CZ36752U1 - Jaderné palivo - Google Patents

Description

Jaderné palivo

Oblast techniky

Technické řešení se týká jaderného paliva na bázi palivové matrice z kovového uranu a palivového pokrytí z Cr-Ni slitiny. Jedná se o palivo se zvýšenou korozní a mechanickou odolností palivového pokrytí a se zvýšeným objemovým obsahem uranu a zvýšenou tepelnou vodivostí. Palivové proutky tohoto jaderného paliva mají pokrytí z Cr-Ni slitiny a alespoň část palivového sloupce je tvořena kovovým uranem nebo jeho slitinami.

Dosavadní stav techniky

Palivo pro energetické jaderné elektrárny s reaktory chlazenými lehkou vodou, jako jsou tlakovodní a varné, případně i pro další typy, jako jsou reaktory moderované grafitem či těžkou vodou, se vyrábí z oxidu uraničitého UO2, který se sintruje do formy keramických pelet. Tyto pelety se následně vkládají do zirkoniového palivového pokrytí, které zadržuje produkty štěpení a zároveň brání průniku chladiva.

Z důvodu nízké hustoty uranu v UO2 je limitována možnost využití paliva zvyšováním jeho vyhoření, nebo snižování obohacení izotopem ²³⁵U. V palivových peletách probíhá v průběhu provozu reaktoru štěpná řetězová reakce, uvolňuje se teplo a vznikají produkty štěpení. Z důvodu nízké tepelné vodivosti keramického paliva je teplotní gradient mezi středem a okrajem pelety až 800 °C, v případě abnormálních či havarijních procesů ještě více. Zvýšená teplota paliva pak v důsledku znamená rychlejší difúzní procesy pro plynné produkty štěpení a nárůst vnitřního tlaku pod pokrytím paliva. Již při nominálním provozu reaktorů dochází kvůli velkému teplotnímu spádu k nárůstu napětí v keramických peletách a k jejich praskání, což může dále vést při přechodových a havarijních stavech reaktorů až k jejich fragmentaci na malé částečky. Palivové pokrytí je tvořeno zirkoniovou slitinou, která má nízký účinný průřez pro absorpci neutronů, ale její životnost v reaktoru je limitována svou korozní odolností a degradací mechanických vlastností v průběhu vyhořívání, a to zejména zavedenými bezpečnostními kritérii při hypotetických havarijních situacích.

V případě havarijních situací a náhlého navýšení teplot v palivu se centrální část paliva může dostat až k teplotě tavení UO2, i když okrajové části pelety jsou na bezpečně nízké teplotě. Dalším problémem je kumulované teplo, které je úměrné integrálu teplotního pole v palivové peletě. V případě ztráty chlazení dochází v prvních okamžicích k potřebě odvést toto teplo z paliva, což zhoršuje bilanci havarijní situace. Cílem je představit řešení, které výše uvedené nevýhody odstraňuje.

Podstata technického řešení

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry jaderné palivo podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že obsahuje alespoň segmenty ze slitiny na bázi kovového uranu s obsahem Mo 0,1 až 15 % hmotn., Si 0,5 až 15 % hmotn. a Zr 0,5 až 30 % hmotn., umístěné do palivové tyče s pokrytím z CrNi-slitiny, obsahujícím nikl v rozmezí 30 až 70 % hmotn., méně než 5 % hmotn. stopových prvků a zbytek je tvořen chromem. Segmenty mohou mít matrici na bázi Zr-slitiny.

Využití CrNi-slitiny jako palivového pokrytí místo Zr-slitiny zajišťuje zvýšení odolnosti bariéry oddělující produkty štěpení a primární chladivo. CrNi-slitina má extrémní korozní a mechanickou odolnost při provozních a havarijních parametrech provozu. Její nevýhodou je zvýšená absorpce tepelných neutronů, která je však kompenzována použitím paliva na bázi kovového uranu.

- 1 CZ 36752 U1

Využití paliva na bázi kovového uranu umožňuje nahrazení paliva UO2 s obsahem U v rozmezí 3 až 4 g/cm³ palivem USi s obsahem U v rozmezí 5 až 6 g/cm³ nebo palivem UMo s obsahem 7 až 9 g/cm³. Možné je využití disperzního paliva, kde se menší segmenty paliva na bázi kovového uranu - U, UMo, USi, spojují v Zr-matrici (Zr-Fe-Cu) a ta je umístěna do pokrytí z CrNi-slitiny.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladné jaderné palivo na bázi kovového uranu a palivového pokrytí z Cr-Ni slitiny se skládá z části palivového pokrytí a části paliva.

Palivové pokrytí obsahuje chrom, nikl a případně další prvky se zastoupením menším než 5 % hmotn. Obsah niklu je v rozmezí 30 až 70 % hmotn., stopových prvků je méně než 5 % hmotn. a zbytek je tvořen chromem. Palivová část obsahuje slitiny na bázi kovového uranu s hmotnostním obsahem Mo 0,1 až 15 %, Si 0,1 až 15 % a Zr 0,1 až 30 %.

Výroba jaderného paliva podle tohoto technického řešení je následující.

Kovový uran obohacený izotopem ²³⁵U od 0,2 % hmotn. do 19,99 % hmotn. je roztaven společně s Mo, Si, Zr. Hmotnostní poměr daných prvků ku celkové hmotnosti je mezi 0 až 20 %. Z kovového uranu jsou vyrobeny segmenty, které jsou umístěny do palivové tyče s pokrytím z CrNi-slitiny. V případě disperzního paliva jsou uvnitř palivového pokrytí segmenty paliva smíchány se segmenty ze Zr-matrice a po zahřátí nad teplotu tavení matrice dochází k jejich pevnému propojení.

Součástí tohoto technického řešení je tedy jaderné palivo obsahující palivovou tyč sestavenou z pokrytí z CrNi-slitiny a obsahující palivo na bázi kovového uranu.

Uvedené technické řešení zvyšuje množství uranu v palivovém proutku na jednotku objemu, tepelnou vodivost paliva, snižuje teplotní gradient v palivu a únik produktů štěpení z palivové matrice. Palivové pokrytí je korozně a mechanicky odolnější při provozních a havarijních situacích. Tento koncept paliva tak poskytuje jadernému palivu bezpečnostní rezervu a umožňuje dosažení vyššího využití paliva.

Nevýhodou tohoto technického řešení je zvýšení účinného průřezu pro tepelné neutrony u palivového pokrytí, to je kompenzováno vyšším množstvím štěpitelného materiálu v palivu. Další nevýhodou je nižší teplota tavení paliva, ta by však byla dosažena při extrémních haváriích.

Průmyslová využitelnost

Jaderné palivo podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění v energetických jaderných elektrárnách s reaktory chlazenými lehkou vodou jako jsou tlakovodní a varné, případně i v dalších typech, jako jsou reaktory moderované grafitem či těžkou vodou.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Jaderné palivo, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň segmenty ze slitiny na bázi kovového uranu s obsahem Mo 0,1 až 15 % hmotn., Si 0,5 až 15 % hmotn. a Zr 0,5 až 30 % hmotn., umístěné

   5 do palivové tyče s pokrytím z CrNi-slitiny, obsahujícím nikl v rozmezí 30 až 70 % hmotn., méně než 5 % hmotn. stopových prvků a zbytek je tvořen chromem.
2. 2. Jaderné palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že segmenty mají matrici na bázi Zr-slitiny.