RU113054U1

RU113054U1 - NON-VENTILATED NUCLEAR REACTOR FUEL

Info

Publication number: RU113054U1
Application number: RU2011114697/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Алексеев; Валерий Иванович Выбыванец; Александр Степанович Гонтарь; Михаил Васильевич Нелидов; Елена Михайловна Ракитская; Валерий Николаевич Сотников
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-01-27

Abstract

1. Невентилируемый тепловыделяющий элемент ядерного реактора, включающий оболочку, сердечник из диоксида урана в виде набора по высоте кольцевых таблеток, инертный газовый заполнитель, компенсационный объем и фиксирующий элемент, отличающийся тем, что оболочка выполнена из жаропрочного монокристаллического материала, сердечник со стороны выхода теплоносителя из реактора на длине, составляющей не менее 0,6-0,8 длины активной зоны, выполнен из таблеток с преимущественно открытой пористостью и размером пор не менее 10 мкм, а фиксирующий элемент и компенсационный объем размещены со стороны входа теплоносителя в реактор и выполнены сообщающимися между собой и с центральным каналом, образованным кольцевыми таблетками и снабженным заглушкой со стороны выхода теплоносителя, при этом отношение объема открытой пористости сердечника к суммарному свободному объему в тепловыделяющем элементе составляет 0,2-0,7. ! 2. Невентилируемый тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала оболочки выбран монокристаллический сплав W+(3÷5) мас.% Та. ! 3. Невентилируемый тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала оболочки выбран монокристаллический сплав W+(1-3) мac.% Nb. ! 4. Невентилируемый тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала оболочки выбран монокристаллический сплав Mo+(3-4) мac.% Nb. ! 5. Невентилируемый тепловыделяющий элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что оболочка из монокристаллического сплава выполнена на всю длину активной зоны протяженностью 300-500 мм. ! 6. Невентилируемый тепловыделяющий элемент по любому из пп.1-5, отличающийся тем, чт� 1. Non-ventilated fuel element of a nuclear reactor, including a shell, a core made of uranium dioxide in the form of a set of annular pellets along the height, an inert gas filler, a compensation volume and a fixing element, characterized in that the shell is made of a heat-resistant monocrystalline material, the core is made from the coolant outlet from reactor over a length of at least 0.6-0.8 of the core length is made of tablets with predominantly open porosity and a pore size of at least 10 μm, and the fixing element and the compensation volume are located on the side of the coolant inlet into the reactor and are made communicating between itself and with a central channel formed by annular pellets and equipped with a plug on the side of the coolant outlet, while the ratio of the volume of open porosity of the core to the total free volume in the fuel element is 0.2-0.7. ! 2. Non-ventilated fuel element according to claim 1, characterized in that the single crystal alloy W + (3 ÷ 5) wt.% Ta is selected as the shell material. ! 3. Non-ventilated fuel element according to claim 1, characterized in that the single crystal alloy W + (1-3) mass% Nb is selected as the shell material. ! 4. Non-ventilated fuel element according to claim 1, characterized in that the single crystal alloy Mo + (3-4) wt% Nb is selected as the shell material. ! 5. Non-ventilated fuel element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the monocrystalline alloy cladding is made over the entire length of the core with a length of 300-500 mm. ! 6. Non-ventilated fuel element according to any one of claims 1 to 5, characterized in that

Description

Полезная модель относится к ядерной технике, а более конкретно - к невентилируемым газозаполненным тепловыделяющим элементам (твэлам) на основе диоксида урана и может быть использована в составе высокотемпературного газоохлаждаемого быстрого реактора ядерной энергетической установки (ЯЭУ) космического назначения.The utility model relates to nuclear engineering, and more specifically, to non-ventilated gas-filled fuel elements (fuel rods) based on uranium dioxide and can be used as part of a high-temperature gas-cooled fast reactor of a space nuclear power plant (NPP).

В патентной и научно-технической литературе достаточно широко представлены и обобщены конструкции невентилируемых твэлов применительно к водо- и газоохлаждаемым реакторам промышленного назначения, которые эксплуатируются при относительно низких рабочих температурах (температура оболочки находится на уровне 300-500°С). Поэтому они не могут быть использованы в составе высокотемпературных реакторов космических ЯЭУ без существенных изменений конструкции и выбора приемлемых топливных и конструкционных материалов.In the patent and scientific and technical literature, the designs of non-ventilated fuel rods are quite widely represented and generalized as applied to water- and gas-cooled reactors for industrial use, which are operated at relatively low operating temperatures (the sheath temperature is at the level of 300-500 ° С). Therefore, they cannot be used as part of high-temperature space nuclear power reactors without significant structural changes and the selection of acceptable fuel and structural materials.

В частности, представлены конструктивные варианты твэла на основе металлического урана с рабочей температурой до 500°С, твэлы газоохлаждаемого реактора на основе диоксида урана со стальной оболочкой, твэлы дисперсионного типа с матрицей из алюминия и его сплавов, для которых рабочая температура оболочки находится в диапазоне 100-230°С, а также твэлы дисперсионного типа с матрицей из нержавеющей стали [см., например, А.С.Займовский, В.В.Калашников, И.С.Головнин. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов, М.: Атомиздат, 1966, с.334-336, с.368, с.382, с.389].In particular, structural variants of a fuel element based on uranium metal with an operating temperature of up to 500 ° C, fuel elements of a gas-cooled reactor based on uranium dioxide with a steel cladding, dispersion type fuel rods with a matrix of aluminum and its alloys for which the working temperature of the cladding are in the range of 100 -230 ° С, as well as dispersion type fuel rods with a stainless steel matrix [see, for example, A.S. Zaimovsky, V.V. Kalashnikov, I.S. Golovnin. Fuel elements of atomic reactors, M .: Atomizdat, 1966, p.334-336, p.368, p.382, p.389].

Твэлы высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (HTGR) промышленного назначения допускают рабочую температуру на топливе из UC₂ или UO₂ до 1500°С. Однако они предназначены для тепловых реакторов и имеют низкую загрузку по делящемуся материалу, так как топливо в виде частиц находится в графитовом замедлителе, а частицы для обеспечения совместимости имеют дополнительное покрытие из SiC. [Б.Фрост. Твэлы ядерных реакторов, М.: Энергоатомиздат, 1986, с.182-183].Fuel rods of industrial high-temperature gas-cooled reactors (HTGR) allow operating temperatures on fuels from UC ₂ or UO ₂ to 1500 ° С. However, they are designed for thermal reactors and have a low charge for fissile material, since the particulate fuel is in a graphite moderator, and the particles have an additional SiC coating to ensure compatibility. [B. Frost. Fuel elements of nuclear reactors, M .: Energoatomizdat, 1986, p.182-183].

Известен невентилируемый газозаполненный твэл, включающий оболочку из циркониевого сплава Н-1, сердечник в виде набора по высоте сплошных или кольцевых таблеток из диоксида урана с закрытой пористостью (плотность ≥ 95% от теоретической) при крупности пор 2-3 мкм, инертный газовый заполнитель, компенсационный объем и фиксирующий элемент, размещенный со стороны выхода теплоносителя. [Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головнин. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, М.: Энергоатомиздат, 1995, с.40-46, с.91].A non-ventilated gas-filled fuel rod is known, including a shell made of H-1 zirconium alloy, a core in the form of a set of continuous or circular uranium dioxide pellets with closed porosity (density ≥ 95% of theoretical) with a pore size of 2-3 μm, an inert gas filler, compensation volume and a fixing element located on the outlet side of the coolant. [F.G. Reshetnikov, Yu.K. Bibilashvili, I.S. Golovnin. Development, production and operation of fuel elements for power reactors. Book 1, Moscow: Energoatomizdat, 1995, pp. 40-46, p. 91].

Этот твэл по конструктивным признакам является наиболее близким к предлагаемому, однако он не обладает длительным ресурсом в условиях высокотемпературной эксплуатации по следующим причинам:This fuel element is structurally closest to the proposed one, however, it does not have a long resource in conditions of high-temperature operation for the following reasons:

- при характерных высоких рабочих температурах твэла космической ЯЭУ (максимальные температуры оболочки и сердечника находятся на уровне 1500°С и 1800°С соответственно) плотный диоксид урана имеет высокую скорость газового распухания (10-20%/% т.а.), что приводит к недопустимой величине радиальной деформации оболочки при рассматриваемых длительных (5-10 лет) ресурсах. [А.С.Гонтарь, М.В.Нелидов и др. Проблемы разработки термоэмиссионных твэлов. Тезисы докл. Отраслевой юбилейной конференции "Ядерная энергетика в космосе". Обнинск, 1990, с.193-195];- at characteristic high operating temperatures of the fuel rod of a space nuclear power plant (maximum shell and core temperatures are at 1500 ° C and 1800 ° C, respectively), dense uranium dioxide has a high rate of gas swelling (10-20% /%, i.e.), which leads to to an unacceptable value of the radial deformation of the shell at the considered long (5-10 years) resources. [A.S. Gontar, M.V. Nelidov et al. Problems of the development of thermionic fuel elements. Abstracts Industry Anniversary Conference "Nuclear Energy in Space". Obninsk, 1990, p.193-195];

- не решена задача обеспечения геометрической стабильности оболочки в начальный период эксплуатации твэла при воздействии одностороннего высокого давления (2-4 МПа) газового теплоносителя;- the problem of ensuring the geometrical stability of the cladding in the initial period of operation of a fuel rod under the influence of one-sided high pressure (2-4 MPa) of a gas coolant has not been solved;

- отсутствует обоснование возможности отвода газообразных продуктов деления (ГПД) из полости сердечника в компенсационный объем в условиях массопереноса диоксида урана при высоких рабочих температурах твэла;- there is no justification for the possibility of removal of gaseous fission products (GPA) from the core cavity into the compensation volume under conditions of mass transfer of uranium dioxide at high fuel rod operating temperatures;

- используемый поликристаллический материал оболочки не обеспечивает требуемых жестких ограничений на поступление компонент топлива и продуктов деления в газовый теплоноситель при высоких температурах вследствие зернограничной диффузии.- the polycrystalline shell material used does not provide the required stringent restrictions on the entry of fuel components and fission products into the gas coolant at high temperatures due to grain boundary diffusion.

Перед авторами стояла задача обеспечения пространственной стабильности оболочки высокотемпературного твэла в течение длительного ресурса в условиях воздействия знакопеременных нагрузок со стороны газового теплоносителя, распухающего сердечника на основе диоксида урана и нарастающего давления ГПД в полости твэла при одновременном ограничении поступления продуктов деления и компонент топлива в газовый теплоноситель реактора.The authors were faced with the task of ensuring the spatial stability of the cladding of a high-temperature fuel element for a long life under the influence of alternating loads from the gas coolant, a swelling core based on uranium dioxide and the increasing pressure of the GPA in the fuel rod cavity while restricting the entry of fission products and fuel components into the gas reactor coolant .

Для решения поставленной задачи авторами предложена конструкция невентилируемого тепловыделяющего элемента, включающего оболочку, сердечник из диоксида урана в виде набора по высоте кольцевых таблеток, инертный газовый заполнитель, компенсационный объем и фиксирующий элемент, в котором оболочка выполнена из жаропрочного монокристаллического материала, сердечник со стороны выхода теплоносителя из реактора на длине, составляющей не менее 0,6-0,8 от длины активной зоны, выполнен из таблеток с преимущественно открытой пористостью и размером пор не менее 10 мкм, а фиксирующий элемент и компенсационный объем размещены со стороны входа теплоносителя в реактор и выполнены сообщающимися между собой и с центральным каналом, образованным кольцевыми таблетками и снабженным заглушкой со стороны выхода теплоносителя, при этом отношение объема открытой пористости сердечника к суммарному свободному объему в твэле, который включает общую пористость сердечника и объем центрального канала, составляет 0,2-0,7.To solve this problem, the authors proposed the construction of a non-ventilated fuel element including a shell, a uranium dioxide core in the form of a set of ring pellets in height, an inert gas filler, a compensation volume and a fixing element in which the shell is made of heat-resistant single-crystal material, the core is on the outlet side of the coolant from the reactor at a length of at least 0.6-0.8 of the length of the active zone, made of tablets with predominantly open porosity and size ohm pore of at least 10 μm, and the fixing element and the compensation volume are placed on the side of the coolant inlet to the reactor and are made communicating with each other and with the central channel formed by ring pellets and equipped with a plug on the coolant outlet side, while the ratio of the core open porosity to the total the free volume in the fuel rod, which includes the total porosity of the core and the volume of the central channel, is 0.2-0.7.

В качестве материала оболочки может быть выбран либо монокристаллический сплав W+(3÷5)% мас. Та, либо монокристаллический сплав W+(1-3)% мac. Nb, либо монокристаллический сплав Мо+(3-4)% мac. Nb.As the shell material, either a single crystal alloy W + (3 ÷ 5)% wt. One or single crystal alloy W + (1-3)% wt. Nb, or a single crystal alloy Mo + (3-4)% wt. Nb.

Оболочка из монокристаллического сплава выполнена на всю длину активной зоны протяженностью 300-500 мм.The shell of a single crystal alloy is made over the entire length of the active zone with a length of 300-500 mm.

В качестве газового заполнителя может использоваться Не либо смесь Не+Хе.As a gas filler, He or He + Xe mixture can be used.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.The essence of the utility model is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена конструктивная схема предложенного тепловыделяющего элемента.Figure 1 presents a structural diagram of the proposed fuel element.

На фиг.2 - скорость миграции вакуумных и газозаполненных пор в сердечнике в зависимости от их размера.Figure 2 - migration speed of vacuum and gas-filled pores in the core, depending on their size.

На фиг.1 показаны: 1 - тепловыделяющий сердечник с центральным продольным каналом; 2 - оболочка твэла; 3 - торцевые отражатели; 4 - компенсационный объем; 5 - фиксирующий элемент.Figure 1 shows: 1 - a fuel core with a central longitudinal channel; 2 - cladding of a fuel rod; 3 - end reflectors; 4 - compensation volume; 5 - fixing element.

Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается совместным влиянием взаимосвязанных существенных признаков на ресурсное поведение твэла и обосновывается следующим.The solution of this problem and the achievement of a technical result is ensured by the combined influence of interrelated essential features on the resource behavior of a fuel rod and is justified by the following.

По экспериментальным данным, полученным авторами, открытая пористость в сердечнике 1 на уровне 10-15% приводит к уменьшению скорости газового распухания в 2-2,5 раза при одновременном увеличении скорости ползучести в 5-10 раз. Уменьшение скорости распухания диоксида приводит к соответствующему уменьшению деформации оболочки, а увеличение скорости его ползучести способствует более эффективному перераспределению оболочкой 2 распухающего топлива в направлении центрального канала в тепловыделяющем сердечнике.According to experimental data obtained by the authors, the open porosity in core 1 at a level of 10-15% leads to a decrease in the rate of gas swelling by 2-2.5 times with a simultaneous increase in the creep rate by 5-10 times. A decrease in the rate of swelling of the dioxide leads to a corresponding decrease in the deformation of the shell, and an increase in its creep rate contributes to a more efficient redistribution by the shell 2 of the swollen fuel towards the central channel in the fuel core.

В то же время часть активной зоны по длине твэла, составляющей не более 0,2-0,4 ее общей длины, со стороны входа теплоносителя может эксплуатироваться при относительно низкой температуре диоксида урана (менее 1200°С), когда его газовое распухание не проявляется, а имеющее место практически независящее от температуры твердое распухание не лимитирует ресурс твэла, так как характеризуется низкой скоростью и составляет ~ 0,3%/% т.а. В этом случае целесообразно указанный участок столба топливных таблеток выполнить из плотного диоксида урана (95-97% теоретической плотности), что дает пропорциональное повышение плотности, увеличение содержания ²³⁵U в топливе и соответствующее уменьшение габаритов твэла и реактора в целом. Таким образом, протяженность участка сердечника с открытой пористостью со стороны выхода теплоносителя составляет не менее 0,6-0,8 от длины активной зоны.At the same time, part of the active zone along the length of a fuel rod, which is no more than 0.2-0.4 of its total length, from the inlet side of the coolant can be operated at a relatively low temperature of uranium dioxide (less than 1200 ° C), when its gas swelling does not occur , and the actual swelling that is almost independent of temperature does not limit the fuel rod resource, since it is characterized by a low speed and amounts to ~ 0.3% /%, i.e. In this case, it is advisable to perform the indicated section of the column of fuel pellets from dense uranium dioxide (95-97% of theoretical density), which gives a proportional increase in density, an increase in the content of ²³⁵ U in the fuel, and a corresponding decrease in the dimensions of the fuel rod and the reactor as a whole. Thus, the length of the core section with open porosity on the outlet side of the coolant is at least 0.6-0.8 of the length of the active zone.

Наряду с распуханием вследствие высоких температур рассматриваемого твэла активизировано и газовыделение из диоксида урана, которое также может вносить существенный вклад в деформацию ползучести оболочки. Однако этот процесс не является основным ресурсоограничивающим фактором, поскольку давление ГПД в твэле обычно снижают до приемлемого уровня выбором величины компенсационного объема, который размещается за пределами активной зоны реактора и поэтому в меньшей мере влияет на его массогабаритные характеристики.Along with the swelling due to the high temperatures of the fuel rod under consideration, gas evolution from uranium dioxide is also activated, which can also significantly contribute to the creep strain of the cladding. However, this process is not the main resource-limiting factor, since the GPA pressure in a fuel rod is usually reduced to an acceptable level by selecting the compensation volume, which is located outside the reactor core and therefore to a lesser extent affects its weight and size characteristics.

Поскольку в предложенной конструкции использован диоксид урана с открытой пористостью, то выход ГПД за счет этого дополнительно увеличивается. Проведенные по известной модели Буса оценки показали, что это увеличение не превышает 30-40%. Так как компенсационный объем 4 и фиксирующий элемент 5 конструктивно объединены и выполнены сообщающимися, то свободный объем для компенсации давления ГПД увеличивается за счет свободного объема фиксирующего элемента и по расчетам составляет 1,3-1,5 от значения компенсационного объема до объединения с фиксирующим элементом. Такое увеличение объема является достаточным для компенсации указанного дополнительного газовыделения без увеличения габаритов твэла. Возможность размещения фиксирующего элемента со стороны входа теплоносителя связана с тем, что рабочая температура оболочки на входном участке рассматриваемого твэла достигает 1000-1200°С и является достаточной для быстрой релаксации исходных напряжений в фиксирующем элементе, например, в виде стальной пружины при выходе твэла на номинальный режим работы. Исходные напряжения в фиксирующем элементе необходимы для создания осевого усилия на столб топливных таблеток в обеспечение их вибропрочности в режиме запуска ЯЭУ на целевую орбиту.Since uranium dioxide with open porosity is used in the proposed design, the GPA yield due to this is further increased. Estimates carried out according to the well-known Bus model showed that this increase does not exceed 30-40%. Since the compensation volume 4 and the fixing element 5 are structurally combined and made communicating, the free volume for compensating for the pressure of the GPA increases due to the free volume of the fixing element and is estimated to be 1.3-1.5 from the value of the compensation volume before combining with the fixing element. Such an increase in volume is sufficient to compensate for this additional gas evolution without increasing the dimensions of the fuel rod. The possibility of placing the fixing element on the inlet side of the coolant is due to the fact that the working temperature of the cladding at the input section of the fuel rod under consideration reaches 1000-1200 ° C and is sufficient for quick relaxation of the initial stresses in the fixing element, for example, in the form of a steel spring when the fuel rod reaches its nominal mode of operation. The initial stresses in the locking element are necessary to create axial force on the column of fuel pellets in order to ensure their vibration resistance in the mode of launching the nuclear power plant into the target orbit.

Необходимая величина пористости в диоксиде урана для оптимизации его эксплуатационных характеристик по экспериментальным данным, полученным авторами, составляет, как отмечалось, 10-15%, а допустимая по нейтронно-физическим характеристикам реактора величина суммарного свободного объема пористости и центрального канала в твэлах космических ЯЭУ не превышает 20-30% [Г.М.Грязнов, Е.Е.Жаботинский и др. Термоэмиссионные реакторы-преобразователи космических ЯЭУ. - Атомная энергия, 1989, т.66, вып.6, с.374-377]. Объединение этих требований определяет допустимые значения (0,2-0,7) отношения объема пористости в диоксиде урана к суммарному свободному объему в твэле на длине, где использован диоксид урана с указанной выше пористостью.The necessary porosity in uranium dioxide to optimize its operational characteristics according to experimental data obtained by the authors is, as noted, 10-15%, and the total free volume of porosity and the central channel in the fuel rods of space nuclear power plants, permissible by the neutron-physical characteristics of the reactor, does not exceed 20-30% [G.M. Gryaznov, E.E. Zhabotinsky et al. Thermionic emission reactors-converters of space nuclear power plants. - Atomic energy, 1989, T. 66, issue 6, S. 374-377]. The combination of these requirements determines the permissible values (0.2-0.7) of the ratio of the volume of porosity in uranium dioxide to the total free volume in a fuel rod along the length where uranium dioxide with the above porosity is used.

Эффективность перераспределения распухания диоксида в направлении центрального канала в сердечнике, а также сохранение стабильного диаметрального размера оболочки при одностороннем внешнем давлении газового теплоносителя в начальный период эксплуатации твэла обеспечивается использованием упрочненного монокристаллического сплава, например, W-3% мас. Та, имеющего скорость ползучести при рабочих напряжениях на ~ 3 порядка ниже чем у базового (W_моно) материала. Упрочнение того же уровня достигается и в других монокристаллических сплавах на основе вольфрама, но в рассматриваемом быстром реакторе предпочтительно использовать легирование танталом, который имеет резонансный захват тепловых нейтронов, что способствует ядерной безопасности в аварийной ситуации, связанной с попаданием реактора в воду. Необходимость использования монокристаллического материала оболочки связана с указанным выше высоким эффектом его упрочнения и малым проникновением через оболочку компонентов топлива и продуктов деления: скорость диффузионного проникновения урана через монокристаллическую оболочку на ~ 2 порядка ниже чем в случае поликристаллического материала. [А.С.Гонтарь, М.В.Нелидов и др. Конструкционные и топливные материалы твэлов термоэмиссионных ЯЭУ. - Атомная энергия, 2005, т.99, вып.5, с.365-371].The efficiency of the redistribution of the swelling of the dioxide in the direction of the central channel in the core, as well as the maintenance of a stable diametrical size of the shell at one-sided external pressure of the gas coolant in the initial period of operation of the fuel rod is ensured by using a hardened single-crystal alloy, for example, W-3% wt. One with a creep rate at operating stresses is ~ 3 orders of magnitude lower than that of the base (W _mono ) material. Hardening of the same level is achieved in other tungsten-based single crystal alloys, but in the fast reactor under consideration, it is preferable to use tantalum doping, which has resonant capture of thermal neutrons, which contributes to nuclear safety in an emergency involving a reactor falling into water. The need to use single-crystal shell material is associated with the above high effect of its hardening and low penetration of fuel components and fission products through the shell: the diffusion rate of uranium through a single-crystal shell is ~ 2 orders of magnitude lower than in the case of polycrystalline material. [A.S. Gontar, M.V. Nelidov et al. Structural and fuel materials of fuel elements of thermionic nuclear power units. - Atomic energy, 2005, vol. 99, issue 5, p. 365-371].

Возможность легирования сплава W-Ta до ~ 5% мас. Та с целью дальнейшего снижения скорости ползучести в 5-7 раз без существенной потери пластичности позволяет эксплуатировать твэл при относительно более высоком давлении ГПД в твэле, уменьшив за счет этого величину компенсационного объема и улучшив тем самым массогабаритные характеристики твэла и реактора в целом.The possibility of alloying the alloy W-Ta up to ~ 5% wt. That, in order to further reduce the creep rate by 5-7 times without significant loss of ductility, allows the fuel rod to be operated at a relatively higher GPA pressure in the fuel rod, thereby reducing the compensation volume and thereby improving the overall dimensions of the fuel rod and the reactor as a whole.

В обоснование выбора преимущественного размера и вида технологических пор на фиг.2 представлены расчетные значения скорости миграции вакуумных и заполненных инертным газом (Не, Хе) пор в зависимости от их размера и газового давления. Расчеты проведены для наиболее напряженного поперечного сечения рассматриваемого нами твэла, с жестким сочетанием в нем температуры (1750°С) и температурного градиента (900 град/см). Минимальное рабочее давление инертного газа принято равным 0,4 МПа, что соответствует обычно используемому для уменьшения перепада температуры в зазоре между сердечником и оболочкой давлению заполнения гелием равному ~ 0,1 МПа при комнатной температуре.In support of the choice of the preferred size and type of technological pores, figure 2 presents the calculated values of the migration rate of vacuum and filled with inert gas (He, Xe) pores depending on their size and gas pressure. The calculations were performed for the most strained cross section of the fuel rod under consideration, with a rigid combination of the temperature (1750 ° C) and the temperature gradient (900 deg / cm) in it. The minimum working pressure of the inert gas is taken equal to 0.4 MPa, which corresponds to the helium filling pressure commonly used to reduce the temperature difference in the gap between the core and the shell ~ 0.1 MPa at room temperature.

Видно, что в области малых характерных для прототипа размеров пор (<3 мкм) все кривые сливаются в одну, так как в этом случае миграция пор контролируется поверхностной диффузией и поэтому практически не зависит от среды и давления в поре, остается одинаковой для закрытых пор, как в прототипе, так и при использовании открытой пористости. Реализуемые в этом случае высокие скорости миграции не позволяют исходную пористость локализовать в сердечнике в течение заданного длительного ресурса 5-10 лет: при характерной толщине стенки таблетки 3-4 мм пористость, как следует из фиг.2, выходит из топлива за времена существенно меньшие ресурса.It can be seen that in the region of small pore sizes characteristic of the prototype (<3 μm), all the curves merge into one, since in this case the pore migration is controlled by surface diffusion and therefore practically does not depend on the medium and pressure in the pore, remains the same for closed pores, both in the prototype and when using open porosity. Realized in this case, the high migration rates do not allow the initial porosity to be localized in the core for a given long life of 5-10 years: with a characteristic tablet wall thickness of 3-4 mm, the porosity, as follows from Fig. 2, leaves the fuel for times significantly less than the resource .

Используя как в прототипе закрытую пористость и увеличивая радиус вакуумных пор свыше 5 мкм, снова приходим, как видно из фиг.2, к неприемлемо высоким скоростям миграции, так как в этом случае миграция осуществляется по механизму испарения - конденсации паров диоксида урана. Предлагаемое использование открытой пористости в этом диапазоне размеров пор приводит к существенно более низким скоростям миграции, так как массоперенос в порах осуществляется диффузией молекул диоксида в газовой среде гелия и пористость остается практически стабильной. В случае, когда открытые поры заполнены ксеноном, скорость миграции пор дополнительно снижается примерно на порядок. Этот случай отражает реальные условия работы рассматриваемого твэла, в котором газовое давление за ресурс увеличивается до 2-3 МПа за счет выхода ГПД (в основном ксенона). Поскольку Хе более эффективно, чем Не замедляет массоперенос, то он также может рассматриваться в качестве газового заполнителя твэла предпочтительно в смеси с Не, который существенно увеличивает теплопроводность смеси с низко-теплопроводным Хе.Using the closed porosity as in the prototype and increasing the radius of the vacuum pores over 5 μm, we again come to unacceptably high migration rates, as in FIG. 2, since in this case the migration is carried out by the evaporation – condensation mechanism of uranium dioxide vapor. The proposed use of open porosity in this range of pore sizes leads to significantly lower migration rates, since the mass transfer in the pores is carried out by the diffusion of dioxide molecules in the helium gas medium and the porosity remains almost stable. In the case when the open pores are filled with xenon, the pore migration rate is additionally reduced by about an order of magnitude. This case reflects the actual operating conditions of the fuel rod under consideration, in which the gas pressure over the life increases to 2-3 MPa due to the release of the GPA (mainly xenon). Since Xe is more effective than He does not slow down mass transfer, it can also be considered as a gas filler of a fuel rod, preferably in a mixture with He, which significantly increases the thermal conductivity of a mixture with low-heat Xe.

В целом данные фиг.2 свидетельствуют о стабильности исходных технологических пор диаметральным размером не менее 10 мкм в газовой среде инертного газа при давлении заполнения более 0,1 МПа. Эти данные обосновывают также работоспособность центрального канала сердечника с точки зрения обеспечения отвода ГПД из сердечника в компенсационный объем. Канал благодаря газовому давлению остается не заблокированным конденсатом диоксида урана, так как характерный осевой градиент температуры находится на уровне 100 град/см, а диаметр канала составляет 3-5 мм и таким образом в нем реализуются менее напряженные, чем в порах условия для массопереноса. Центральный канал со стороны входа теплоносителя соединен с компенсационным объемом отверстием в торцевом отражателе 3, а со стороны выхода теплоносителя для предотвращения выноса диоксида урана за пределы активной зоны снабжен заглушкой, в виде верхнего сплошного торцевого отражателя 3.In General, the data of figure 2 indicate the stability of the original process pores with a diametric size of not less than 10 microns in a gaseous inert gas atmosphere with a filling pressure of more than 0.1 MPa. These data also justify the operability of the central channel of the core in terms of ensuring the removal of the GPA from the core into the compensation volume. Due to gas pressure, the channel remains unobstructed by the condensate of uranium dioxide, since the characteristic axial temperature gradient is at the level of 100 deg / cm, and the channel diameter is 3-5 mm and, thus, the conditions for mass transfer are less intense than in the pores. The central channel from the inlet of the coolant is connected to the compensation volume by an opening in the end reflector 3, and from the side of the outlet of the coolant to prevent the removal of uranium dioxide outside the active zone, it is equipped with a plug in the form of an upper solid end reflector 3.

Описанное техническое решение направлено, прежде всего, на снижение газового распухания диоксида урана и сохранение этого эффекта при длительном ресурсе в обеспечение пространственной стабильности твэла при выше указанных рабочих температурах диоксида.The described technical solution is primarily aimed at reducing the gas swelling of uranium dioxide and maintaining this effect with a long life in order to ensure the spatial stability of the fuel rod at the above mentioned working temperatures of the dioxide.

Пример конкретного осуществления полезной модели.An example of a specific implementation of the utility model.

Сердечник 1 тепловыделяющего элемента по настоящей полезной модели выполнен из диоксида урана с преимущественно открытой пористостью 10% в виде кольцевых таблеток с наружным диаметром 14,9 мм и внутренним - 3 мм. Оболочка 2 толщиной 1 мм и внешним диаметром 15 мм изготовлена из упрочненного монокристаллического сплава W+3% мас. Та на всю длину активной зоны протяженностью 500 мм. Скорость ползучести указанного сплава на 3 порядка ниже, чем базового материала W_моно, а коэффициент диффузии урана на ~ 2 порядка ниже чем у W_поли. Внутренняя полость твэла заполнена гелием с давлением 0.1 МПа. Торцевой отражатель 3 высотой 60 мм изготовлен из ВеО, при этом со стороны выхода теплоносителя изготовлен без центрального отверстия и выполняет одновременно функцию торцевой заглушки, предотвращающей вынос диоксида за пределы активной зоны твэла. Отражатель 3 со стороны входа теплоносителя снабжен центральным каналом, соосным с центральным каналом сердечника и выполнен сообщающимися с компенсационным объемом 4 и далее с последовательно размещенным фиксирующим элементом 5 в виде пружины сжатия, изготовленной из прочной стали 10Х11Н2373 МР. Высота компенсационного объема и высота фиксирующего элемента выбраны равными 0,3 и 0,15 от длины активной зоны твэла соответственно.The core 1 of the fuel element according to this utility model is made of uranium dioxide with a predominantly open porosity of 10% in the form of ring tablets with an outer diameter of 14.9 mm and an inner diameter of 3 mm. Shell 2 with a thickness of 1 mm and an external diameter of 15 mm is made of hardened single-crystal alloy W + 3% wt. That for the entire length of the active zone with a length of 500 mm. The creep rate of this alloy is 3 orders of magnitude lower than that of the base material W _mono , and the diffusion coefficient of uranium is ~ 2 orders of magnitude lower than that of W _poly . The internal cavity of a fuel element is filled with helium with a pressure of 0.1 MPa. An end reflector 3 with a height of 60 mm is made of BeO, while on the coolant outlet side it is made without a central hole and at the same time performs the function of an end plug that prevents the removal of dioxide outside the core of the fuel element. The reflector 3 on the inlet side of the coolant is provided with a central channel coaxial with the central channel of the core and made communicating with the compensation volume 4 and then sequentially placed with a locking element 5 in the form of a compression spring made of 10X11H2373 MR steel. The height of the compensation volume and the height of the locking element are selected equal to 0.3 and 0.15 of the length of the active zone of a fuel rod, respectively.

На этапе запуска реактора на орбиту при воздействии на твэл вибрационной нагрузки (с осевой перегрузкой 10 g) напряжения в витках пружины (20 витковдиаметром 2 мм) остаются в упругой области, предотвращают таблетки от разрушения и быстро релаксируют при разогреве твэла, обеспечивая возможность беспрепятственного термического перемещения сердечника относительно оболочки.At the stage of launching the reactor into orbit under the influence of a vibrating load on the fuel element (with an axial overload of 10 g), the stresses in the spring turns (20 turns 2 mm in diameter) remain in the elastic region, prevent the tablets from breaking and quickly relax when the fuel rod is heated, allowing unhindered thermal movement core relative to the shell.

В ресурсе при характерных рабочих параметрах твэла газоохлаждаемой космической ЯЭУ (максимальные значения температуры оболочки и плотности энерговыделения составляют 1500°С и 100 Вт/см³ соответственно) оболочка сохраняет стабильные размеры при воздействии внешнего газового давления 3 МПа, распухающего сердечника и давления ГПД в течение ресурса более 5 лет.In the resource, with the characteristic operating parameters of the fuel element of a gas-cooled space nuclear power plant (the maximum values of the cladding temperature and energy release density are 1500 ° C and 100 W / cm ^3, respectively), the cladding remains stable when exposed to an external gas pressure of 3 MPa, a swelling core, and GPA pressure during the lifetime more than 5 years.

Claims

1. Non-ventilated fuel element of a nuclear reactor, including a shell, a core of uranium dioxide in the form of a set of ring-shaped tablets in height, an inert gas filler, a compensation volume and a fixing element, characterized in that the shell is made of heat-resistant single-crystal material, the core is on the outlet side of the heat carrier from the reactor at a length of at least 0.6-0.8 of the core length is made of tablets with predominantly open porosity and a pore size of at least 10 μm, and the fixing element NT and the compensation volume are placed on the side of the coolant inlet to the reactor and are made communicating with each other and with the central channel formed by ring pellets and equipped with a plug on the coolant outlet side, while the ratio of the core open porosity to the total free volume in the fuel element -0.7.

2. The non-ventilated fuel element according to claim 1, characterized in that a single-crystal alloy W + (3 ÷ 5) wt.% Ta is selected as the shell material.

3. The non-ventilated fuel element according to claim 1, characterized in that the single-crystal alloy W + (1-3) wt.% Nb is selected as the shell material.

4. The non-ventilated fuel element according to claim 1, characterized in that the single-crystal alloy Mo + (3-4) wt.% Nb is selected as the shell material.

5. Non-ventilated fuel element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the shell of a single crystal alloy is made over the entire length of the active zone with a length of 300-500 mm

6. Non-ventilated fuel element according to any one of claims 1 to 5, characterized in that He or a mixture of He + Xe are selected as the gas filler.