CZ285357B6 - Oděruvzdorná palivová tyč s vrstvou oxidu zirkoničitého - Google Patents

Abstract

Oděruvzdorná palivová tyč (20) s vrstvou oxidu zirkoničitého, nesoucí jaderné palivo v palivovém článku (34) se spodní mříží (32), podpírající palivovou tyč (20) v mřížové podpěře (26) podél palivové tyče (20), sestává z podélného trubkového pláště (28) v podobě dutého hřídele ze zirkonové slitiny s oxidovým povlakem z oxidu zirkoničitého. Oxidový povlak má na vnějším povrchu palivové tyče (20) v oblasti mřížové podpěry (26) tlustší část (24), jež má tloušťku 2 až 15 mikrometrů a je tedy tlustší než povlak oxidu zirkoničitého na zbývající délce palivové tyče (20).ŕ

Description

Vynález se týká palivového článku se spodní tryskou a s alespoň jednou mříží, umístěnou v odstupu od spodní trysky, přičemž mříž je opatřena objímkami, v nichž jsou umístěny palivové tyče, orientované navzájem rovnoběžně pro umožnění průtoku chladivá palivovými tyčemi ve směru, rovnoběžném s podélným rozložením palivových tyčí a mříží, přičemž každá palivová tyč je uložena v mříži v místě mřížové podpěry, vzdáleném od konce příslušné palivové tyče ve směru průtoku chladivá, přičemž každá palivová tyč obsahuje štěpné palivo, umístěné v trubkovém plášti v podobě dutého hřídele, provedeném ze slitiny zirkonia.

Dosavadní stav techniky

Spolehlivost paliva je jednou z nejvyšších priorit při provozu jaderné elektrárny s tlakovou vodou. V takové elektrárně se chladicí voda ohřívá v tlakové nádobě, začleněné do primárního chladicího okruhu, jaderným palivem v podobě podlouhlých palivových tyčí, uspořádaných ve svislých řadách palivových článků. Každá palivová tyč sestává z válcovitých pelet obohaceného uranu, nastohovaných v duté trubce, typicky zhotovené ze zirkonové slitiny. Palivové tyče se seskupují do palivových článků, jež umožňují manipulaci s několika palivovými tyčemi v jedné jednotce. Palivové články jsou v reaktorové nádobě namontovány svisle a v těsném uspořádání. Palivové tyče vyvíjejí teplo, vyvolané jaderným rozpadem, rychlostí, řízenou ovládacími tyčemi, absorbujícími neutrony, jež jsou zasouvány nebo vytahovány z poloh uvnitř palivových článků. Palivové tyče zahřívají primární chladivo tak, že dochází k bouřlivému turbulentnímu, vzhůru směřujícímu, proudění chladivá podél palivových tyčí díky vedení tepla.

Materiálem opláštění palivových tyčí je typicky slitina zirkonu, jako například Zirkaloy. Zirkon je obzvlášť vhodný vzhledem ke snadné dostupnosti, dobré vodivosti a odolnosti proti radiačnímu poškozování, nízkému průřezu pro absorpci tepelných neutronů a výtečné odolnosti proti korozi v tlakové vodě do 350 °C. Zirkon je vysoce aktivní kov a podobně jako hliník se jeví jako pasivní díky stabilní a kohezivní vrstvě oxidového filmu, jež se tvoří na jeho povrchu v přítomnosti vzduchu nebo vody.

Oxidový film chrání chemicky kovový zirkon. V případě mechanického poškození se vytvoří v poškozené oblasti oxid za předpokladu, že je přítomen kyslík k uskutečnění reakce. V patentu US 4 100 020 je tyč jaderného paliva opatřena povlakem přechodného kovového oxidu na vnitřní straně trubkového pláště palivové tyče. Za provozu jaderné elektrárny mají tepelná expanze palivových pelet a chemická reakce s jodem, uvolňovaným z paliva, sklon k opotřebovávání vnitřního povrchu trubky. Oxid přechodného kovu uvolňuje kyslík tak, aby kyslík byl k dispozici v průběhu užitečné doby života palivové tyče k restauraci ochranného povlaku oxidu zirkoničitého. Jako další vynálezy, týkající se vytváření oxidové vrstvy na vnitřní straně zirkonového opláštění, se uvádějí patenty US 4 609 524 a 4 233 086.

Tyto a jiné způsoby napomáhají prodlužovat životnost palivových tyčí ochranou jejich vnitřního povrchu před mechanickým opotřebením peletami paliva a chemickým napadáním jodem. Z praktické zkušenosti však vyplývá, že převládajícím mechanismem poškozování jaderných palivových tyčí je netěsnost trubek palivových tyčí, způsobovaná odíráním volnými kovovými úlomky, jež opotřebovávají vnější stranu palivové tyče. Kovové úlomky se typicky zanášejí do primárního chladicího okruhu při údržbových pracích na chladicím systému reaktoru. Uvolněné úlomky mohou cirkulovat v chladicím systému a zachycovat se v palivových článcích. Při turbulentním proudění chladivá úlomky kmitají vůči vnějším povrchům palivových tyčí a prodřou nebo erodují za čas mechanickými nárazy opláštění ze slitiny na bázi zirkonu. Porušení

-1 CZ 285357 B6 pláště palivové tyče vede k uvolnění produktů jaderného rozpadu do proudu chladivá. Když je třeba palivo vyjmout a nahradit, zvětšuje toto předchozí uvolnění možnost vystavení pracovníků radioaktivitě.

V palivových článcích jsou palivové tyče drženy řadou od sebe vzdálených přepážek nebo mříží, spojených náprstkovitými trubkami, vedenými souběžně s palivovými tyčemi. Mříže mají pružné struktury, v nichž jsou tyče uloženy, a jinak jsou otevřeny k umožnění proudění chladivá palivovým článkem. Homí a dolní koncové panely palivových článků jsou známy pod označením trysky ajejich struktura rovněž umožňuje proudění palivovým článkem. Je známou praxí opatřit spodní trysku malými otvory k odfiltrování úlomků, větších než je průměr otvorů, k zabránění jejich vstupu do palivového článku. Rozměry otvorů jsou voleny k maximálnímu vztahu mezi účinností spodní trysky jakožto filtru úlomků a mezi odporem spodní trysky proti proudění chladivá. Spodní tryska brání potenciálnímu podstatnému poškozování palivových tyčí velkými úlomky, jež by se mohly dostat do palivového článku. Malé úlomky však mohou spodní tryskou proniknout. Není výhodné zmenšovat dále otvory ve spodní trysce k odfiltrování menších úlomků z chladivá vzhledem ke stoupajícímu odporu proti proudění chladivá. Proto nemohou struktury spodní trysky k zachycování úlomků odstranit úplně problém poškozování palivových tyčí odíráním.

Úlomky dostatečně malé, aby prošly spodní tryskou, mohou být blokovány nebo uloženy v mřížích, podpírající palivové tyče. Pokud se úlomek zachytí na nejspodnější mříži, podpírající palivové tyče, nebo pod ní, míchá tím turbulentní proudění chladivá a odírá jím opláštění palivové tyče.

Bylo by výhodné zlepšit odolnost vnějšího povrchu plášťové trubky tak, aby poškození odíráním bylo minimalizováno. Je známo povlékání palivové tyče pokovováním po celé délce zirkonové slitiny plášťové trubky, například z patentu US 5 073 336. Takové pokovení napomáhá ochraně, avšak komplikuje výrobu a nevyužívá optimálních předností nízké schopnosti absorbovat neutrony zirkonovou slitinou samotnou.

Vyhodnocováním poruch palivových tyčí, způsobených úlomky, se zjistilo, že většina poruch vzniká brzy v prvním cyklu ozáření. Vlivem odírání, způsobeného úlomky, se vyskytují poruchy zpravidla v místě palivové tyče blízko spodní mříže. Spolu s ohřevem za provozu reaktoru a v přítomnosti vodného chladivá je povrch palivové tyče stále více oxidován, což zlepšuje odolnost palivové tyče proti poškození odíráním v průběhu času. Proto je podle vynálezu palivová tyč předem oxidována v kritické oblasti u spodní mříže a pod ní k zajištění předběžné dodatečné ochrany proti poškození odíráním. Toho se dosahuje ohřevem za přítomnosti kyslíku způsobem, jenž bude dále podrobně popsán.

Úkolem vynálezu je zvětšit tloušťku povrchové oxidace na vnější straně palivové tyče ze zirkonové slitiny ve zvláštních oblastech, vystavených opotřebení v počátečním provozu palivové tyče místním ohřevem za přítomnosti kyslíku před prvním použitím palivové tyče.

Dále je úkolem vynálezu zvětšit tvrdost povrchu palivové tyče ze zirkonové slitiny oxidací vnějšího povrchu tyče v omezené délce, sousedící se spodní mříží palivového článku, ke zlepšení ochrany proti poškození odíráním úlomky, zachycenými na spodní mříži nebo pod ní.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol splňuje palivový článek se spodní tryskou a s alespoň jednou mříží, umístěnou v odstupu od spodní trysky, přičemž mříž je opatřena objímkami, v nichž jsou umístěny palivové tyče, orientované navzájem rovnoběžně pro umožnění průtoku chladivá palivovými tyčemi ve směru, rovnoběžném s podélným rozložením palivových tyčí a mříží, přičemž každá palivová tyč

-2CZ 285357 B6 je uložena v mříži v místě mřížové podpěry, vzdáleném od konce příslušné palivové tyče ve směru průtoku chladivá, přičemž každá palivová tyč obsahuje štěpné palivo, umístěné v trubkovém plášti v podobě dutého hřídele, provedeném ze slitiny zirkonia, podle vynálezu, jehož podstatou je, že trubkový plášť každé palivové tyče je opatřen povlakem z oxidu zirkoničitého, rozkládajícím se v podstatě po celém jeho vnějším povrchu, přičemž povlak z oxidu zirkoničitého obsahuje část na vnějším povrchu trubkového pláště v místě mřížové podpěry, která je podstatně tlustší než povlak z oxidu zirkoničitého na zbývající délce trubkového pláště.

Podle výhodného provedení vynálezu se část na vnějším povrchu trubkového pláště, která je podstatně tlustší, rozkládá od místa mřížové podpěry až ke konci trubkového pláště.

Tloušťka tlustší části je s výhodou 2 až 15 pm.

Místo mřížové podpěry se s výhodou nachází v rozmezí od 100 do 200 mm od konce trubkového pláště.

Zlepšení podle vynálezu se tedy dosahuje předběžným zpracováním palivových tyčí ze zirkonové slitiny k vytvoření oxidové vrstvy se zvětšenou tloušťkou k ochraně vnějšího povrchu tyčí proti poškození odíráním úlomky, zachycenými v palivovém článku a vrhanými proti palivové tyči u spodní nosné mříže palivového článku a pod ní. Toho se dosáhne ohřevem tyče v atmosféře, obsahující kyslík, a vytvořením zesílené povrchové vrstvy oxidu zirkoničitého mezi spodní mříží a koncem palivové tyče. Zesílená povrchová vrstva může mít tloušťku 2 až 15 pm a může zasahovat 100 až 200 mm od konce trubky až do místa, kde je tyč podepřena objímkou ve spodní mříži. Část, která má být chráněna, se zahřívá na teplotu 400 až 870 °C v průběhu až jedné hodiny, například elektromagnetickým indukčním ohřevem, ohřevem v peci, elektrickým odporovým ohřevem a ohřevem pomocí laserového záření. Tato část může být uzavřena při ohřevu v nádobě v plynném prostředí s tlakem plynů a/nebo s koncentrací kyslíku, větší než v atmosféře, nebo ve směsi kyslíku s inertním plynem.

Přehled obrázků na výkresech

Na obrázcích je znázorněno několik příkladných provedení způsobu podle vynálezu. Vynález však pochopitelně není omezen na přesné uspořádání uvedené, v příkladech, a uspořádání je obměnitelné v rozsahu patentových nároků.

Na obr. 1 je nárys palivového článku podle vynálezu s palivovými tyčemi s ochrannou vrstvou oxidu zirkoničitého, obr. 2 znázorňuje řez jednou palivovou tyčí, znázorňující ochrannou oxidovou vrstvou, obr. 3 schematicky narůstání ochranné oxidové vrstvy v atmosférickém kyslíku v peci, obr. 4 narůstání ochranné oxidové vrstvy za podmínek neatmosférického tlaku a/nebo obsahu plynu, obr. 5 graf závislosti doby a teploty zpracování na vytváření ochranné oxidové vrstvy podle vynálezu u trubky ze slitiny Zirkaloy-4 ve vzduchu, obr. 6 graf závislosti doby a teploty zpracování na vytváření ochranné oxidové vrstvy podle vynálezu u trubky Zirlo ve vzduchu, obr. 7 schematicky indukční ohřev podle vynálezu k vytvoření oxidové vrstvy, obr. 8 schematicky elektrický odporový ohřev podle vynálezu k vytvoření oxidové vrstvy a obr. 9 schematicky vytváření oxidové vrstvy aplikací laserového záření.

Příklady provedení vynálezu

Podle vynálezu se zabraňuje poškozování palivové tyče 20, vyvolané úlomky, vytvářením vrstvy oxidu zirkoničitého podél spodních 100 mm palivové tyče 20, to je v oblasti, kde se nachází

-3 CZ 285357 B6 palivová tyč 20 pod spodní mříží 32 palivového článku 34. Tato ochranná vrstva je tvrdá a hustá a je na palivové tyči 20 vytvořena předběžně, před prvním radiačním cyklem. Spolu se strukturou spodní trysky 36, filtrující úlomky, zajišťuje tato tlustá vrstva oxidů vysoký stupeň ochrany proti poškozování odíráním úlomky, vedoucímu k netěsnosti palivových tyčí 20.

Obr. 1 znázorňuje spodní část palivového článku 34. Palivový článek 34 má spodní trysku 36 otevřenou k průchodu chladivá směrem vzhůru. Palivové tyče 20 podpírá řada spodních mříží 32, umístěných vzdáleně od spodní trysky 36. Spodní mříže 32 tvoří obvykle otevřený, navzájem propojený, rám, spojený se spodní tryskou 36 a horní tryskou. Znázorněna je pouze spodní tryska 36. Spodní mříže 32 mají četné objímky pro palivové tyče 20 v těsném svislém rovnoběžném uspořádání. Spodní mříže 32 umožňují také proudění chladivá kolem palivových tyčí 20, zejména mezi spodní tryskou 36 a nejníže položenou spodní mříží 32.

Každá palivová tyč 20 sestává ze štěpného paliva a trubkového pláště 28. vytvořeného jako podlouhlý dutý hřídel ze zirkonové slitiny, jako je Zirkaloy nebo Zirlo. Zirkon na vzduchu oxiduje a trubkový plášť 28 má oxidový povlak 22, tvořený oxidem zirkoničitým. Podle vynálezu je oxidový povlak zesilován v kritické oblasti mezi spodní tryskou 36 a nejníže položenou spodní mříží 32. Na vnějším povrchu trubkového pláště 28 má oxidový povlak 22 část 24, přiléhající k mřížové podpěře 26, přičemž část 24 je podstatně tlustší než oxidový povlak 22 podél zbývající délky trubkového pláště 28.

Je možno vytvořit tlustý ochranný oxidový povlak 22 v sousedství každé spodní mříže 32. Avšak většina problémů s odíráním úlomky se vyskytuje pod spodní mříží 32. Proto část 24 oxidu zirkoničitého na vnějším povrchu trubkového pláště 28, jež je podstatně tlustší, zasahuje s výhodou od mřížové podpěry 26 spodní mříže 32 ke spodnímu konci trubkového pláště 28, kde je trubkový plášť 28, obsahující palivo, uzavřen koncovou zátkou 42.

Předběžná oxidace palivových tyčí 20 podél části 24 se provádí na leptané, leštěné nebo surové trubce trubkového pláště 28 ze slitiny na bázi zirkonu, jež byla s výhodou předem svařena s koncovou zátkou 42 na konci palivové tyče 20.

Zesílenou vrstvu oxidu zirkoničitého v části 24 lze získat vystavením palivové tyče 20 působení normální koncentraci atmosférického tlaku, to je 20 % kyslíku a 80 % dusíku, a tlaku. Alternativní může být vystavení působení směsi kyslíku a inertního plynu, jako argonu nebo hélia, za zvýšeného tlaku. Čas, teplota a koncentrace kyslíku se s výhodou volí k vytvoření ochranné vrstvy v části 24 o tloušťce nejméně 2 až 15 mikrometrů. Ochranná vrstva části 24 je podél palivové tyče 20 pod mřížovou podpěrou 26 v místě, kde palivovou tyč 20 podpírá spodní mříž 32 palivového článku 34, zejména u spodní mříže 32 apod ní, nebo 100 až 200 mm od spodu palivové tyče 20. Vzájemná poloha ochranné oxidové vrstvy v části 24 spodní mříže 32 a spodní trysky 36 je patrná z obr. 1 a ochranná vrstva v části 24 je znázorněna v řezu na obr. 2.

Ohřev může být proveden mnoha způsoby, například elektromagnetickou indukcí, ohřevem v peci, elektrickým odporem a aplikací laserového záření. Ohřívat lze za zvýšeného tlaku plynů v autoklávu. Trubkový plášť 28 se zahřívá na teplotu 600 až 870 °C po dobu jedné hodiny při atmosférickém tlaku a atmosférické koncentraci kyslíku k zajištění ochranné vrstvy v části 24, jak je patrné z obr. 2.

Na obr. 3 je uspořádání s ohřevem v peci. Spodní konce zpracovávaných palivových tyčí 20 ze slitiny zirkonu procházejí pecí 52 za normálního tlaku atmosférického kyslíku. Každá palivová tyč 20 má předem přivařenou koncovou zátku 42. Palivová tyč 20 se může ohřát na vysokou teplotu v krátkém čase, nebo se může ohřívat na nižší teplotu po delší dobu k dosažení nárůstu tloušťky oxidového povlaku 22 oxidu zirkoničitého na požadovanou míru v části 24 palivové lyce 20, jež bude umístěna u spodní mříže 32 palivového článku 34 apod ní. Ohřevem

-4CZ 285357 B6 zpracovávané palivové tyče 20 mohou spočívat na neznázoměném suportu, s konci zastrčenými do pece 52, posouvaném bočně vůči jejich délce, a/nebo se mohou v průběhu procesu odvalovat.

Atmosféra kolem palivových tyčí 20 při tepelném zpracování musí obsahovat kyslík, avšak kyslík nemusí mít normální koncentraci a tlak, odpovídající atmosférickým podmínkám. Zvýšení koncentrace kyslíku a tlaku plynu zkracuje proces k vytvoření ochranného povlaku v části 24. Jak je patrné z obr. 4, mohou se palivové tyče 20 zahřívat v plynném prostředí kyslíku a inertního plynu k vytvoření zesíleného povlaku oxidu zirkoničitého v části 24. K ohřevu palivových tyčí 20 v plynném prostředí za jiných, než atmosférických podmínek, mohou být palivové tyče 20 částečně zasunuty do pece 52 a tvořit tak nádobu 54, obklopující alespoň konce palivových tyčí 20 ve zpracovávané části 24.

Graf na obr. 5 znázorňuje závislost doby zpracování a teploty, potřebné k vytvoření ochranné oxidické vrstvy v části 24 trubkového pláště 28 ze slitiny Zirkaloy-4 ve vzduchu. Podobně graf na obr. 6 znázorňuje závislost doby zpracování a teploty, potřebné k vytvoření ochranné oxidické vrstvy v části 24 trubkového pláště 28 ze slitiny Zirlo ve vzduchu. Jak z diagramů vyplývá, je tloušťka ochranné oxidické vrstvy v části 24 tlustá s výhodou 3 až 9 mikrometrů a lze ji vytvořit ohřevem při znázorněné prodlevě a teplotě.

Na obr. 7 až 9 je znázorněno několik alternativních způsobů ohřevu zpracovávaných palivových tyčí 20 v části 24. Na obr. 7 je ohřev elektromagnetickou indukcí. Proud v zirkonové slitině palivové tyče 20 se indukuje aplikací střídavého proudu do cívky 62 a odporový ohřev indukovaným proudem zvýší teplotu palivové tyče 20 k vytvoření oxidické vrstvy.

Elektrického odporového ohřevu je možno též použít přímo připojením elektrických vodičů ke každé straně části 24, jak je patrné z obr. 8. V takovém případě se mezi koncovou zátku 42 palivové tyče 20 a polohu mřížové podpěry 26, jež bude na palivovém článku 34 sousedit se spodní mříží 32. zapojí zdroj 66 vysokého proudu o nízkém napětí. Elektrická energie, takto připojená k palivové tyči 20, se promění v teplo, jež podpoří oxidaci. Obr. 9 znázorňuje ohřev palivové tyče 20 laserovým zářením k vytvoření oxidické vrstvy. Na vnější povrch palivové tyče 20 může zářit laser 68 CO₂ nebo Nd-YAG a lokálně zahřívat zirkonovou slitinu k podpoření oxidace.

Podle obr. 1 je palivová tyč 20 umístěna v palivovém článku 34 tak, že její ochranný oxidovaný konec je u spodní mříže 32 palivového článku 34 a pod ní. (Neznázoměné) úlomky, které procházejí směrem vzhůru s chladivém spodní tryskou 36, jež je s výhodou typu, filtrujícího úlomky, se zachytí mezi spodní tryskou 36 a spodní mříží 32, nebo se popřípadě na spodní mříži 32 uloží. Úlomky jsou promíchávány vzhůru směřujícím proudem chladivá. Ochranná oxidická vrstva v části 24 je tvrdá a hustá a chrání zirkonovou slitinu před poškozením oděrem, obzvlášť v počátečních cyklech radiace palivové tyče 20, než se vnější povrch palivové tyče 20 úplně zoxiduje provozním ohřevem chladicí vodou jaderného reaktoru na porovnatelnou oxidovanou tloušťku.

Palivové tyče 20 na jaderné palivo ze zirkonové slitiny se chrání proti poškození oděrem úlomky, zachycenými palivovým článkem a míšením vrhanými na palivovou tyč 20 v místě spodní mříže 32 palivového článku 34 tím, že se vytvoří zesílené vrstvy oxidu zirkoničitého v části 24 mezi spodní mříží 32 a koncovou zátkou 42 palivové tyče 20 ohřevem palivové tyče 20 v atmosféře, obsahující kyslík.

Claims (4)

1. Palivový článek se spodní tryskou (36) a s alespoň jednou mříží (32), umístěnou v odstupu od spodní trysky (36), přičemž mříž (32) je opatřena objímkami, v nichž jsou umístěny palivové tyče (20), orientované navzájem rovnoběžně pro umožnění průtoku chladivá palivovými tyčemi (20) ve směru, rovnoběžném s podélným rozložením palivových tyčí (20) a mříží (32), přičemž každá palivová tyč (20) je uložena v mříži (32) v místě mřížové podpěry (26), vzdáleném od konce příslušné palivové tyče (20) ve směru průtoku chladivá, přičemž každá palivová tyč (20) obsahuje štěpné palivo, umístěné v trubkovém plášti (28) v podobě dutého hřídele, provedeném ze slitiny zirkonia, vyznačující se tím, že trubkový plášť (28) každé palivové tyče (20) je opatřen povlakem (22) z oxidu zirkoničitého, rozkládajícím se v podstatě po celém jeho vnějším povrchu, přičemž povlak (22) z oxidu zirkoničitého obsahuje část (24) na vnějším povrchu trubkového pláště (28) v místě mřížové podpěry (26), která je podstatně tlustší než povlak (22) z oxidu zirkoničitého na zbývající délce trubkového pláště (28).

2. Palivový článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že část (24) na vnějším povrchu trubkového pláště (28), která je podstatně tlustší, se rozkládá od místa mřížové podpěry (26) až ke konci trubkového pláště (28).

3. Palivový článek podle nároku 2, vyznačující se tím, že tloušťka tlustší části (24) je 2 až 15 pm.

4. Palivový článek podle nároku 2, vyznačující se tím, že místo mřížové podpěry (26) se nachází v rozmezí od 100 do 200 mm od konce trubkového pláště (28).