EA016367B1 - Ядерное топливо в виде таблетки с улучшенной структурой - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к таблетке с ядерным топливом для ядерных реакторов. Таблетка имеет продолговатую форму вдоль оси (z), при этом на радиально внешней поверхности таблетки, которая соответствует настоящему изобретению, расположен по меньшей мере один исходный участок (R2) разлома, способствующий ее разламыванию в плоскости, по существу, перпендикулярной данной оси (z). При повышении температуры таблетки она разламывается вдоль исходных участков разлома на несколько фрагментов, коэффициенты продолговатости которых меньше коэффициента продолговатости целой таблетки, что способствует уменьшению нагрузок на оболочку, вмещающую данные таблетки.

Description

Настоящее изобретение относится к ядерному топливу для ядерных реакторов.

Более конкретно оно относится к топливу в виде таблеток, загружаемых в топливные сборки, которые используются в реакторах, в частности, для производства электроэнергии.

Таблетки ядерного топлива могут быть использованы в следующих реакторах: реакторах с водой под давлением (РОТВ), кипящих реакторах, реакторах на быстрых нейтронах и др.

В реакторах вышеупомянутых типов используют трубки СС (стержневые твэлы), сгруппированные между собой с помощью дистанционирующих решеток СВ и других элементов (фиг. 1). В оболочку СЛ каждого стержневого твэла (фиг. 2) загружают определенное количество топливных таблеток РА. Топливные таблетки могут быть изготовлены, к примеру, из диоксида урана ИО₂ с добавлением присадок или без них. Оболочка СА может быть изготовлена, к примеру, из циркониевого сплава. Таблетки РА удерживаются в оболочке с помощью верхней торцевой заглушки В§ и нижней торцевой заглушки ΒΙ и прижаты друг к другу, по меньшей мере, с помощью одной пружины КЕ.

В примере, проиллюстрированном фиг. 3, каждая таблетка РА напоминает, по существу, сигаретный фильтр. Она имеет форму цилиндра, высота которого составляет, к примеру, около 13 мм (вдоль оси ζ), а диаметр около 8 мм. В зависимости от области применения таблетка РА может быть полой или сплошной. Она может быть и частично полой и содержать, к примеру, углубление. Диаметр оболочки СА составляет около 9 мм, а ее высота около 4 м.

Таким образом, ядерное топливо реактора с водой под давлением имеет вид таблеток РА, размещенных в оболочках СА, которые удерживают таблетки и продукты деления во избежание их распространения в воде первого контура. Полученные твэлы размещают в топливной сборке (к примеру, в виде решетки из 17x17 твэлов), механическая прочность которой обеспечивается решетками СК, как показано на фиг. 1.

Оболочка СА каждого стержневого твэла образует первый защитный барьер на пути выхода продуктов ядерного деления. Данная оболочка должна оставаться целостной во всех режимах нормальной работы реакторов вышеуказанных типов, а также при всех аварийных ситуациях на данных реакторах.

При повышении мощности реактора в топливных таблетках происходят реакции деления, в ходе которых выделяется тепло. На фиг. 4Ь показано распределение тепла в таблетке РА по координатам, приведенным на фиг. 4а (геометрические размеры изображенной таблетки пропорциональны ее истинным размерам). При нормальной работе реактора и при его работе на полной мощности распределение тепла вдоль диаметра таблетки имеет, по существу, форму параболы, при этом в центре таблетки температура составляет около 1200°С, а на ее краях около 400°С (края соответствуют координатам -К и + В по оси х, изображенной на фиг. 4Ь, причем данная ось перпендикулярна оси ζ). При росте температуры в центре таблетки РА происходит ее тепловое расширение и радиальная деформация, которая особенно высока на верхнем и нижнем краях таблетки. Таким образом, из-за теплового расширения таблетка принимает форму диаболо с радиальными выступами РВ (фиг. 5).

На фиг. 5 пунктиром обозначена исходная форма таблетки (до повышения температуры), а сплошной линией - форма распухшей таблетки. В частности, кроме равномерного радиального расширения ΔΒ средней части таблетки заметно увеличение Δε диаметра на краях таблетки. Это избыточное расширение Δε более выражено на нижнем и верхнем краях цилиндрической таблетки конечных размеров, что связано с краевыми эффектами на цилиндре.

На фиг. 6а, 6Ь и 6с показано постепенное увеличение температуры таблеток РА в оболочке СА, которое приводит к вышеупомянутому увеличению Δε диаметра на краях таблеток и механическим нагрузкам СВ на оболочку СА. Такие нагрузки способствуют разупрочнению оболочки, при этом чем больше избыточное расширение Δε, тем сильнее разупрочнение оболочки. Кроме того, после использования твэла на радиальной поверхности его оболочки были заметны чешуйки, расстояние между которыми соответствовало высоте таблетки (фиг. 6).

Следует отметить, что с ростом температуры в таблетках образуются трещины ΡΙ8, которые распределены в них случайным образом (фиг. 6Ь и 6с). Кстати, тепловой градиент, приложенный к керамической таблетке, создает в ней сильную растягивающую нагрузку, поскольку керамика - хрупкий материал.

Как видно из фиг. 7, дополнительное увеличение Δε диаметра таблетки связано с коэффициентом ее продолговатости, который обычно равен отношению к/Ό ее высоты к к диаметру Ό. На фиг. 7 показана зависимость дополнительного увеличения Δε диаметра таблетки от коэффициента к/Ό ее продолговатости. Эта зависимость имеет единственный максимум при коэффициенте к/Ό продолговатости, равном Ь (который составляет, к примеру, около 0,9-1,3). Высота таблетки, соответствующей известному уровню техники, составляет около 13 мм, а ее диаметр - около 8 мм, то есть коэффициент к/Ό ее продолговатости близок к с = 1,6 (стрелка АА на фиг. 7 соответствует известному уровню техники), поэтому дополнительное увеличение Δε диаметра на концах таблетки все еще существенно и близко к максимуму.

Избыточное расширение Δε таблетки можно ограничить за счет коэффициента к/Ό продолговато

- 1 016367 сти, который меньше значения Ь и приблизительно равен, к примеру, значению а, меньше или равному 0,5 (стрелка ΙΝν на фиг. 7 соответствует настоящему изобретению). В данном примере осуществления настоящего изобретения высота таблеток должна составлять около 3 мм при прежнем диаметре 8 мм. Такие таблетки обычно имеют форму плоского элемента для часов. Недостатком данных таблеток является трудность их размещения в 4-метровой оболочке, поскольку при этом по меньшей мере часть таблеток поворачивается и принимает в оболочке наклонную позицию.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков.

Таблетка ядерного топлива, соответствующая настоящему изобретению, имеет, как правило, продолговатую форму вдоль одной оси (в примере, проиллюстрированном фигурой, - это ось ζ).

На внешней поверхности таблетки, соответствующей настоящему изобретению, имеется по меньшей мере один участок преимущественного разлома, способствующий разламыванию таблетки, по существу, в плоскости, которая пересекает вышеупомянутую ось.

Участок преимущественного разлома обычно представляет собой углубление на внешней поверхности таблетки, выполненное в виде ν-образной или другой канавки; принцип изобретения состоит в том, что при повышении температуры таблетки она может разломаться в плоскости, пересекающей ось ζ (к примеру, перпендикулярной ей), которая изображена на фиг. 3.

В предпочтительном примере осуществления таблетка содержит более одного участка преимущественного разлома, благодаря чему коэффициент продолговатости каждого отколовшегося куска меньше или приблизительно равен 0,5 и параметр Де, представленный на фиг. 7, значительно снижается по сравнению с параметром Де таблеток, которые соответствуют предыдущему уровню техники (стрелка АА). В частности, число участков преимущественного разлома, имеющихся на таблетке, может быть выбрано в соответствии с количеством фрагментов, на которые должна разломаться таблетка, при этом отношение высоты каждого фрагмента к его ширине должно быть меньше или приблизительно равно 0,5.

Таким образом, если исходное отношение высоты таблетки к ее ширине превышает 1,5 или приблизительно равно ему, то предпочтительно снабдить таблетку по меньшей мере двумя участками преимущественного разлома, которые могут быть расположены, по существу, на уровне одной трети и двух третей высоты таблетки соответственно.

В нижеприведенном примере осуществления таблетка содержит три участка преимущественного разлома, при этом коэффициент ее продолговатости близок к 1,6.

Кроме того, другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из нижеследующего подробного его описания и прилагаемых чертежей, на которых фиг. 1 - сборка стержневых твэлов, фиг. 2 - разрез стержневого твэла, фиг. 3 - таблетка ядерного топлива, расположенная в оболочке стержневого твэла, фиг. 4а - пропорции обычной таблетки, фиг. 4Ь - распределение температуры в таблетке во время реакции ядерного деления, при работе реактора в нормальном режиме на полной мощности, фиг. 5 - распухание таблетки во время реакции деления, при работе реактора в нормальном режиме на полной мощности, фиг. 6а-6с - деформация таблеток за счет увеличения их температуры во время реакции ядерного деления, ведущая к нагрузкам СК. на оболочку, фиг. 7 - изменение дополнительного увеличения Де диаметра таблетки на ее нижнем и верхнем краях в зависимости от коэффициента Ιι/И продолговатости таблетки, фиг. 8а-8с - различные примеры осуществления участка преимущественного разлома таблетки, соответствующего настоящему изобретению, фиг. 9а - таблетка, содержащая три участка преимущественного разлома, которые соответствуют предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения, фиг. 9Ь - таблетка по фиг. 9а во время реакции ядерного деления, сопровождающейся первоначальным увеличением температуры таблетки, при котором образуются новые таблетки в соответствии с настоящим изобретением, фиг. 10а - схема установки для выполнения участков преимущественного разлома таблеток способом, соответствующим настоящему изобретению, и фиг. 10Ь - разрез спекательной формы для изготовления таблеток с участками преимущественного разлома в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 9а изображена таблетка, соответствующая настоящему изобретению, высота которой относится к ее ширине примерно как 1,6. Таблетка РА снабжена тремя участками преимущественного разлома, которые расположены, по существу, на уровне четверти Ζ1, половины Ζ2 и трех четвертей Ζ3 высоты 11 таблетки соответственно. Таким образом, при первоначальном нарастании мощности реактора таблетка разламывается по меньшей мере на четыре куска РА1, РА2, РА3 и РА4, как показано на фиг. 9Ь, при этом коэффициент продолговатости каждого куска составляет около 0,4. Как видно из фиг. 7, при коэффициенте продолговатости 0,4 куска РА1, РА2, РАЗ или РА4 дополнительное увеличение Де' их диаметров,

- 2 016367 по существу, меньше дополнительного увеличения Де диаметра целой таблетки, коэффициент продолговатости которой 1,6. В результате при низком значении Де' каждого из кусков РА1-РА4 таблетки (фиг. 9Ь) нагрузки на оболочку СА значительно уменьшаются.

Для лица, сведущего в данной области техники, очевидно, что для ограничения избыточного расширения Де таблетки можно аналогичным образом подобрать коэффициент 11/Э продолговатости, превышающий максимальное значение Ь (при постоянном диаметре это означает увеличение высоты таблеток) (фиг. 7). Действительно, при коэффициентах продолговатости, превышающих Ь, избыточное расширение Де снова уменьшается. Однако из-за трещин, образуемых в таблетке, могут возникать осколки, коэффициент продолговатости которых близок к Ь, что не решает проблемы, которая связана с избыточным расширением Де таблеток.

Кроме того, высота таблеток, соответствующих настоящему изобретению, должна до разлома быть больше или составлять около 1 см, к примеру 13 мм при диаметре 8 мм, для их взаимозаменяемости с таблетками, соответствующими известному уровню техники. Таким образом, способ помещения таблеток в оболочку СА остается прежним и, в более общем случае, отсутствует необходимость изменения формы и размеров таблеток, поэтому их избыточное расширение Де и давление на оболочку СА могут быть значительно снижены.

Как видно из фиг. 8а, участок преимущественного разлома таблетки, соответствующей настоящему изобретению, может представлять собой У-образную канавку ΕΝΟ, которая расположена на радиальной поверхности таблетки, по меньшей мере, вдоль дуги окружности, охватывающей данную поверхность.

В примере осуществления, проиллюстрированном на фиг. 8Ь и 8с, канавки К1 или К2 могут быть расположены вдоль всей окружности, лежащей в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна продольной оси ζ таблетки, причем глубина данных канавок, по существу, постоянна.

В примере осуществления, проиллюстрированном на фиг. 8Ь, канавка И-образная, а в примере осуществления, проиллюстрированном на фиг. 8с, - У-образная. Пример осуществления, проиллюстрированный на фиг. 8с, может быть предпочтителен, поскольку при увеличении температуры такой таблетки она разламывается очень быстро. Если канавки К.2 вырезаются путем механической обработки, то необходимо использовать остроконечный инструмент. В общем случае от формы и/или глубины канавки К1 или К2 зависит скорость разламывания таблетки. Однако чем глубже канавка, тем больше ядерного материала необходимо удалить с таблеток, что создает проблему рециклирования материала.

Фиг. 10а иллюстрирует пример осуществления способа обработки таблетки, к которому также относится настоящее изобретение; в соответствии с данным способом на таблетке РА нарезается по меньшей мере один участок преимущественного разлома Ζ2 при одновременном улавливании отходов. При повороте таблетки РА радиально на внешнюю поверхность таблетки воздействует остроконечный инструмент ΒΙ8. Предпочтительно остроконечный инструмент ΒΙ8 зафиксирован на опоре 8И, на которой также зафиксировано всасывающее сопло ВА для непосредственного всасывания образующихся отходов. Таким образом, ядерный материал может быть рециклирован, к примеру, для производства других таблеток.

Способ выполнения исходных участков разлома в таблетке может также включать изготовление таблетки РА непосредственно путем формовки керамической массы, содержащей ядерный материал, в форме МО, внутренняя стенка которой содержит по меньшей мере один выступ в виде ребра ΝΕ, как показано на фиг. 10Ь. Перед спеканием таблетки каждое ребро ΝΕ цилиндрической формы МО выполняет в таблетке отпечаток в виде круговой канавки, к примеру, изображенной на фиг. 8с.

Конечно, настоящее изобретение не ограничено проиллюстрированным выше примером осуществления.

Хотя на чертежах изображены сплошные таблетки, настоящее изобретение может быть применимо к любому типу таблеток, в частности полым таблеткам. Участки преимущественного разлома полых таблеток должны быть также расположены радиально на их внешней поверхности и выполняться путем механической обработки или формования, как описано выше.

Кроме того, выше описаны таблетки в основном цилиндрической формы. В качестве альтернативы могут быть предусмотрены таблетки другой формы, к примеру, продолговатой, параллелепипедной и другой.

В соответствии с вышеописанным предпочтительно, чтобы канавки были расположены на внешней поверхности таблетки вдоль соответствующей окружности, перпендикулярно продольной оси ζ таблетки. Поверхность разлома таблетки по существу также лежит в плоскости, перпендикулярной оси ζ, и если таблетка содержит N канавок, то она разламывается на Ν+1 кусков. Однако она может случайно разломиться на более чем Ν+1 кусков и/или поверхность разлома может лежать в плоскости, не совсем перпендикулярной оси ζ, но пересекающей данную ось.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Таблетка, содержащая ядерное топливо, характеризующаяся тем, что в целом имеет продолговатую форму вдоль оси, при этом таблетка содержит по меньшей мере один участок преимущественного

   - 3 016367 разлома в виде углубления на внешней поверхности таблетки, который способствует разлому таблетки, по существу, в плоскости, пересекающей указанную ось.
2. 2. Таблетка по п.1, характеризующаяся тем, что, по существу, имеет цилиндрическую форму, по существу, с круглым основанием, при этом участок преимущественного разлома выполнен в виде углубления, проходящего, по меньшей мере, вдоль дуги окружности.
3. 3. Таблетка по п.2, характеризующаяся тем, что углубление образует канавку, по существу, постоянной глубины.
4. 4. Таблетка по п.3, характеризующаяся тем, что канавка проходит вдоль всей окружности, лежащей в плоскости, по существу, перпендикулярной указанной оси.
5. 5. Таблетка по п.1, характеризующаяся тем, что содержит заданное число участков преимущественного разлома, способствующих разлому таблетки на ряд фрагментов, при этом для каждого фрагмента отношение высоты к ширине меньше или приблизительно равно 0,5.
6. 6. Таблетка по п.5, характеризующаяся тем, что указанное отношение высоты к ширине больше или приблизительно равно 1,5, при этом таблетка содержит по меньшей мере два участка преимущественного разлома.
7. 7. Таблетка по п.6, характеризующаяся тем, что указанное отношение высоты к ширине составляет около 1,6, при этом таблетка содержит три участка преимущественного разлома, расположенные примерно на уровне четверти, половины и трех четвертей высоты таблетки соответственно.
8. 8. Таблетка по п.6, характеризующаяся тем, что ее высота больше или приблизительно равна 1 см.
9. 9. Способ изготовления таблетки из керамического материала, содержащего ядерное топливо, путем спекания, причем таблетка в целом продолговатой формы вдоль оси и содержит по меньшей мере один участок преимущественного разлома в виде углубления на внешней поверхности таблетки, который способствует разлому таблетки, по существу, в плоскости, пересекающей указанную ось, характеризующийся тем, что обеспечивают форму, содержащую по меньшей мере одно ребро, образующее выступ на внутренней стенке формы.
10. 10. Способ изготовления таблетки путем механической обработки, причем таблетка в целом продолговатой формы вдоль оси и содержит по меньшей мере один участок преимущественного разлома в виде углубления на внешней поверхности таблетки, который способствует разлому таблетки, по существу, в плоскости, пересекающей указанную ось, характеризующийся тем, что вырезают в таблетке по меньшей мере один участок преимущественного разлома и улавливают отходы, получаемые при механической обработке, для их рециклирования.