RU18011U1

RU18011U1 - FUEL ELEMENT OF A CHANNEL URANIUM-GRAPHITE REACTOR

Info

Publication number: RU18011U1
Application number: RU2000132617/20U
Authority: RU
Inventors: А.Н. Семенов; В.Н. Тюрин; Г.Н. Шевелев
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2001-05-10

Abstract

1. Тепловыделяющий элемент канального уран-графитового реактора, состоящий из трубки, заглушенной с двух концов пробками, внутри которой размещено ядерное горючее в виде столба из таблеток, поджатых компенсационной пружиной с заданным рабочим усилием к пробке, расположенной в противоположном от компенсационной пружины конце трубки, отличающийся тем, что пробка, к которой поджаты таблетки, выполнена полой в виде стаканчика, между дном которого и столбом из таблеток установлена тонкостенная трубочка с опорными фланцами по торцам и потерей устойчивости при осевых усилиях, превышающих 200% от рабочего усилия компенсационной пружины.2. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что тонкостенная трубочка выполнена из отожженного циркония.3. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что тонкостенная трубочка выполнена из отожженной аустенитной стали марки ОХ18Н10Т.1. The fuel element of a channel uranium-graphite reactor, consisting of a tube plugged at both ends with plugs, inside which is placed nuclear fuel in the form of a column of pellets pressed by a compensation spring with a given working force to a plug located at the end of the tube opposite from the compensation spring, characterized in that the plug, to which the tablets are pressed, is made hollow in the form of a cup, between the bottom of which and the column of tablets, there is a thin-walled tube with support flanges at the ends and loss of stability under axial forces exceeding 200% of the working force of the compensation spring. 2. The fuel element according to claim 1, characterized in that the thin-walled tube is made of annealed zirconium. The fuel element according to claim 1, characterized in that the thin-walled tube is made of annealed austenitic steel grade OX18N10T.

Description

ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ КАНАЛЬНОГО УРАН-ГРАФИТОВОГО РЕАКТОРАFUEL ELEMENT OF A CHANNEL URANIUM-GRAPHITE REACTOR

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), предназначенных для формирования активной зоны уран-графитовых энергетических реакторов тина РБМК-1000 с тепловой мощностью 2600МВт.The utility model relates to nuclear engineering, in particular, to the designs of rod fuel elements (fuel elements) intended for the formation of the active zone of uranium-graphite power reactors of RBMK-1000 type with a thermal power of 2600 MW.

Известна конструкция тепловыделяющего элемента, разработанная применительно к реактору РБМК-1000, (см. патент RU № 2150151, кл. G21C 3/18,1998г.).A known design of a fuel element, developed with reference to the RBMK-1000 reactor, (see patent RU No. 2150151, class G21C 3 / 18,1998).

Известная конструкция твэла представляет собой трубку диаметром 13,68 мм с толщиной стенки 1 мм и длиной около 3 метров с приваренными по концам пробками.The known construction of a fuel element is a tube with a diameter of 13.68 mm with a wall thickness of 1 mm and a length of about 3 meters with plugs welded at the ends.

В трубке размещено ядерное горючее в виде таблеток, плотно прижатых друг к другу с помощью компенсационной пружины, размещенной в одном конце трубки. Таблетки в виде наборного столба прижаты компенсационной пружиной к противоположной от пружины пробке. Компенсационная пружина выполняет несколько функций:The tube contains nuclear fuel in the form of tablets pressed tightly against each other by means of a compensation spring located at one end of the tube. Tablets in the form of a stacked column are pressed by a compensation spring to a stopper opposite from the spring. The compensation spring has several functions:

Первая - обеспечение постоянного сжатия таблеток с рабочим усилием не менее 7 кг, что необходимо для нормальной работы таблеток и твела в активной зоне реактора, вторая функция состоит в компенсации перемещений столба из таблеток за счет термического расширения и сжатия по отношению к стенке трубки в процессе пуска и остановки реактора с сохранением при этом плотного контакта между таблетками, иThe first is to ensure constant compression of the tablets with a working force of at least 7 kg, which is necessary for the normal operation of the tablets and fuel rod in the reactor core, the second function is to compensate for the column movements from the tablets due to thermal expansion and compression with respect to the tube wall during start-up and stopping the reactor while maintaining tight contact between the tablets, and

г .0 о о i 3 г 6 i 7g. 0 about o 3 g 6 i 7

G21C3/18G21C3 / 18

Уровень техникиState of the art

третья функция состоит в образовании объема, занимаемого компенсационной пружиной в котором собираются радиоактивные газы, выделяемые таблетками в процессе их радиоактивного распада.the third function is the formation of the volume occupied by the compensation spring in which the radioactive gases collected by the tablets during their radioactive decay are collected.

Перемещение столба относительно стенки трубки связано с разностью температур нагрева трубки и таблеток в процессе пуска и остановки реактора, а также с разницей в коэффициентах термического расширения материала таблеток и трубки.The movement of the column relative to the tube wall is associated with the temperature difference between the tube and the tablets during the start-up and shutdown of the reactor, as well as with the difference in the coefficients of thermal expansion of the material of the tablets and tube.

Так, например, температура в центре таблеток в процессе работы твела достигает 2100°С, а температура стенки трубки, сделанной из циркония, не превышает , при этом коэффициент термического расширения материала таблеток почти в два раза превышает коэффициент термического расширения циркония. Всё это вместе взятое приводит во время пуска и останова реактора к значительному перемещению столба таблеток относительно трубки, которое полностью берет на себя компенсационная пружина и не создает в стенке трубы растягивающих напряжений. Однако, в процессе многолетней эксплуатации реакторов РБМК-1 - были выявлены отдельные случаи, когда у вышедших из строя твелов обнаруживался отрыв пробки, к которой поджимается столб из таблеток. При этом по характеру отрыва пробки от трубки было установлено, что разрыв трубки в районе пробки произошел в результате растягивающих сил. В то же время при нормальной работе твела пробка наоборот должна прижиматься к торцу трубки в результате рабочего давления теплоносителя, колеблещегося от 75 до 80 атм.So, for example, the temperature in the center of the tablets during the operation of the fuel rod reaches 2100 ° C, and the temperature of the wall of the tube made of zirconium does not exceed, while the coefficient of thermal expansion of the material of the tablets is almost two times higher than the coefficient of thermal expansion of zirconium. All this taken together during start-up and shutdown of the reactor leads to a significant displacement of the column of tablets relative to the tube, which is completely taken up by the compensation spring and does not create tensile stresses in the pipe wall. However, in the course of many years of operation of RBMK-1 reactors, there have been isolated cases where breakdown of the fuel rods revealed a cork detachment, to which a column of tablets is pressed. Moreover, by the nature of the separation of the plug from the tube, it was found that the rupture of the tube in the region of the plug occurred as a result of tensile forces. At the same time, during normal operation of the fuel rod, the plug, on the contrary, should be pressed against the end of the tube as a result of the working pressure of the coolant, fluctuating from 75 to 80 atm.

Анализ этих случаев показал, что такое явление возможно только в тех случаях, когда столб из таблеток по каким-либо причинам, заклинивается в трубке в районе компенсационной пружины. При этом вся разница в величинах термических расширений столба и трубки приводят к продольному растягиванию трубки.An analysis of these cases showed that such a phenomenon is possible only in those cases when a pillar of tablets, for whatever reason, is jammed in the tube in the region of the compensation spring. Moreover, the whole difference in the values of the thermal expansions of the column and tube leads to longitudinal stretching of the tube.

6/i 6 / i

Процесс заклинивания столба из таблеток возможен только при попадании внутрь твела воды теплоносителя, например, в результате образования микротечи в сварном шве между трубкой и пробкой или по каким-либо другим причинш1. Проникая в трубку, вода сразу испаряется и п проникает в полость, где расположена компенсационная пружина.The process of jamming a column of tablets is possible only if coolant water enters the fuel rod, for example, as a result of micro leakage in the weld between the tube and the cork or for some other reason1. Penetrating into the tube, water immediately evaporates and penetrates into the cavity where the compensation spring is located.

П в этой полости конденсируется и в виде воды стекает к таблеткам и опять испаряется и т.д.P in this cavity condenses and flows to the tablets in the form of water and again evaporates, etc.

В результате такого процесса в течение длительного времени внутренняя поверхность трубки и таблеток, примыкающих к компенсационной пружине, окисляются, что создает условия для «прикипания части таблеток к стенке трубки.As a result of this process, for a long time, the inner surface of the tube and tablets adjacent to the compensation spring are oxidized, which creates the conditions for “sticking some of the tablets to the tube wall.

А в это же время стенка трубки в районе пробки, к которой поджат столб из таблеток, подвергается окислению ещё более интенсивно, чем в районе пружины, т.к. она к пробке, которая в свою очередь имеет контакт с торцем столба, у которого температура в центре достигает . В результате в этом месте в стенке трубки интенсивно образуются гидриды, которые охрупчивают циркониевый сплав трубки и снижают его механические свойства, в частности, резко снижают предел текучести циркониевого сплава, и, следовательно, снижают прочность на растяжение.At the same time, the wall of the tube in the area of the cork, to which the column of tablets is pressed, undergoes oxidation even more intensively than in the area of the spring, because it is to the cork, which in turn has contact with the end of the column, at which the temperature in the center reaches. As a result, hydrides are intensively formed in this place in the tube wall, which embrittle the zirconium alloy of the tube and reduce its mechanical properties, in particular, sharply reduce the yield strength of the zirconium alloy, and, therefore, reduce the tensile strength.

Со временем охрупченный материал трубки не выдерживает растягивающих напряжений, вызванных заклиниванием столба в районе компенсационной пружины, и трубка разрывается в районе пробки, к которой поджат столб из таблеток. В результате отрыва пробки определенная часть радиоактивного горючего попадает в теплоноситель, что приводит к радиоактивному загрязнению всего контура циркуляции теплоносителя реактора, и в результате к остановке реактора с целью дезактивации всех систем, входящих в контур.Over time, the embrittled material of the tube does not withstand the tensile stresses caused by jamming of the column in the region of the compensation spring, and the tube breaks in the region of the cork, to which a pill of tablets is drawn. As a result of tearing the plug, a certain part of the radioactive fuel enters the coolant, which leads to radioactive contamination of the entire circulation circuit of the reactor coolant, and as a result, the reactor stops in order to deactivate all systems included in the circuit.

Задача, на решение которой направлено заявленная полезная модель, состоит в создании такой конструкции твела, в частности, пробки, к которой поджинается столб из таблеток, которая бы исключала возможность отрыва этой пробки от трубки в случае образования по каким-либо причинам в оболочке твела микротечи, через которую внутрь твела может поступать вода тепло носителя и в результате окислительных процессов заклинивать в трубке часть таблеток, расположенных в районе компенсационной пружины. При этом заявляемая конструкция должна сохранять все габаритные и эксплуатационные ц аметры существующих твелов.The problem to which the claimed utility model is directed is to create such a body structure, in particular, a cork, to which a column of tablets is pressed, which would exclude the possibility of tearing this cork from the tube if micro leakage occurs for some reason through which water heat of the carrier can enter the fuel rod and, as a result of oxidative processes, jam part of the tablets located in the region of the compensation spring in the tube. At the same time, the claimed design must retain all dimensional and operational centers of existing fuel elements.

Технический результат, получаемый в результате осуществления настоящей полезной модели, состоит в том, что заявленная конструкция твела обеспечивает возможность перемещения в трубке одного конца столба таблеток в случае заклинивания другого, а также в отсутствии в трубке продольных растягивающих напряжений при попадании в неё влаги, как в процессе пуска, так и в процессе эксплуатации реактора, что в итоге предотвращает возможность отрыва пробки и попадания в теплоноситель радиоактивного топлива.The technical result obtained as a result of the implementation of this utility model consists in the fact that the claimed fuel rod design makes it possible to move tablets in the tube at one end of the pillar in case of jamming of the other, as well as in the absence of longitudinal tensile stresses in the tube when moisture enters it, as in during start-up, and during operation of the reactor, which ultimately prevents the possibility of separation of the plug and the ingress of radioactive fuel into the coolant.

Указанный технический результат достигается тем, что тепловыделяющий элемент канального уран-графитового реактора, состоящий из трубки, заглущенной с двух концов пробками, внутри которой размещено ядерное горючее в виде столба из таблеток, поджатых компенсационной пружиной с заданным рабочим усилием к пробке, расположенной в противоположном от компенсационной пружины конце трубки,The specified technical result is achieved by the fact that the fuel element of the channel uranium-graphite reactor, consisting of a tube that is plugged at both ends with plugs, inside which there is nuclear fuel in the form of a pillar of tablets pressed by a compensation spring with a given working force to the plug located in the opposite direction from compensation spring end of the tube,

- пробка, к которой поджат столб из Т1 леток, выполнена в виде стаканчика, между дном которого и столбом из таблеток установлена тонкостенная трубочка с опорными фланцами по торцам и потерей- the cork, to which a pole from T1 tapered is drawn, is made in the form of a cup, between the bottom of which and a pillar of tablets a thin-walled tube with supporting flanges at the ends and loss is installed

устойчивости при осевых усилиях, превращшощих 200% от рабочего усилия компенсационной пружины;stability under axial forces, transforming 200% of the working force of the compensation spring;

- кроме того, тонкостенная трубочка выполнена из отоженной аустенитной стали марки ОХ18Н10Т.- in addition, the thin-walled tube is made of annealed austenitic steel grade ОХ18Н10Т.

На чертеже в увеличенном масштабе показана конструкция концевой части заявленного твела, состоящая из трубки 1, ядерного горючего в виде таблеток 2, пробки 4, прив енной к трубке 1 контактностыковой сваркой 3.The drawing shows on an enlarged scale the construction of the end part of the claimed fuel rod, consisting of tube 1, nuclear fuel in the form of tablets 2, tube 4 attached to the tube 1 by contact welding 3.

Трубка 1 заполнена ядерным горючим в виде таблеток 2. Таблетки 2 с помощью компенсационной пружины, расположенной на другом конце твела, (на чертеже не показана), поджаты к пробке 4 через тонкостенную трубочку 5. Для устранения непосредственного контакта между таблеткшии 2 и трубочкой 5 установлен опорный фланец 6.Tube 1 is filled with nuclear fuel in the form of tablets 2. Tablets 2, using a compensation spring located on the other end of the fuel rod (not shown in the drawing), are pressed to tube 4 through a thin-walled tube 5. To eliminate direct contact between tablet 2 and tube 5 is installed support flange 6.

Для обеспечения нормальной работы подавляющего большинства бездефективных твелов, у которых нет никаких течей, трубочка 5 выполнена с осевым усилием потери устойчивости, превышающим рабочее усилие компенсационной пружины в два раза, что полностью сохраняет стандартное положение столба из таблеток относительно трубки и его термическое перемещение за счет сжатия компенсационной пружины. Так, например, если рабочее усилие компенсационной пружины составляет 7 кг, то минимальное начальное усилие, при котором трубочка 5 теряет продольную устойчивость, будет составлять 14 кг, а практически 15-17 кг, что позволяет рассматривать при нормальной работе твела трубочку 5 как имитацию сплошной пробки. В случае появления в корпусе твела течи и заклинивания столба из таблеток вблизи компенсационной пружины, когда компенсационная пружина перестает работать, температурное перемещение столба из таблеток может происходить в сторону опорной пробки 4 с усилием в 15-17 кг за счет потери продольной устойчивости тонкостенной трубочки 5.To ensure the normal operation of the vast majority of defect-free fuel rods, which do not have any leaks, the tube 5 is made with an axial stress loss of stability twice the working force of the compensation spring, which fully preserves the standard position of the pill pill from the tube and its thermal displacement due to compression compensation spring. So, for example, if the working force of the compensation spring is 7 kg, then the minimum initial force at which the tube 5 loses longitudinal stability will be 14 kg, and practically 15-17 kg, which makes it possible to consider the tube 5 as a solid imitation during normal operation traffic jams. In the event of leakage and jamming of the pillar column from tablets near the compensation spring when the compensation spring stops working, the temperature movement of the pillar column from the tablets may occur towards the support plug 4 with a force of 15-17 kg due to the loss of longitudinal stability of the thin-walled tube 5.

г.g.

Такое усилие не приводит к продольному растягиванию трубки 1, т.к. при рабочем давлении теплоносителя в пределах 70-80 кг/см трубка сжимается по торцам с усилием около 100 кг, что в 5-6 раз выше, чем потеря продольной устойчивости тонкостенной трубочки 5.This force does not lead to longitudinal extension of the tube 1, because at a working pressure of the coolant in the range of 70-80 kg / cm, the tube is compressed at the ends with a force of about 100 kg, which is 5-6 times higher than the loss of longitudinal stability of a thin-walled tube 5.

Пример осуществленияImplementation example

В качестве тонкостенной трубочки 5 была изготовлена трубка длиной 14 мм и диаметром 3 мм с толщиной стенки ОД1 мм из отоженного иодидного циркония с пределом текучести на сжатие 15 кг/мм при температуре 350°С,As a thin-walled tube 5, a tube 14 mm long and 3 mm in diameter with a wall thickness of OD1 mm was made of annealed zirconium iodide with a compressive strength of 15 kg / mm at a temperature of 350 ° C.

Эксперимент проводился при температуре 300°С, в среде чистого аргона, где трубочка постепенно сжималась по оси.The experiment was carried out at a temperature of 300 ° C in pure argon, where the tube was gradually compressed along the axis.

При достижении осевой нагрузки, равной 18,3 кг, трубка теряла устойчивость и продолжала продольно деформироваться уже при 8 кг.Upon reaching an axial load of 18.3 kg, the tube lost stability and continued to deform longitudinally at 8 kg.

Заданная конструкция в виде стаканчика и размещенная между дном пробки и столбом из таблеток промежуточная опора в виде тонкостенной трубочки позволяет, не меняя существующих габаритов твела, зшцитить контур реактора от радиоактивного загрязнения и преждевременной остановки в случае образования микротечи всего в одном из более чем ста тысяч твелов, работающих в активной зоне уранграфитового реактора типа РБМК-1000.A predetermined design in the form of a cup and an intermediate support in the form of a thin-walled tube placed between the bottom of the cork and the pillar of tablets allows, without changing the existing dimensions of the fuel rod, to protect the reactor loop from radioactive contamination and premature stop in case of micro-leakage in just one of more than one hundred thousand fuel rods operating in the core of an RBMK-1000 type uranium graphite reactor.

Claims

1. The fuel element of the channel uranium-graphite reactor, consisting of a tube plugged at the two ends of the plugs, inside which there is nuclear fuel in the form of a pillar of tablets, pressed by a compensation spring with a given working force to the plug, located at the end of the tube opposite from the compensation spring, characterized in that the cork to which the tablets are pressed is hollow in the form of a cup, between the bottom of which and a pillar of tablets a thin-walled tube with supporting flanges at the ends and loss is installed stability under axial forces exceeding 200% of the operating force compensating springs.

2. The fuel element according to claim 1, characterized in that the thin-walled tube is made of annealed zirconium.

3. The fuel element according to claim 1, characterized in that the thin-walled tube is made of annealed austenitic steel grade OX18H10T.