочностью и коррозионной стойкостью, отсутствием внешних и скрытых дефектов, структурных аномалий и внутренних напряжений.

Гарантии качества и надежной работы тепловыделяющих элементов в течении проектного срока эксплуатации в активной зоне реактора обеспечиваются многоступенчатой системой контроля и приемки готовых изделий.

Тип ТВЭЛа определяется типом и назначением реактора, параметрами теплоносителя. ТВЭЛ должен обеспечить надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю.

В большинстве современных энергетических реакторов (ВВЭР, РБМК), ТВЭЛ представляет собой стержень диаметром 9,1—13,5 мм и длиной несколько метров.

Внутри ТВЭЛов происходит выделение тепла за счёт ядерной реакции деления топлива и взаимодействия нейтронов с веществом материалов активной зоны и теплоносителя, которое передаётся теплоносителю. Конструктивно, каждый твэл состоит из сердечника и герметичной оболочки.

Помимо делящегося вещества (233U, 235U, 239Pu), сердечник может содержать вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива (238U, 232Th).

Сердечник

Сердечники бывают металлическими, металлокерамическими или керамическими. Для металлических сердечников используются чистые уран, торий или плутоний, а также их сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком. Материалом металлокерамических сердечников служат спрессованные смеси порошков урана и алюминия. Для керамических сердечников спекают или сплавляют оксиды или карбиды урана или тория (UO2, ThC2).

Высоким требованиям по механической прочности и устойчивости физических свойств и геометрических размеров в условиях интенсивного нейтронного и γ-излучения наиболее соответствуют керамические и металлокерамические сердечники, однако из-за наличия наполнителя для них требуется ядерное топливо повышенного обогащения (с содержанием 235U до 10 % и более). Для повышения стойкости сердечника, в него иногда добавляют материалы, интенсивно поглощающие нейтроны (например, молибден).

В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из двуокиси урана (UO2), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения — отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки ТВЭЛа к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.

Оболочка

Хорошая герметизация оболочки ТВЭЛов необходима для исключения попадания продуктов деления топлива в теплоноситель, что может повлечь распространение радиоактивных элементов за пределы активной зоны. Также, в связи с тем, что уран, плутоний и их соединения крайне химически активны, их химическая реакция с водой может повлечь деформацию ТВЭЛа и другие нежелательные последствия. Материал оболочки ТВЭЛов должен обладать следующими свойствами:

· высокая коррозионная, эрозионная и термическая стойкость;

· он должен существенно изменять характер поглощения нейтронов в реакторе.

Оболочки ТВЭЛов в настоящее время изготавливают из сплавов алюминия, циркония, нержавеющей стали. Сплавы Al используются в реакторах с температурой активной зоны менее 250—270 °C, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400 °C, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой более 400 °C. Иногда используют и другие материалы, например, графит.

В случае использования керамических сердечников, между ними и оболочкой оставляют небольшой зазор, необходимый для учёта различных коэффициентов теплового расширения материалов, а для улучшения теплообмена оболочку ТВЭЛа вместе с сердечниками заполняют газом, который хорошо проводит тепло, чаще всего для этих целей используют гелий. В процессе работы ТВЭЛа исходный зазор (примерно 100 мкм по радиусу) уменьшается, вплоть до полного исчезновения.

Конструктивное исполнение

ТВЭЛ реактора ВВЭР-1000 представляет собой трубку, заполненную таблетками из двуокиси урана UO2 и герметично уплотненную. Трубка ТВЭЛа изготовлена из рекристализованного циркония, легированного 1 % ниобия (сплав Н-1). Плотность сплава 6,55 г/см³, температура плавления 1860°C. Для сплава Н-1 температура 350°C является своеобразной критической точкой, после которой прочностные свойства сплава ухудшаются, а пластические увеличиваются. Наиболее резко свойства изменяются при температурах 400—500 °C. При температуре выше 1000°C цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200°C эта реакция протекает быстро (минуты) (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (1860 °C) и образуется водород).

Наружный диаметр трубки ТВЭЛа 9,1±0,05 мм, толщина 0,65±0,03 мм, внутренний диаметр — 7,72+0,08 мм.

В трубку с зазором 0,19—0,32 мм на диаметр помещены таблетки двуокиси урана высотой 20 мм и диаметром 7,53−0,05 мм. В середине таблеток имеются отверстия диаметром 2,3 мм, а края скруглены фасками. В холодном состоянии общая длина столба таблеток в ТВЭЛе составляет 3530 мм. Длина трубки ТВЭЛа составляет 3800 мм, положение столба топливных таблеток зафиксировано разрезными втулками из нержавеющей стали и пружиной, не препятствующими тепловым перемещениям.

При герметизации ТВЭЛа его внутренняя полость заполняется гелием под давлением 20—25 атм. Внутренний объем ТВЭЛа (в холодном состоянии 181 см³) на 70 % заполнен таблетками топлива. Длина ТВЭЛа 3837 мм, вес — 21 кг, на нижней концевой пробке имеется поперечное отверстие для крепления к нижней опорной решетке тепловыделяющей сборки.

Герметичность каждого ТВЭЛа проверяется гелиевым течеискателем. Герметизирующие элементы ТВЭЛа (трубка и концевые детали) образуют оболочку, а таблетки двуокиси урана — топливный сердечник.

Цирконий удачно сочетает ядерные и физические характеристики с механическими свойствами, коррозионностоек в большинстве сред, применяемых в качестве теплоносителей ядерных реакторов и достаточно технологичен.

Таблетки двуокиси урана имеют высокую температуру плавления (около 2800 °C), не взаимодействуют с водой и паром даже при высоких температурах, совместимы с материалом оболочки ТВЭЛа.

Двуокись урана имеет низкую теплопроводность (в 40 раз меньше, чем у стали). Плотность двуокиси урана 10,4—10,8 г/см³. При протекании цепной реакции в объеме топливных таблеток равномерно выделяется энергия до 0,45 кВт/см³ (450 кВт/л).

Это тепло отводится из объема таблеток к поверхности трубок (оболочек), охлаждаемых водой, поэтому наибольшая температура устанавливается на оси симметрии таблеток.

При номинальной мощности реактора температура на оси ТВЭЛа составляет около 1600 °C, а на поверхности таблеток — около 470 °C. Максимальная температура достигает соответственно 1940 и 900 °C. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °C, на оболочке — 23 °C. Температура наружной поверхности трубки ТВЭЛа составляет около 350 °C. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м², а линейный тепловой поток — 17 кВт/м трубки.

При номинальной мощности давление гелия достигает 80—100 атм, а топливный сердечник ТВЭЛа удлиняется от нагрева на 30 мм.

Содержание делящегося 235U в массе топливных таблеток составляет 4,4 % в начале кампании и 0,8—1 % при выгрузке из реактора. Около 5 % продуктов деления урана являются газообразными веществами, увеличивающими давление внутри оболочки ТВЭЛа на 80 атм в конце кампании в горячем состоянии (давление теплоносителя в активной зоне 160 атм). После охлаждения парциальное давление газообразных продуктов деления в оболочке ТВЭЛа составляет около 20 атм.

Для загрузки в реактор ТВЭЛы объединяются в так называемые тепловыделяющие сборки (ТВС), которые в случае твёрдого замедлителя размещают в специальных каналах, по которым протекает теплоноситель. В реакторах с жидким замедлителем сборки размещаются непосредственно в его объёме [4].

Характеристики

Основной параметр ТВЭЛа — глубина выгорания топлива, которая в энергетических реакторах достигает 40 МВт·сут/кг, а время работы составляет до 3—4 лет. В современных ВВЭР выгорание топлива ТВЭЛов достигает более 65 МВт·сут/кг U за 6-летнюю (по примерно 320 сут.) кампанию.

Использованные ТВЭЛы подвергаются переработке с целью извлечения неиспользованного в данной кампании или вновь накопленного ядерного топлива.