BR112016005659B1 - Revestimento da haste de combustível, haste de combustível e conjunto de combustível - Google Patents

Revestimento da haste de combustível, haste de combustível e conjunto de combustível Download PDF

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Abstract

REVESTIMENTO DA HASTE DE COMBUSTÍVEL, HASTE DE COMBUSTÍVEL E CONJUNTO DE COMBUSTÍVEL. A invenção refere-se ao campo de energia nuclear e pode ser utilizada na fabricação de hastes de combustível (FR) e conjuntos de combustível (FA) para reatores com um refrigerante de metal líquido pesado (HLMC), bem como na fabricação de simuladores de FR a serem usados em dispositivos de irradiação para testes reais de desempenho das FR. O presente revestimento de uma haste de combustível para um reator resfriado por metal líquido pesado tem a forma de um elemento tubular sem solda com aletas enroladas helicoidalmente dispostas na superfície externa do dito elemento, que é fabricado de um aço ferrítico martensítico com cromo-silício com um tamanho mínimo de grão de ferrita de 7 na escala GOST 5639, em que cada aleta possue um ângulo de abertura de 22 a 40° (preferencialmente de 30 a 40°) e a seção transversal da aleta na forma de um trapézio com cantos arredondados no topo do trapézio e cantos suaves na base do trapézio. Também divulgados uma haste de combustível compreendendo o revestimento acima e um conjunto de combustível. O resultado técnico da invenção é uma melhoria nas características de desempenho das hastes e conjuntos de combustível como resultado da resistência a longo prazo do revestimento no ambiente de um refrigerante de metal líquido pesado como chumbo ou um eutético de chumbo e bismuto.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A invenção refere-se ao campo da energia nuclear e pode ser utilizada na fabricação de hastes de combustível (FR) e conjuntos de combustível (FA) para reatores com um refrigerante de metal líquido pesado (HLMC), bem como na fabricação de simuladores de FR a serem usados em dispositivos de irradiação para testes reais de desempenho das FR.
HISTÓRICO DA TÉCNICA
[002] A técnica anterior inclui uma ampla variedade de hastes de combustível com revestimento projetado como um elemento tubular metálico fabricado de um metal ou liga resistente ao HLMC, com pelo menos uma nervura disposta helicoidalmente e projetando-se para fora da superfície do elemento tubular (Consultar o resumo da Patente JPH02163694). As FR de acordo com esta patente compreendem um revestimento com peletas de óxido de urânio e plutonio e tampões instalados nas extremidades. Nervuras em espiral do revestimento são integradas com o elemento tubular com uma altura pré-determinada e número de voltas ao longo de todo o comprimento do tubo em sua superfície externa. As nervuras auxiliam a manter a distância entre as FRs durante a operação, e permitem obter uma dissipação de calor melhorada.
[003] Infelizmente, o resumo não revela a composição do material do revestimento da haste de combustível e a configuração das nervuras, o que não permite avaliar o desempenho da haste de combustível, em particular, sua resistência ao HLMC.
[004] A Patente RU2267175 divulga um revestimento de FR com nervuras feito de alumínio para uso em reatores de pesquisa do tipo IRT. Cada revestimento é equipado com quatro nervuras espaçadoras em espiral, e cada nervura possui uma seção retangular.
[005] A patente também divulga a própria FR, que compreende o dito revestimento de alumínio com nervuras espaçadoras em espiral na superfície externa, selado com tampões nas extremidades, com um núcleo de combustível no interior.
[006] A patente também revela um conjunto de combustível que compreende uma carcaça com estas hastes de combustível e grades espaçadoras para a sua instalação no interior.
[007] Desvantagens da técnica anterior incluem baixa resistência das hastes de combustível e conjuntos nos banhos fundidos do metal líquido pesado, que é principalmente devido ao baixo ponto de fusão do alumínio a 660° C.
[008] Além disso, a seção transversal com perfil retangular de acordo com a patente conhecida faz com que as altas concentrações de tensões na interface das nervuras com o revestimento, levem também à perda de estabilidade no HLMC.
[009] A solução técnica mais próxima aquela proposta é divulgada na Patente GB1459562.
[010] De acordo com esta patente, o revestimento é um elemento tubular fabricado em aço inoxidável, no lado externo do mesmo, há pelo menos uma nervura helicoidal. Esta nervura é um fio espiralado (ou fio duplo) enrolado helicoidalmente em tomo do elemento tubular.
[011] Consequentemente, a patente também revela a própria haste de combustível que compreende um revestimento e combustível nuclear na forma de carboneto de urânio, e um conjunto compreendendo tais elementos.
[012] De acordo com a descrição do método, a formação de nervuras na forma de um fio de mola em espiral permite fixar as nervuras como um fio espiralado apenas em determinados pontos de fixação e não como uma linha contínua. Isto permite evitar a estagnação do refrigerante nas interfaces das nervuras e do elemento tubular, que fornece o movimento mais eficiente do refrigerante ao longo da RF. Ao mesmo tempo, de acordo com os autores da invenção, o projeto das nervuras terá uma rigidez aceitável para as nervuras de modo a realizar suas funções de espaçamento.
[013] Infelizmente, a patente conhecida não especifica como as nervuras são unidas, mas a união poderá ser realizada por solda ponto.
[014] Entretanto, aços inoxidáveis possuem limitada soldabilidade. Durante a solda ponto por resistência, furo de contração e trincas quentes podem aparecer no metal de solda ponto que podem se propagar no material de revestimento. A união do fio ao revestimento por meio da soldagem por resistência leva a defeitos no revestimento.
[015] Além disso, o fio enrolado como mola fixado em certos pontos irá deslocar-se no fluxo de refrigerante ao longo da altura da haste de combustível e separar-se do revestimento nos pontos de solda.
DIVULGAÇÃO DA INVENÇÃO
[016] O objetivo da invenção é uma melhoria nas características de desempenho das hastes e conjuntos de combustível como resultado da resistência a longo prazo do revestimento no ambiente de um refrigerante de metal líquido pesado como chumbo ou um eutético de chumbo e bismuto.
[017] O resultado técnico da invenção é uma melhoria nas características de desempenho das hastes e conjuntos de combustível como um resultado da resistência a longo prazo do revestimento no ambiente de um refrigerante de metal líquido pesado como chumbo ou um eutético de chumbo e bismuto. Os resultados técnicos adicionais incluem a capacidade de fabricação do revestimento da haste de combustível, redução da resistência hidráulica do núcleo e intensificação dos processos de troca térmica devido ao fluxo facilitado do HLMC ao longo das nervuras. Além disso, os resultados técnicos incluem uma diminuição na concentração de tensões e o risco reduzido de defeitos na base da nervura devido ao modo de produção e operação subsequente de FR, e, portanto, a eliminação de danos por corrosão da FR.
[018] As seguintes características essenciais influenciam a obtenção dos resultados técnicos acima.
[019] O revestimento da FR para reatores com um refrigerante de metal líquido pesado é um elemento tubular laminado sólido com nervuras espiraladas posicionadas na superfície externa do dito elemento fabricadas em aço de aço contendo silício/cromo de grau ferrítico/martensítico com um tamanho de grão de ferrita não inferior a 7 de acordo com o padrão GOST 5639, e a forma transversal da nervura é um trapézio com um ângulo de abertura entre 22° e 40°, e a forma transversal da nervura é um trapézio com cantos arredondados no topo e com cantos suavizados (filete) na base do trapézio.
[020] Em aplicações particulares da invenção, o revestimento é feito de aço com teor de cromo entre 10% em peso e 12% em peso e teor de silício entre 1,0% em peso e 1,3% em peso.
[021] Nas aplicações preferenciais da invenção, o revestimento pode ter quatro nervuras espiraladas igualmente espaçadas.
[022] Neste caso, cada nervura possui uma altura de pelo menos 0,75 mm, espessura de parede máxima de 0,6 mm e ângulo de abertura da nervura entre 30° e 40°.
[023] Em outras aplicações, a forma transversal das nervuras é um trapézio com cantos arredondados no topo do trapézio, com um raio de curvatura de 0,2-0,35 mm.
[024] A forma transversal das nervuras pode ser um trapézio com cantos suavizados na base do trapézio com um raio de arredondamento de 0,55-0,9 mm.
[025] O problema estabelecido também é resolvido por meio de uma haste de combustível para reatores com um refrigerante de metal líquido pesado que compreende o revestimento descrito selado nas extremidades com tampões e combustível nuclear no interior do revestimento.
[026] O problema estabelecido também é resolvido por um conjunto de combustível para reatores com um refrigerante de metal líquido pesado compreendendo uma estrutura básica e pelo menos uma grade de retenção instalada na mesma com hastes de combustível fabricadas com a aplicação das características essenciais acima e fixadas na grade de retenção.
[027] Ao mesmo tempo, o espaçamento das hastes de combustível é realizado numa base de "nervura-a-nervura".
[028] O conjunto pode compreender duas grades de retenção posicionadas na parte superior e inferior da estrutura.
[029] A estrutura pode ser projetada como um tubo.
LISTA DE FIGURAS
[030] A invenção reivindicada é ilustrada por desenhos, onde a Figura 1 mostra a aparência do revestimento, a Figura 2 mostra a seção transversal do revestimento, a Figura 3 mostra a seção transversal da nervura.
IMPLEMENTAÇÃO DA INVENÇÃO
[031] Os itens são os seguintes: 1. Revestimento da FR. 2. Nervuras de espaçamento em espiral 3. Canto arredondado na parte superior da nervura. 4. Canto suavizado na parte inferior da nervura.
[032] O revestimento 1 (ver Figura 1 - Figura 2) é um elemento tubular laminado sólido com nervuras de espaçamento em espiral 2 posicionado na superfície externa do revestimento 1.
[033] O revestimento 1 é fabricado em aço com silício/cromo de grau ferrítico martensítico com tamanho de grão de ferrita não inferior a 7 pelo padrão GOST 5639 e possui um diâmetro externo de topo entre 9,8 e 13,5 mm, a espessura do revestimento mede entre 0,38 e 0,55 mm, o diâmetro interno do revestimento mede entre 7,2 e 11,2 mm, a rugosidade da superfície interna e externa não excede Ra = 1,2 pm sob a norma GOST 2789.
[034] Em aplicações preferenciais, o aço 16H12MVSFBR-SH (EP823-SH) é usado como o aço com cromo/silício de grau ferrítico martensítico. Este aço possui a seguinte composição de % em peso: carbono 0,14-0.18, silício 1,0- 1,3, manganês 0,5-0,8, cromo 10,0-12,0, níquel 0,5-0,8, vanádio 0,2-0,4, molibdênio 0,6-0,9, tungstênio 0,5-0,8, nióbio 0,2-0,4, boro < 0,006 (conforme cálculo), cério<0,l e o restando sendo ferro.
[035] Em termos de propriedades de serviço (alta resistência à expansão lacunar, baixa taxa de fluência por radiação, alta resistência à corrosão em chumbo-bismuto), o aço EP823-SH é o material mais adequado para revestimentos da FR de reatores com um refrigerante de metal líquido pesado.
[036] O número de nervuras pode variar.
[037] Na aplicação preferencial da invenção, o revestimento inclui 4 nervuras.
[038] Cada nervura 2 (ver Figura 3) se projeta acima do revestimento e é um trapézio com picos arredondados e cantos arredondados na base (filete) na seção transversal. O ângulo de abertura da nervura mede entre 22° e 40°, nas aplicações mais preferidas, entre 30° e 40°.
[039] Tal configuração de nervura garante a capacidade de fabricação do revestimento da FR, permite reduzir a resistência hidráulica do núcleo e intensifica os processos de troca de calor devido ao fluxo facilitado do HLMC ao longo das nervuras. Além disso, o projeto das nervuras com picos arredondados e filetes na interface com o revestimento permite diminuir as concentrações de tensões e risco de defeitos na base da nervura devido ao modo de produção e operação subsequente da FR e, portanto eliminar danos de corrosão da FR.
[040] Os parâmetros de revestimento preferidos são os seguintes: - espessura máxima da parede do revestimento de 0,6 mm, preferencialmente de 0,4 mm; - altura de nervura entre 0,55 e 0,85 mm, preferencialmente de 0,75 mm; - ângulo de abertura entre 22° e 40°, preferencialmente 30°; - raio de curvatura no topo do canto 3 entre 0,2 e 0,35 mm, preferencialmente de 0,2 mm; - raio de concordância 4 na parte inferior entre 0,55 mm e 0,9 mm, preferencialmente de 0,7 mm.
[041] As nervuras 2 são igualmente espaçadas, cada uma é espiralada com um espaçamento entre 450 mm e 1000 mm, preferencialmente de 750 mm. Preferencialmente, o revestimento 1 é fabricado com o enrolamento esquerdo das nervuras.
Exemplo de Aplicação
[042] Um tubo com 4 nervuras em espiral foi fabricado por laminação a frio de tarugos de aço EP823-SH para a fabricação de revestimentos do combustível.
[043] O diâmetro de topo do revestimento é de 13,5 mm, a espessura da parede de revestimento é de 0,4 mm, o diâmetro interno do revestimento é de 11,2 mm. As nervuras possuem uma altura de 0,75 mm, largura de meia altura da nervura de 0,75 mm, relação de altura-espessura da nervura de 1,85 mm. A seção transversal da nervura era um trapézio com cantos arredondados na parte superior do trapézio com um raio de curvatura de 0,2 mm, raio de arredondamento de 0,7 mm. O ângulo de abertura da nervura era de 30°. As nervuras eram espiraladas com um espaçamento de 750mm (enrolamento esquerdo).
[044] Combustível nuclear baseado em dióxido de urânio foi posicionado no revestimento fabricado e as FRs fabricadas foram seladas com peças de extremidade superior e inferior (tampões).
[045] Para completar o conjunto de combustível, as FRs montadas foram instaladas na estrutura do quadro com o espaçamento em uma base de "nervura- a-nervura" e fixado na grade superior, intermediária e inferior montada sobre a estrutura do quadro. O conjunto resultante foi instalado no reator.
[046] A invenção permite fabricar um revestimento com nervuras como uma unidade única e reduzir a probabilidade de defeitos nos pontos de concentração de tensões, o que garante uma resistência estável ao calor e à corrosão em contato com o HLMC em temperaturas de operação.
[047] A invenção permite implementar o espaçamento das hastes de combustível adjacentes (nervura-a-nervura) entre as grades espaçadoras de suporte superior e inferior (para FR) da FA, espaçamento com o refletor e elementos de suporte do FA (que permitem simplificar o projeto do FA) e assegurar a estabilidade a longo prazo no meio de HLMC (chumbo, liga eutético de chumbo e bismuto), sujeitos ao processo adequado de HLMC (cerca de 75.000 horas), limites de temperatura e dose para o revestimento da FR.

Claims (11)

1. “REVESTIMENTO DE ELEMENTO DE COMBUSTÍVEL” para reatores com um refrigerante de metal líquido pesado projetado como um elemento tubular laminado sólido com nervuras espiraladas posicionadas na superfície externa do dito elemento fabricado em aço contendo silício/cromo de grau ferrítico martensítico com tamanho de grão de ferrita inferior a 0,0336 mm, CARACTERIZADO pelo o ângulo de abertura de cada nervura (2) medir entre 22° e 40° e a forma da seção transversal da nervura ser um trapézio com cantos arredondados no topo e com cantos alisados na base do trapézio.
2. “REVESTIMENTO” de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo revestimento (1) ser feito em aço com teor de cromo entre 10% em peso e 12% em peso e teor de silício entre 1,0% em peso e 1,3% em peso.
3. “REVESTIMENTO” de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo revestimento (1) possuir quatro nervuras espiraladas igualmente espaçadas.
4. “REVESTIMENTO” de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO por cada nervura (2) possuir uma altura de pelo menos 0,75 mm, espessura máxima de parede de 0,6 mm e ângulo de abertura entre 30° e 40°.
5. “REVESTIMENTO” de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pela forma da seção transversal das nervuras ser um trapézio com cantos arredondados na parte superior do trapézio, com um raio de curvatura (3) de 0,2-0,35 mm.
6. “REVESTIMENTO” de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pela forma da seção transversal das nervuras ser um trapézio com cantos alisados na base do trapézio com um raio de concordância (4) de 0,55-0,9 mm.
7. “HASTE DE COMBUSTÍVEL PARA REATORES” com um refrigerante de metal líquido pesado, CARACTERIZADO por compreender um revestimento (1) fabricado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, selado nas extremidades com tampões e ter combustível nuclear posicionado no interior do dito revestimento.
8. “HASTE DE COMBUSTÍVEL PARA REATORES” com um refrigerante de metal líquido pesado CARACTERIZADO por compreender uma estrutura de quadro básica e pelo menos uma grade de retenção instalada na mesma com as hastes de combustível fabricadas de acordo com a reivindicação 7 e fixadas na grade de retenção.
9. “CONJUNTO” de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo espaçamento das hastes de combustível ser realizado na base de "nervura-a- nervura".
10. “CONJUNTO” de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO por compreender duas grades de retenção posicionadas na parte superior e inferior do quadro.
11. “CONJUNTO” de acordo de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pela estrutura do quadro ser projetada como um tubo.
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