RU2045788C1 - Fuel element of nuclear power reactor - Google Patents

Fuel element of nuclear power reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2045788C1
RU2045788C1 SU904906626A SU4906626A RU2045788C1 RU 2045788 C1 RU2045788 C1 RU 2045788C1 SU 904906626 A SU904906626 A SU 904906626A SU 4906626 A SU4906626 A SU 4906626A RU 2045788 C1 RU2045788 C1 RU 2045788C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
neck
head
plug
hydrogen
Prior art date
Application number
SU904906626A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Л.Т. Бабкин
Ю.К. Бибилашвили
А.Н. Виноградов
А.А. Гусев
О.А. Круглов
И.И. Коновалов
А.А. Маслов
Г.А. Потоскаев
К.К. Сухов
В.С. Ямников
Original Assignee
Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара filed Critical Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара
Priority to SU904906626A priority Critical patent/RU2045788C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2045788C1 publication Critical patent/RU2045788C1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: fuel element has pelletized fuel rod in sealed zirconium-alloy cladding. End caps are also made of zirconium alloy; one of end caps comes in contact with fuel through getter neck. Neck length is chosen between two and six thicknesses of cladding wall and neck sectional area Sn to head sectional area Sh ratio is within 1/7≅ Sn/Sh≅ 1/2.. Getter head length lh is found from relationship lh/lfp≥ 0,001·(A/3,5-1),, where A is maximum moisture content admitted by manufacturing conditions in fuel pellets amounting to 3,5 ppm≅ A≅ 7,0 ppm;; lfp is length of fuel pile of fuel element. Neck may be made from stainless steel pipe section to prevent diffusion of hydrogen from head to neck and end cap. EFFECT: improved design. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной технике, более конкретно к конструкции твэлов промышленных ядерных реакторов, оболочки которых выполняют из сплавов циркония, например, твэлов типов РБМК, ВВЭР, АСТ и др. The invention relates to nuclear engineering, and more particularly to the design of fuel rods of industrial nuclear reactors, the shells of which are made of zirconium alloys, for example, fuel elements of the RBMK, WWER, AST, and others.

Известны конструкции твэлов с оболочками из сплавов Zr, в которых допускают контакт топлива с нижней заглушкой, выполняемой (так же, так и верхняя заглушка) из того же сплава циркония, что и оболочка твэла, а также с пружинным, выполняемым из сплава Zr, (но другого состава), фиксатором, установленным в компенсационном объеме твэла [1]
Недостаток таких твэлов (штатная конструкция твэлов зарубежных и отечественных реакторов типов РБМК и ВВЭР) заключается в том, что в контакте заглушки и фиксатора с топливом, вследствие повышения температуры соприкасающихся с последним деталей выше температуры трубы-оболочки твэла наблюдаются случаи объемного локального (типа "sunburst") гидрирования заглушки и фиксатора. Гидрирование заглушки и последующая диффузия водорода в близко расположенную зону сопряжения заглушки с оболочкой приводит к гидрированию и охрупчиванию последней и заканчивается, как правило, таким "тяжелым" видом разрушения твэла, как отрыв заглушки от оболочки по оболочке рядом с зоной сопряжения этих деталей.
Known designs of fuel rods with claddings of Zr alloys, in which the fuel can be contacted with a lower plug made (the same as the upper plug) of the same zirconium alloy as the cladding of a fuel element, as well as with a spring made of Zr alloy, ( but of a different composition), a latch installed in the compensation volume of a fuel rod [1]
The disadvantage of such fuel rods (standard design of fuel rods of foreign and domestic RBMK and VVER type reactors) is that in the contact between the plug and the retainer with the fuel, as a result of an increase in the temperature of the parts in contact with the latter above the temperature of the fuel cladding pipe, cases of volumetric local ("sunburst"") hydrogenation plugs and retainer. Hydrogenation of the plug and subsequent diffusion of hydrogen into the closely located interface between the plug and the shell leads to hydrogenation and embrittlement of the plug and ends, as a rule, with such a “heavy” type of destruction of a fuel rod as the separation of the plug from the shell along the shell next to the mating zone of these parts.

Гидрирование пружины фиксатора способствует охрупчиванию и поломке части его витков, что особенно вредно для твэлов нижней половины симметричной двухъярусной ТВС (тепловыделяющей сборки) реакторов РБМК-1000 и РБМК-1500. Это приводит к опусканию в этих твэлах топливного столба (последний в нижней половине ТВС опирается на пружину фиксатора) и увеличению разрыва топлива в центральной части активной зоны реактора. В свою очередь увеличение разрыва топлива приводит к повышению всплеска энерговыделения в указанной зоне и, как следствие, к повышению перегрева оболочек концов твэлов в центральной части активной зоны, что, в конечном счете, активизирует процессы гидрирования оболочек в этой, наиболее наряженной зоне реактора. Hydrogenation of the retainer spring contributes to embrittlement and breakdown of part of its turns, which is especially harmful for fuel rods of the lower half of a symmetrical two-tier fuel assembly (fuel assembly) of the RBMK-1000 and RBMK-1500 reactors. This leads to lowering of the fuel column in these fuel rods (the latter in the lower half of the fuel assembly relies on the retainer spring) and an increase in the fuel gap in the central part of the reactor core. In turn, an increase in the fuel gap leads to an increase in the energy release surge in the indicated zone and, as a result, to an increase in the overheating of the claddings of the ends of the fuel rods in the central part of the active zone, which, ultimately, activates the processes of hydrogenation of the claddings in this most dressed up reactor zone.

Эти недостатки конструкции твэлов приводят к снижению надежности их работы в реакторах типа РБМК, ухудшают экологию, наносят существенный экономический ущерб. These design flaws of the fuel rods lead to a decrease in the reliability of their operation in RBMK reactors, worsen the environment, and cause significant economic damage.

Аналогом предлагаемого решения является твэл, описанный в работе Пикмана [2] в котором между столбом топлива и нижней заглушкой твэла и между столбом топлива и пружинным фиксатором в верхней части того же твэла введены тепловые сопротивления в виде 2 спеченных из Al2O3 или ZrO2 таблеток.An analogue of the proposed solution is a fuel rod described in Pickman [2] in which thermal resistances are introduced in the form of 2 sintered from Al 2 O 3 or ZrO 2 between the fuel column and the lower fuel cap of the fuel rod and between the fuel column and the spring retainer in the upper part of the same fuel rod pills.

Указанные тепловые сопротивления исключают перегревы, а следовательно, и локальное гидрирование нижней заглушки и фиксатора и сопровождающие их разрушения. (Случаев отрыва заглушки со стороны компенсационного объема твэлов за все время эксплуатации твэлов ни разу не наблюдалось. По-видимому, это обусловлено отсутствием контакта, с этой стороны твэлов, топлива с заглушкой, т.е. большим тепловым сопротивлением газового промежутка между топливом и заглушкой в этом месте)
Недостатки аналога заключаются в следующем.
These thermal resistances exclude overheating, and consequently, local hydrogenation of the lower plug and retainer and the destruction that accompanies them. (There have never been any cases of tearing off the plug from the compensation volume of the fuel rods during the entire operation of the fuel rods. Apparently, this is due to the lack of contact on this side of the fuel rods with the plug, i.e., the large thermal resistance of the gas gap between the fuel and the plug in this place)
The disadvantages of the analogue are as follows.

1. Исключение гидрирования нижней заглушки при наличии водорода под оболочкой твэла (главным образом из влаги, адсорбирующейся на таблетках топлива, что с меньшей или большей степени практически всегда имеет место) не исключает водород под оболочкой твэла. Следовательно, потенциально повышается опасность гидрирования и разрушения трубы-оболочки твэла в других местах (в первую очередь в зонах, где будут иметь место локальные перегревы, например, в местах, где имеется толстая окисная пленка снаружи оболочки, или в местах вскипания теплоносителя). 1. The exclusion of hydrogenation of the lower plug in the presence of hydrogen under the cladding of a fuel rod (mainly from moisture adsorbed on fuel pellets, which to a lesser or greater extent almost always occurs) does not exclude hydrogen under the cladding of a fuel rod. Consequently, the risk of hydrogenation and destruction of the fuel cladding pipe is potentially increased in other places (primarily in areas where local overheating will take place, for example, in places where there is a thick oxide film outside the cladding, or in places where the coolant boils).

2. Введение в штатные твэлы теплоизоляторов усложняет и удорожает их производство, так как требует разработки новой технологии и оборудования для прессования и спекания керамических таблеток, введения их в твэлы, контроля наличия их в твэлах и т.п. 2. The introduction of heat insulators into standard fuel elements complicates and increases the cost of their production, as it requires the development of new technology and equipment for pressing and sintering ceramic tablets, their introduction into fuel elements, the control of their presence in fuel elements, etc.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому решению является твэл [3] в котором одна из заглушек, через шейку, выполняющую роль теплового сопротивления, и головку, выполняющую роль геттера на водород и имеющую диаметр, меньший внутреннего диаметра оболочки, контактирует с топливом. При этом головка, шейка и тело заглушки выполнены как одно целое, отношение площадей поперечного сечения шейки и головки рекомендовано как 1: 16, а заглушка со стороны компенсационного объема твэла выполнена аналогичной заглушке со стороны контакта ее с топливом. The closest in technical essence to the proposed solution is a fuel rod [3] in which one of the plugs, through the neck, which plays the role of thermal resistance, and the head, which acts as a getter on hydrogen and having a diameter smaller than the inner diameter of the shell, is in contact with the fuel. In this case, the head, neck and body of the plug are made as a whole, the ratio of the cross-sectional areas of the neck and head is recommended as 1: 16, and the plug from the compensation volume of the fuel element is made similar to the plug from the side of its contact with the fuel.

Недостатки прототипа заключаются в следующем. The disadvantages of the prototype are as follows.

1. Рекомендованное отношение площадей поперечного сечения шейки и головки 1: 16 практически соответствует соотношению тепловых сопротивлений, если бы вместо шейки был использован теплоизолятор, например из Al2O3, диаметром, равным диаметру головки-геттера.1. The recommended ratio of the cross-sectional areas of the neck and head 1: 16 practically corresponds to the ratio of thermal resistances if a heat insulator, for example from Al 2 O 3 , was used instead of the neck, with a diameter equal to the diameter of the getter head.

Такое большое значение теплового сопротивления шейки практически исключает теплоотвод от головки-геттера, обусловливает нагрев последней до температур, превышающих 750-800оС, что вызывает разложение гидрида циркония и выделение из него водорода обратно во внутритвэльную атмосферу. Последнее снижает эффективность работы головки-геттера по поглощению водорода, приближая такой вариант конструкции к аналогу и его основному недостатку.Such a large value of the thermal resistance of the neck virtually eliminates heat from the head-getter heating causes the latter to temperatures exceeding 750-800 ° C, which causes decomposition of zirconium hydride and recovering therefrom a hydrogen vnutritvelnuyu back into the atmosphere. The latter reduces the efficiency of the getter head in absorbing hydrogen, bringing this design option closer to the analog and its main drawback.

2. Не указано в каких пределах для достижения основной цели изобретения следует выбирать длину шейки теплового сопротивления. 2. It is not indicated to what extent in order to achieve the main objective of the invention, the neck length of the thermal resistance should be selected.

3. Существенным фактором, определяющим надежность работы головки-геттера, является объем металла этой головки, который должен быть связан с максимально возможным содержанием водорода под оболочкой твэла. Данные по определению высоты головки-геттера, и следовательно, ее объема в прототипе также отсутствуют. 3. An essential factor determining the reliability of the getter head is the volume of metal of this head, which should be associated with the maximum possible hydrogen content under the cladding of the fuel rod. Data on determining the height of the getter head, and therefore its volume in the prototype, are also absent.

4. Заглушка со стороны компенсационного объема твэла в прототипе выполнена аналогичной заглушке со стороны контакта ее с топливом. 4. The plug from the compensation volume of the fuel rod in the prototype is made similar to the plug from the side of its contact with the fuel.

Делать это бесполезно, так как водород будет поглощаться головкой только при условии нагрева ее до температур, примерно вдвое превышающих температуру внутренней поверхности оболочки твэла. It is useless to do this, since hydrogen will be absorbed by the head only if it is heated to temperatures approximately twice the temperature of the internal surface of the fuel cladding.

Цель изобретения заключается в устранении перечисленных недостатков прототипа, в повышении надежности твэла за счет повышения эффективности работы головки-геттера, а также в упрощении его конструкции и технологии изготовления. The purpose of the invention is to eliminate the above disadvantages of the prototype, to increase the reliability of a fuel rod by increasing the efficiency of the getter head, as well as to simplify its design and manufacturing technology.

Цель достигается тем, что в известном твэле энергетического ядерного реактора, содержащем заполненную керамическими таблетками топлива оболочку из сплава циркония, загерметизированную с обеих сторон с помощью выполненных из сплава циркония заглушек, одна из которых через шейку, выполняющую роль теплового сопротивления и головку-геттер с диаметром, меньшим внутреннего диаметра оболочки, контактирует с топливом, длина шейки выбрана в пределах от двух до шести толщин стенки оболочки твэла, а отношение площади поперечного сечения шейки Sш к площади поперечного сечения головки Sг выбрана в пределах:

Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
при этом длина головки-геттера lг определена из соотношения
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
-1
Figure 00000007
,
где А максимально допускаемое по условиям изготовления содержание влаги в таблетках топлива в пределах 3,5ppm ≅ A≅ 7,0 ppm;
lтс длина топливного столба твэла.The goal is achieved by the fact that in a well-known fuel rod of an energy nuclear reactor containing a zirconium alloy shell filled with ceramic fuel pellets, sealed on both sides with zirconium alloy plugs, one of which through the neck, which acts as thermal resistance and a getter head with a diameter smaller than the internal diameter of the shell in contact with the fuel, the neck length is chosen in the range of from two to six fuel rod cladding wall thickness, and the ratio of cross sectional area of neck S to the cross-sectional area S d head chosen in the range:
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
the length of the getter head l g is determined from the ratio
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
-1
Figure 00000007
,
where A is the maximum moisture content in the fuel pellets under manufacturing conditions within 3.5ppm ≅ A≅ 7.0 ppm;
l tf is the length of the fuel column.

Для упрощения технологии введения в твэл резонансного поглотителя нейтронов, что очень важно для двухъярусных твэльных сборок (реакторов типа РБМК), так как позволяет погасить всплеск энерговыделения в наиболее напряженной части активной зоны реактора месте разрыва топлива в центре активной зоны, на шейку заглушки твэла может быть помещено разрезанное с одной стороны и обжатое по этой шейке кольцо, выполненное из проволоки металлического гафния, с наружным диаметром, не превышающим диаметр диска головки. To simplify the technology of introducing a resonant neutron absorber into the fuel rod, which is very important for two-tier fuel assemblies (RBMK reactors), since it allows you to suppress the energy release surge in the most stressed part of the reactor core, the place where the fuel breaks in the center of the active zone, there may be a ring is cut on one side and crimped along this neck, made of metal hafnium wire, with an outer diameter not exceeding the diameter of the head disk.

Для обеспечения реализации преимуществ предлагаемого твэла на оболочках, диаметр которых не превышает 8 мм, что делает сплошную шейку недостаточно прочной, головка с шейкой может быть выполнена отдельно от заглушки. To ensure the realization of the advantages of the proposed fuel rod on the shells, the diameter of which does not exceed 8 mm, which makes the continuous neck not strong enough, the head with the neck can be made separately from the plug.

В этом случае она выполняется в виде диска с центральным отверстием и шлицами со стороны топлива, с шейкой трубчатой частью с противоположной стороны диска головки (отверстие и шлицы в диске головки необходимы для сообщения полости шейки с атмосферой твэла). In this case, it is made in the form of a disk with a central hole and slots on the fuel side, with a neck tubular part on the opposite side of the head disk (the hole and slots in the head disk are necessary for communicating the neck cavity with the fuel rod atmosphere).

При этом в торцовой части рабочего диска заглушки со стороны топлива выполняется цилиндрическое углубление диаметром, меньшим наружного диаметра шейки (трубчатой ее части) на величину посадки с натягом. В это углубление рабочего диска заглушки трубчатой частью шейкой запрессовывается головка-геттер. Moreover, in the end part of the working disk of the plug from the fuel side, a cylindrical recess is made with a diameter smaller than the outer diameter of the neck (its tubular part) by the interference fit. A getter head is pressed into the recess of the working disk of the plug with a tubular part by the neck.

Такая конструкция удобна для введения в заглушку в трубчатую ее часть например, геттера на иод, что необходимо для предотвращения КРН (коррозионного растрескивания под напряжениями растяжения) в среде, содержащей иод, который является продуктом радиоактивного распада топлива. Such a design is convenient for inserting, for example, a getter onto an iodine into the plug part, which is necessary to prevent SCC (corrosion cracking under tensile stresses) in a medium containing iodine, which is a product of radioactive decay of fuel.

Кроме того, для практического исключения возможности диффузии водорода из головки через шейку и рабочий диск заглушки в оболочку шейка может быть выполнена отдельно от головки из отрезка трубы из материала, с которым водород не взаимодействует, например, из нержавеющей стали, запрессованного по посадке с натягом в соответствующее цилиндрическое углубление в торцевой части диска головки. In addition, in order to practically eliminate the possibility of hydrogen diffusion from the head through the neck and the working disk of the plug into the neck shell, it can be made separately from the head from a pipe segment made of a material with which hydrogen does not interact, for example, from stainless steel pressed in by interference fit the corresponding cylindrical recess in the end of the head disk.

Изобретение поясняется фиг.1-5. The invention is illustrated in figures 1-5.

Предлагаемый твэл изображен на фиг.1. Он состоит из заполненной топливом 1 оболочки 2 из сплава циркония, загерметизированной с обеих сторон с помощью заглушек 3 и 4, каждая из которых имеет тепловое сопротивление между столбом топлива и торцем заглушки, с фиксатором 5 в компенсационном объеме. Заглушка 4 выполнена из сплава циркония. Она может выполняться также из сплавов на основе других металлов, являющихся аналогами циркония по физико-химическим свойствам, например, титана. На торце заглушки 4, за одно целое с ней, выполнен цилиндрический выступ, состоящий из шейки 6, выполняющей функцию теплового сопротивления и сопротивления диффузии водорода, и головки 7, выполняющей функцию геттера для поглощения водорода в процессе эксплуатации твэла, т.е. после разогрева столба топлива. The proposed fuel rod is depicted in figure 1. It consists of a zirconium alloy shell 2 filled with fuel 1 and sealed on both sides with plugs 3 and 4, each of which has thermal resistance between the fuel column and the end face of the plug, with a retainer 5 in the compensation volume. The cap 4 is made of zirconium alloy. It can also be made of alloys based on other metals, which are analogues of zirconium in terms of physicochemical properties, for example, titanium. At the end of the plug 4, in one piece with it, a cylindrical protrusion is made, consisting of a neck 6, which performs the function of thermal resistance and diffusion resistance of hydrogen, and a head 7, which performs the function of a getter for hydrogen absorption during operation of a fuel rod, i.e. after warming up the fuel column.

На фиг.2, а приведен вариант, в котором на шейку 6 помещено разрезанное с одной стороны и обжатое по этой шейке кольцо 9, выполненное из проволоки металлического гафния (резонансного поглотителя нейтронов). Наружный диаметр такого кольца не должен превышать диаметр диска головки. Кольцо должно быть установлено с зазорами порядка 0,3-0,4 мм, препятствующими возможной диффузии водорода. Figure 2a shows a variant in which a ring 9 cut from one side and crimped along this neck is made of a neck 9 made of a metal hafnium wire (resonant neutron absorber). The outer diameter of such a ring should not exceed the diameter of the head disk. The ring should be installed with gaps of the order of 0.3-0.4 mm, preventing the possible diffusion of hydrogen.

На фиг.2,б представлен вариант нижнего конца твэла с головкой 7 и шейкой 6, выполненными отдельно от заглушки 4. В этом случае сечение шейки выбрано таким же, как и в основном варианте (фиг.1). Но сама шейка выполнена в виде трубчатой части с наружным диаметром, соответствующим диаметру по посадке с натягом цилиндрического углубления в рабочем диске заглушки. При этом толщина стенки трубчатой части шейки выбирается так, чтобы она осаживалась по диаметру при запрессовке в цилиндрическое углубление рабочего диска заглушки 4. Практически толщина стенки шейки в этом случае выбирается равной 0,3-1 от δ оболочки (меньшая величина соответствуют большей δ оболочки и большая меньшей δ оболочки), т.е. в пределах 0,3-0,4 мм. Для сообщения полости трубчатой части шейки с атмосферой твэла в головке выполняется центральное отверстие (диаметром 2-2,5 мм), а на торце ее, контактирующем с топливом, могут выполняться шлицы-проpези, соединяющиеся с центральным отверстием в головке. Figure 2, b presents a variant of the lower end of the fuel rod with a head 7 and a neck 6, made separately from the plug 4. In this case, the cross section of the neck is selected the same as in the main version (figure 1). But the neck itself is made in the form of a tubular part with an outer diameter corresponding to the fit diameter of the cylindrical recess in the working disk of the plug. In this case, the wall thickness of the tubular part of the neck is selected so that it settles in diameter when pressing the plug 4 into the cylindrical recess of the working disk. In practice, the neck wall thickness in this case is chosen equal to 0.3-1 of the δ shell (a smaller value corresponds to a larger δ shell and greater than the smaller δ shell), i.e. in the range of 0.3-0.4 mm. To communicate the cavity of the tubular part of the neck with the atmosphere of a fuel rod, a central hole is made in the head (with a diameter of 2-2.5 mm), and slotted slots can be made at its end in contact with the fuel and connected to the central hole in the head.

Такая геометрия шейки предпочтительна для твэлов с оболочками, наружный диаметр которых не превышает 8 мм. Однако она может использоваться и для твэлов РБМК-1000 и РБМК-1500, так как позволяет простым способом ввести в зону разрыва топлива двухъярусной ТВС поглотитель нейтронов 10, например, металлический Нf или геттер для поглощения иода. Such a neck geometry is preferred for fuel rods with claddings whose outer diameter does not exceed 8 mm. However, it can also be used for RBMK-1000 and RBMK-1500 fuel rods, since it allows the neutron absorber 10, for example, metallic Hf or getter to absorb iodine, to be introduced into the fuel gap of a two-stage fuel assembly.

На фиг. 2, в показан вариант нижнего конца твэла, в котором шейка выполнена отдельно и от головки и от заглушки, виде отрезка трубы 6 из материала, практически нереагирующего с водородом и не пропускающего его, например, из нержавеющей стали. In FIG. 2, a variant of the lower end of a fuel element is shown, in which the neck is made separately from both the head and the plug, as a piece of pipe 6 made of a material that is practically unreacted with hydrogen and does not pass it, for example, stainless steel.

Этот вариант предложен для исключения даже принципиальной возможности диффузии водорода из головки в зону сопряжения оболочки и заглушки, а следовательно, и исключения в принципе охрупчивания и разрушения этой зоны. This option is proposed to exclude even the fundamental possibility of hydrogen diffusion from the head into the mating zone of the shell and the plug, and, consequently, exceptions in principle of embrittlement and destruction of this zone.

В этом случае выбор толщины стенки отрезка трубы из нержавеющей стали осуществляется аналогично выбору толщины стенки трубчатой части шейки соответственно (фиг.2,б, и цилиндрические углубления в торцах заглушки и головки выполняют диаметром, меньшим наружного диаметра отрезка трубы-шейки на величину посадки с натягом. In this case, the selection of the wall thickness of the pipe segment made of stainless steel is carried out similarly to the selection of the wall thickness of the tubular part of the neck, respectively (Fig. 2, b, and the cylindrical recesses in the ends of the plug and head are made with a diameter smaller than the outer diameter of the pipe segment by the interference fit .

Такой выбор толщины стенки трубы-шейки и посадочных размеров сопрягаемых деталей обеспечивает осадку по диаметру концов трубы-шейки при запрессовке ее в заглушку и головку и позволяет простым способом прочно и надежно соединить эти детали в единое целое. Such a choice of the wall thickness of the neck pipe and the fit dimensions of the mating parts provides a draft according to the diameter of the ends of the neck pipe when it is pressed into the plug and head and makes it possible to reliably and reliably connect these parts into a single whole.

Разумеется, внутрь трубы-шейки 6 при необходимости простейшим способом могут быть помещены различные поглотители 10, например, нейтронов или иода. Геометрия головки 7 заглушки 4 выбиралась исходя из следующего. Of course, inside the pipe neck 6, if necessary, various absorbers 10, for example, neutrons or iodine, can be placed in the simplest way. The geometry of the head 7 of the plug 4 was selected based on the following.

Диаметр диска головки Dг выбран равным
Dг= d-(0,5-2) δ, где d внутренний диаметр оболочки твэла; δ толщина стенки оболочки твэла, исходя из того, что, с одной стороны, между головкой и оболочкой должен существовать зазор, исключающий возможность диффузии водорода напрямую из головки в оболочку, с другой стороны, этот зазор должен быть достаточным, чтобы не затруднять сборку и сварку оболочки твэла с заглушкой. И, наконец, последнее этот зазор не должен значительно уменьшать объем головки, иначе это потребует увеличения ее высоты и, следовательно, для ТВС типа РБМК увеличения разрыва топлива, что недопустимо. Нижняя граница предела (0,5-2) δ выбрана преимущественно для оболочек твэлов с толщиной стенки δ порядка 1 мм, а верхняя для оболочек, у которых δ

Figure 00000008
0,4 мм.The diameter of the disk head D g selected equal
D g = d- (0.5-2) δ, where d is the inner diameter of the cladding of a fuel rod; δ wall thickness of the cladding of a fuel rod, based on the fact that, on the one hand, there must be a gap between the head and the cladding, eliminating the possibility of hydrogen diffusion directly from the head into the cladding, on the other hand, this gap should be sufficient so as not to complicate assembly and welding fuel cladding with a plug. And, finally, the last of this gap should not significantly reduce the head volume, otherwise it will require an increase in its height and, therefore, for a fuel assembly like RBMK, an increase in the fuel gap, which is unacceptable. The lower boundary of the limit (0.5–2) δ is chosen mainly for cladding of fuel elements with a wall thickness δ of the order of 1 mm, and the upper limit for claddings in which δ
Figure 00000008
0.4 mm.

Длину (высоту) головки lг определяли пользуясь соотношением

Figure 00000009
Figure 00000010
Figure 00000011
-1
Figure 00000012
.The length (height) of the head l g was determined using the ratio
Figure 00000009
Figure 00000010
Figure 00000011
-1
Figure 00000012
.

Это соотношение получено на основании следующих соображений. This ratio is obtained on the basis of the following considerations.

Объем металла головки (минимальный должен быть пропорционален максимальному количеству водорода, которое может содержаться под оболочкой твэла. The volume of the metal of the head (the minimum should be proportional to the maximum amount of hydrogen that can be contained under the cladding of the fuel rod.

Максимальное количество водорода в твэле пропорционально массе топлива и максимальному содержанию в нем влаги, разложение которой и дает водород. The maximum amount of hydrogen in a fuel rod is proportional to the mass of the fuel and the maximum moisture content in it, the decomposition of which gives hydrogen.

Первое из этих условий определено следующим образом. The first of these conditions is defined as follows.

При одном и том же содержании влаги во всех таблетках топлива количество водорода в твэле пропорционально длине топливного столба. With the same moisture content in all fuel pellets, the amount of hydrogen in the fuel rod is proportional to the length of the fuel column.

Это количество водорода должно быть поглощено либо объемом циркония головки Vг, либо, если заглушка выполнена без шейки и головки, частью металла заглушки и частью металла оболочки. Последнее видно из фиг.3, на которой показан конец твэла РБМК, разгерметизировавшийся вследствие гидрирования зоны сопряжения заглушки с оболочкой в процессе эксплуатации (для твэлов РБМК максимальное содержание влаги в топливе 7ppm, длина топливного столба lтс= 3420 мм). Из фиг.3 видно, что объем прогидрировавшего металла VZr равен (с учетом коэффициента неравномерности лучеобразного распространения гидрида в цирконии 1,25 г и коэффициента запаса по объему циркония 2) объему кольца металла с наружным диаметром d+2δ, толщиной стенки 2 δ и высотой 4 δ, т.е.This amount of hydrogen must be absorbed either by the volume of zirconium of the head V g , or, if the plug is made without a neck and head, part of the metal of the plug and part of the metal of the shell. The latter can be seen from Fig. 3, which shows the end of an RBMK fuel rod, which was depressurized due to hydrogenation of the interface between the plug and the shell during operation (for RBMK fuel elements, the maximum moisture content in the fuel is 7ppm, fuel column length l mf = 3420 mm). Figure 3 shows that the volume of the hydrogenated metal V Zr is equal to (taking into account the uneven distribution of the hydride distribution of hydride in zirconium 1.25 g and the safety factor for the volume of zirconium 2) the volume of the metal ring with an outer diameter of d + 2δ, wall thickness 2 δ and height 4 δ, i.e.

VZr ≥ 10 π d δ2.V Zr ≥ 10 π d δ 2 .

Следовательно, такой минимальный объем VZr должна иметь головка для поглощения максимального количества водорода под оболочкой твэла, т.е.Therefore, such a minimum volume V Zr should have a head for absorption of the maximum amount of hydrogen under the cladding of a fuel rod, i.e.

Vг ≥ 10 π d δ2.V g ≥ 10 π d δ 2 .

Если головка заглушки имеет диаметр Dг, равный диаметру таблетки топлива Dт и равный внутреннему диаметру оболочки твэла d, то в пеpвом приближении можно принять, поскольку эти величины различаются на практике незначительно, то длина (высота) головки lг будет равна
lг=

Figure 00000013
, а отношение объема головки Vг к объему топливного столба Vтс будет равно отношению длины головки lг к длине топливного столба lтс, т.е.If the head of the plug has a diameter D g equal to the diameter of the fuel pellet D t and equal to the inner diameter of the cladding of the fuel element d, then, to a first approximation, we can accept, since these values differ slightly in practice, the length (height) of the head l g will be equal to
l g =
Figure 00000013
and the ratio of the head volume V g to the volume of the fuel column V tf will be equal to the ratio of the head length l g to the length of the fuel column l tf , i.e.

Figure 00000014
Figure 00000015

Учитывая последние соотношения, найдем численное значение
Figure 00000016
применительно к твэлам РБМК-1000 (d=11,7 мм; D
Figure 00000017
Dг=11,5 мм; δ1мм; lтс=3420 мм):
Figure 00000018
Figure 00000019
Figure 00000020

Очевидно, что это соотношение будет справедливо для всех твэлов, имеющих 7ppm влаги в топливе и одинаковую плотность таблеток топлива (при Dг
Figure 00000021
Dт).
Figure 00000014
Figure 00000015

Given the last relations, we find the numerical value
Figure 00000016
in relation to RBMK-1000 fuel rods (d = 11.7 mm; D
Figure 00000017
D g = 11.5 mm; δ1mm; l tf = 3420 mm):
Figure 00000018
Figure 00000019
Figure 00000020

Obviously, this ratio will be true for all fuel elements having 7ppm of moisture in the fuel and the same density of fuel pellets (at D g
Figure 00000021
D t ).

Учитывая, что по причине гидрирования оболочки в среднем выходят из строя 2-3 твэла из 1000, и что влага в топливе колеблется от 0 до 7ppm (т.е. в одном твэле могут иметься таблетки топлива с влагой и 0ppm и 7ppm), практикой установлено, что примерно до 3,5ppm водород не влияет на разрушения, точнее не дает их (997 твэлов выдерживают кампанию без разрушений оболочки, а 2-3 твэла из 1000, у которых все, или почти все таблетки топлива имеют 7ppm влаги разрушаются). Given that, due to cladding hydrogenation, on average 2-3 fuel rods out of 1000 fail, and that the moisture in the fuel ranges from 0 to 7ppm (i.e., fuel pellets with moisture and 0ppm and 7ppm can be present in one fuel rod), practice it was found that up to about 3.5ppm hydrogen does not affect the destruction, or rather, does not give them (997 fuel elements survive the campaign without damage to the cladding, and 2-3 fuel elements out of 1000, in which all, or almost all fuel pellets have 7ppm moisture, are destroyed).

Полагая, что зависимость числа разрушений от содержания влаги в топливе в первом приближении, достаточном для практики, является линейной, в отношение

Figure 00000022
для твэлов с содержанием влаги в топливе отличном от 7ppm, но превышающим 3,5ppm, должен быть добавлен коэффициент К, равный
K
Figure 00000023
1.Assuming that the dependence of the number of fractures on the moisture content in the fuel, as a first approximation, sufficient for practice, is linear, in relation
Figure 00000022
for fuel elements with a moisture content in the fuel other than 7ppm, but exceeding 3.5ppm, a K coefficient equal to
K
Figure 00000023
1.

Таким образом, окончательно получим

Figure 00000024
Figure 00000025
1
Figure 00000026
, где А допустимое содержание влаги в топливе, превышающее 3,5ppm.Thus, we finally obtain
Figure 00000024
Figure 00000025
1
Figure 00000026
where A is the permissible moisture content in the fuel in excess of 3.5ppm.

Геометрия шейки 6 заглушки 4 определялась следующим образом. The geometry of the neck 6 of the plug 4 was determined as follows.

Тепловое сопротивление шейки Rш должно быть достаточно большим, чтобы оно препятствовало нагреву ниже расположенного рабочего диска заглушки (привариваемого к оболочке) до температур, больших температуры внутренней поверхности оболочки более чем на 30-50оС, чем практически исключается поглощение водорода рабочим диском заглушки из свободного объема твэла, большее поглощения водорода оболочкой.Thermal resistance R w neck should be great enough to impede heating disposed below the working drive stub (welded to shell) to a temperature greater than the temperature of the inner surface of the shell by more than about 30-50 C than hydrogen uptake virtually eliminated working disc plugs from free volume of a fuel rod, greater absorption of hydrogen by the cladding.

С другой стороны, Rш не должно быть чрезмерно большим, иначе, если в контакте головки с топливом и, тем более, на самой головке температура будет превышать 700оС, водород, поглощенный головкой с образованием в последней гидридов, будет частично выделяться из гидридов обратно во внутритвэльную атмосферу, т.е. головка как геттер будет работать плохо.On the other hand, R w should not be too great, otherwise, if the contact of the head with the fuel and, moreover, at the very head temperature exceeds 700 C, the hydrogen absorbed in the head to form a final hydrides, will be partially released from hydrides back to the intra-atmosphere, i.e. the head as a getter will work poorly.

Поэтому нижняя граница отношения площади поперечноно сечения шейки Sш к площади поперечного сечения головки Sг т.е.

Figure 00000027
, из которого определяется диаметр шейки Dш и соответственно Rш, была определена расчетом (на ЭВМ по специально разработанной программе, методом конечных элементов, применительно к условиям эксплуатации твэлов РБМК) с условием, что температура в контакте топлива с головкой не должна превышать 700оС.Therefore, the lower boundary of the ratio of the cross-sectional area of the neck S w to the cross-sectional area of the head S g i.e.
Figure 00000027
Of which is determined by the diameter of the neck DmN and respectively R w, was determined by calculation (with a computer on a specially designed program, the method of finite elements, in relation to operating conditions fuel RBMK) with the proviso that the temperature in the contact of the fuel with the head must not exceed 700 ° C. .

Расчеты (применительно к твэлам РБМК) показали (при диаметре головки Dг= 10 мм и длине шейки lш=lг=4,0 мм), что этому условию удовлетворяет неравенство
Dш≥ 3,8 мм, т.е.

Figure 00000028
Figure 00000029

При этом учитывалось, что при эксплуатации, вследствие различных температур по оси (до 1500о) и на периферии (до 650оС) таблеток топлива, и следовательно, различных термических расширений этих зон, а также вследствие возможных деформаций размягченной сердцевины таблеток топлива при термомеханическом взаимодействии топлива с оболочкой (храповой эффект) возможна выборка зазора в лунке таблетки топлива. Т.е. расчет вели, считая, что головка имеет контакта с таблеткой по всей поверхности ее торца, а не только по наружному кольцу.The calculations (in relation to RBMK fuel rods) showed (with the head diameter D g = 10 mm and the neck length l w = l g = 4.0 mm) that this condition is satisfied by the inequality
D w ≥ 3.8 mm, i.e.
Figure 00000028
Figure 00000029

When taken into account that during operation, due to the different temperatures along the axis (1500 a) and the periphery (650 ° C) fuel pellets, and therefore different thermal expansions of these zones, and also due to possible deformations of the softened core fuel pellets thermomechanical interaction of the fuel with the shell (ratchet effect), it is possible to sample the gap in the well of the fuel tablet. Those. the calculation was carried out, assuming that the head has contact with the tablet over the entire surface of its end face, and not only along the outer ring.

(Если считать, что головка имеет контакт с таблеткой топлива только по кольцу наружного диаметра последней, т.е. в зоне, где даже при отсутствии контакта с головкой температура на цилиндрической поверхности таблетки топлива за счет радиального теплоотвода в теплоноситель не поднимается выше 650оС, то, как показывают расчеты Rш может быть принято равным Rи тепловому сопротивлению изолятора из ZrO2.(If it is assumed that the head is in contact with the pellet fuel only on the ring outer diameter of the latter, i.e. in an area where even in the absence of contact with the head surface temperature on the cylindrical fuel pellets due to radial heat sink to the coolant does not rise above 650 C. , then, as calculations show, R W can be taken equal to R and the thermal resistance of the insulator of ZrO 2 .

В этом случае
Rш=

Figure 00000030
·
Figure 00000031
Rи=
Figure 00000032
Figure 00000033
λZr= 0,2;
Figure 00000034
= 0,012.In this case
R W =
Figure 00000030
·
Figure 00000031
R and =
Figure 00000032
Figure 00000033
λ Zr = 0.2;
Figure 00000034
= 0.012.

Полагая: Rш= Rи; lш=lи и Dи=Dт, где lи; Dи; Sи длина, диаметр, площадь поперечного сечения (соответственно) таблетки изолятора;
lш; Dш; Sш длина, диаметр, площадь поперечного сечения шейки заглушки;
Dт диаметр таблетки топлива;
λ коэффициент теплопроводности Zr и ZrO2, находим

Figure 00000035
Figure 00000036
Figure 00000037
Figure 00000038

Для твэлов РБМК с оболочками размером 13,6х11,7 мм, полагая Dи=Dт=11,5 мм и учитывая, что
Figure 00000039
Figure 00000040
Figure 00000041
находим
Dш=2,8 мм.Assuming: R W = R and ; l W = l and and D and = D t , where l and ; D and ; S and the length, diameter, cross-sectional area (respectively) of the insulator tablet;
l w ; D W ; S w length, diameter, cross-sectional area of the neck of the stub;
D t is the diameter of the fuel tablet;
λ the thermal conductivity of Zr and ZrO 2 , we find
Figure 00000035
Figure 00000036
Figure 00000037
Figure 00000038

For RBMK fuel rods with claddings 13.6 x 11.7 mm in size, setting D and = D t = 11.5 mm and considering that
Figure 00000039
Figure 00000040
Figure 00000041
we find
D W = 2.8 mm

Если с таким Rш учесть, что контакт топлива с головкой возможен по всему торцу головки, то это вызовет повышение температуры контакта, как показывают расчеты в среднем до 800оС, что как указывалось недопустимо, поскольку ухудшает работу головки как геттера. В этом случае на торце головки может быть выполнено углубление, исключающее контакт топлива по всему торцу головки.If such R w taken into account that the contact with a head of fuel available around the head end, it will cause an increase in contact temperature, calculations show an average of about 800 C, which as mentioned is unacceptable because deteriorates head job of the getter. In this case, a recess can be made at the end of the head, eliminating the contact of fuel across the entire end of the head.

Кроме того, Dш=2,8 мм (при Dг=11,5 мм или Dш=2,5 мм при Dг=10 мм) недостаточен для противодействия осевому изгибу и сплющиванию под действием возможных осевых усилий сжатия топливного столба.In addition, D W = 2.8 mm (at D g = 11.5 mm or D W = 2.5 mm at D g = 10 mm) is insufficient to counteract axial bending and flattening under the influence of possible axial compression forces of the fuel column.

Верхний предел отношения

Figure 00000042
(или нижний предел Rш), учитывая сложность и неточность его определения рассчетным путем, обусловленную, главным образом, необходимостью определения границ гидрирования, имеющих лучеобразный характер, различный в разных плоскостях сечений, определялся в реакторном эксперименте на шлифах концов твэлов полномерной опытной сборки РБМК-1000. Один из этих твэлов разгерметизировался (продольная трещина в оболочке), по-видимому вследствие распухания топлива и увеличения диаметра оболочки (до 14,5 мм).Upper limit of relationship
Figure 00000042
(or lower limit R W ), taking into account the complexity and inaccuracy of its determination by calculation, mainly due to the need to determine hydrogenation boundaries having a beam-like character, different in different plane sections, was determined in a reactor experiment on the thin sections of the ends of the fuel rods of the full-scale experimental assembly RBMK- 1000. One of these fuel rods was depressurized (a longitudinal crack in the cladding), apparently due to fuel swelling and an increase in cladding diameter (up to 14.5 mm).

Фотография продольного шлифа нижнего герметизирующего соединения негерметичного твэла представлена на фиг.4, б. A photograph of a longitudinal section of the lower sealing joint of an untight fuel rod is shown in Fig. 4, b.

На фиг. 4,а показан продольный разрез заглушки в виде "рюмочки" с центральным "стержнем" и "ножкой", использовавшейся для герметизации этих твэлов (при их испытаниях одновременно решался и ряд других вопросов). In FIG. 4a, a longitudinal section is shown of a stub in the form of a “glass” with a central “rod” and a “leg” used to seal these fuel elements (a number of other issues were simultaneously solved during their testing).

Из фиг. 4, б видно, что гидрированию и разpушению подверглись только стенки "рюмочки" и центральный стержень в ней, а до "ножки рюмочки" водород практически только начал доходить. Внутренний же грат сварного шва и зоны сопряжения оболочки с заглушкой от водорода свободны. Таким образом, в данном случае головка в форме "рюмочки" сыграла роль геттера и защитила от наводороживания внутренний грат сварного шва и зону сопряжения оболочки с заглушкой, несмотря на то, что количество водорода в этом разгерметизировавшемся твэле, вероятнее всего из теплоносителя-пара, было достаточно большим. From FIG. 4b it can be seen that only the walls of the glass and the central core in it underwent hydrogenation and destruction, while hydrogen almost only started to reach the glass's legs. The inner burr of the weld and the interface between the shell and the plug from hydrogen are free. Thus, in this case, the head in the form of a “shot glass” played the role of a getter and protected the inner fillet of the weld and the interface between the cladding and the plug from hydrogen, despite the fact that the amount of hydrogen in this depressurized fuel element, most likely from the heat transfer medium, was big enough.

Не подлежит сомнению, что, если бы топливо находилось в контакте с внутренним гратом (фиг.3), то гидрирование последнего и зоны сопряжения с оболочкой произошло бы, и тогда испытание закончилось бы отрывом заглушки по оболочке. There is no doubt that, if the fuel was in contact with the internal burr (Fig. 3), then the hydrogenation of the latter and the interface zone with the shell would occur, and then the test would end by detaching the plug through the shell.

При этом за достаточно большое время от разгерметизации, т.е. когда появился водород, до остановки испытания водород не достиг "собственно" заглушки, что позволяет утверждать, что этого не произойдет и за всю кампанию, хотя в принципе, при значительно больших временах кампании, за счет диффузии водород все же может достичь заглушку и оболочку. Moreover, for a sufficiently large time from depressurization, i.e. when hydrogen appeared, before the test was stopped, hydrogen did not reach the “proper” plug, which suggests that this will not happen for the entire campaign, although in principle, at significantly longer campaign times, hydrogen can still reach the plug and shell due to diffusion.

Для предотвращения разрушения при существенно больших длительностях кампании эксплуатации следует использовать решение, практически полностью исключающее диффузию водорода и головки в шейку, заглушку и оболочку. To prevent destruction at significantly longer durations of the operation campaign, a solution should be used that almost completely eliminates the diffusion of hydrogen and the head into the neck, plug and shell.

Из фиг.4, б (фотография выполнена при увеличении х 7) с помощью масштабных измерений найдено, что отношение

Figure 00000043
Figure 00000044
Это соответствует
Figure 00000045
Figure 00000046
что и принято за верхнюю границу этого отношения.From figure 4, b (photo taken at magnification x 7) using large-scale measurements found that the ratio
Figure 00000043
Figure 00000044
It corresponds
Figure 00000045
Figure 00000046
which is accepted as the upper limit of this relationship.

Следует отметить, что идентичность уравнений теплопроводности и диффузии позволяет рассматривать шейку не только как тепловое сопротивление, но и как диффузионное сопротивление, т. е. как барьер для диффузии, в данном случае водорода из головки в рабочий диск заглушки, привариваемый к оболочке, что способствует концентрации водорода в головке и препятствует гидрированию и охрупчиванию оболочки в зоне, примыкающей к заглушке. It should be noted that the identity of the heat conduction and diffusion equations allows us to consider the neck not only as thermal resistance, but also as diffusion resistance, i.e., as a barrier to diffusion, in this case, hydrogen from the head to the working disk of the plug welded to the shell, which contributes to the concentration of hydrogen in the head and prevents the hydrogenation and embrittlement of the shell in the area adjacent to the plug.

Таким образом, для выполнения поставленной задачи соотношение

Figure 00000047
должно находиться в пределах
Figure 00000048
Figure 00000049
Figure 00000050

Если
Figure 00000051
<
Figure 00000052
то Rш будет достаточно велико для исключения перегрева и гидрирования рабочего диска заглушки и примыкающей к ней части оболочки, но в этом случае возможен перегрев головки и выход вследствие этого водорода из гидрида головки, что недопустимо.Thus, to fulfill the task, the ratio
Figure 00000047
should be within
Figure 00000048
Figure 00000049
Figure 00000050

If
Figure 00000051
<
Figure 00000052
then R W will be large enough to exclude overheating and hydrogenation of the working disk of the plug and the adjacent part of the shell, but in this case the head may overheat and, as a result, hydrogen may escape from the head hydride, which is unacceptable.

Если

Figure 00000053
>
Figure 00000054
, то температура головки будет ниже 700оС и разложение гидрида головки будет исключено, но Rш будет недостаточно, температура рабочего диска заглушки возрастет выше температуры оболочки и поглощение водорода этой зоной может пойти параллельно с поглощением водорода головкой, что также недопустимо.If
Figure 00000053
>
Figure 00000054
, The head temperature is below 700 ° C and decomposition head hydride will be omitted, but R w is not enough, the working disk temperature rise above the plug and the shell temperature of the hydrogen absorption area can go along with the hydrogen absorption head, which is also unacceptable.

Для шейки lш принята равной
lш=(2-b) δ,
исходя из того, что диск головки гарантированно не должен соприкасаться с внутренним гратом сварного шва, а шейка должна иметь достаточное тепловое и "диффузионное" сопротивление. Вместе с тем шейка должна быть достаточно прочной и устойчивой к осевому изгибу под действием возможных осевых усилий столба топлива и высота ее не должна приводить к существенному увеличению разрыва топлива в ТВС РБМК.
For the neck l w accepted equal
l w = (2-b) δ,
based on the fact that the head disk must not be guaranteed to come into contact with the inner weld bead, and the neck should have sufficient thermal and "diffusion" resistance. At the same time, the neck should be sufficiently strong and resistant to axial bending under the influence of possible axial forces of the fuel column and its height should not lead to a significant increase in the fuel gap in the RBMK fuel assemblies.

При этом меньшая величина выбранного предела (2-6) относится преимущественно к оболочкам с большей δ, а большая к оболочкам с меньшей δ. Moreover, a smaller value of the selected limit (2-6) refers mainly to shells with a larger δ, and a larger one to shells with a smaller δ.

Предлагаемый твэл работает следующим образом. The proposed fuel rod works as follows.

После заполнения активной зоны кассетами с твэлами и пуска реактора (или перегрузки твэлов "на ходу" в реакторах РБМК) происходит разогрев таблеток топлива, при этом контакт топлива с головкой нижней заглушки достигает температуры 450-600оС, в то время как внутренняя поверхность оболочки по всей ее длине, включая зону сопряжения ее с заглушками разогревается только до 330-350оС.After filling the core with fuel rods and starting up the reactor (or reloading the rods “on the fly” in RBMK reactors), the fuel pellets are heated, and the contact of the fuel with the head of the lower plug reaches a temperature of 450-600 о С, while the inner surface of the shell along its entire length, including the interface zone with its plugs, it is heated only to 330-350 о С.

В результате весь водород, имеющийся под оболочкой твэла и выделяющийся в процессе эксплуатации, например, при разложении влаги топлива, растрескивании таблеток и т.п. поглощается головкой заглушки и предохраняет оболочку от гидрирования и разрушения. Одновременно тепловое сопротивление шейки, исключая перегрев заглушки относительно оболочки, устраняет возможность поглощения водорода заглушкой и примыкающей к ней частью оболочки из внутритвэльной атмосферы, а "диффузионное" сопротивление шейки, являясь барьером для диффузии водорода из головки-геттера, предохраняет рабочий диск заглушки от проникновения в него водорода из головки за счет диффузии. As a result, all the hydrogen present under the cladding of the fuel rod and released during operation, for example, during the decomposition of moisture in the fuel, cracking of the tablets, etc. absorbed by the cap head and protects the shell from hydrogenation and destruction. At the same time, the thermal resistance of the neck, excluding the overheating of the plug relative to the shell, eliminates the possibility of hydrogen absorption by the plug and the adjacent part of the shell from the intrafuel atmosphere, and the "diffusion" resistance of the neck, being a barrier to diffusion of hydrogen from the getter head, protects the working disk of the plug from penetrating hydrogen from the head due to diffusion.

Кроме того, кольцо Нf, снижая всплеск нейтронов в зоне разрыва топлива, понижает перегрев в этой зоне, повышая безопасность и управляемость реактора. In addition, the Hf ring, reducing the neutron burst in the fuel gap zone, reduces overheating in this zone, increasing the safety and controllability of the reactor.

Если же используется геттер на иод, резко снижается возможность развития процессов коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) в среде, содержащей этот элемент, что предохраняет оболочку твэла от разрушений в процессе эксплуатации. If the getter on iodine is used, the possibility of the development of stress corrosion cracking (SCC) in a medium containing this element is sharply reduced, which protects the fuel cladding from damage during operation.

Предложенное техническое решение позволяет, за счет использования геттерных свойств сплавов Zr по отношению к водороду и расположения диска головки, выполняющего роль геттера, в зоне, где температура ее на (100-200)оС выше температуры оболочки твэла, совместно с отделением головки-геттера от заглушки тепловым сопротивлением в виде шейки с уменьшенным (по сравнению с диском головки) сечением, существенно уменьшить содержание свободного водорода в свободном объеме твэла и тем самым предохранить от охрупчивания и разрушения не только зону сопряжения оболочки и заглушки, как это обеспечивается прототипом, но и оболочку по всей ее длине, а также пружинный фиксатор.The proposed technical solution allows, due to the use of getter properties of Zr alloys with respect to hydrogen and the location of the head disk acting as a getter, in the zone where its temperature is (100-200) о С higher than the temperature of the fuel cladding, together with the separation of the getter head from the plug with thermal resistance in the form of a neck with a cross section (compared with the head disk), it is essential to reduce the content of free hydrogen in the free volume of a fuel rod and thereby protect not only the area of collisions from embrittlement and destruction the tension of the shell and the plug, as provided by the prototype, but also the shell along its entire length, as well as a spring clip.

Кроме того, предложенное техническое решение упрощает конструкцию и технологию изготовления твэлов и позволяет практически без увеличения длины зоны разрыва топлива в реакторах типа РБМК ввести в эту, наиболее энергонапряженную зону реактора резонансный поглотитель нейтронов, что помимо снижения температуpы в ней и соответствующего снижения возможности возникновения процессов локального гидрирования оболочек твэлов в этой зоне, повышает управляемость реактора и его безопасность. In addition, the proposed technical solution simplifies the design and manufacturing technology of fuel rods and allows practically without increasing the length of the fuel break zone in RBMK reactors to introduce a resonant neutron absorber into this most energetic zone of the reactor, which, in addition to lowering the temperature in it and correspondingly reducing the possibility of local processes hydrogenation of the cladding of fuel rods in this zone increases the controllability of the reactor and its safety.

Указанное техническое решение не требует организации новых производств, например, теплоизоляторов и геттеров, а также изменений в технологии изготовления твэлов, включая их герметизацию. Для его реализации нужно только изменить программу обработки резанием токарных автоматов, на которых изготовляются заглушки, и несколько изменить путепровод подачи заглушек в зону сварки на сварочных автоматах в линиях автоматизированного производства твэлов. The specified technical solution does not require the organization of new industries, for example, heat insulators and getters, as well as changes in the manufacturing technology of fuel elements, including their sealing. For its implementation, you only need to change the program for cutting machining of the automatic lathes on which plugs are made, and slightly change the overpass for supplying plugs to the welding zone on automatic welding machines in the lines of automated production of fuel elements.

Заявленные соотношения размеров диска головки и шейки на торце нижней заглушки обеспечивают величину теплового сопротивления между столбом топлива и заглушкой, необходимую для нагрева головки-геттера в требующемся интервале температур, что обеспечивает возможность эффективного использования геттерных свойств циркониевой головки в контакте с топливом, а тем самым достижение основной цели изобретения уменьшения содержания водорода в свободном объеме твэла в процессе эксплуатации, и следовательно, предупреждение гидрирования оболочки на всей ее длине. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые признаки изобретения связаны между собой единым замыслом. Эти отличия от прототипа позволяют установить соответствие их критерию "новизна". The claimed ratios of the sizes of the disk of the head and neck at the end of the lower plug provide the amount of thermal resistance between the fuel column and the plug needed to heat the getter head in the required temperature range, which makes it possible to efficiently use the getter properties of the zirconium head in contact with the fuel, and thereby achieve the main purpose of the invention is to reduce the hydrogen content in the free volume of a fuel rod during operation, and therefore, to prevent the hydrogenation of cladding ki over its entire length. This allows us to conclude that the claimed features of the invention are interconnected by a single concept. These differences from the prototype allow us to establish compliance with their criterion of "novelty."

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа, выявлены не были. Поэтому они обеспечивают предлагаемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". When studying other well-known technical solutions in this technical field, signs that distinguish the claimed solutions from the prototype were not identified. Therefore, they provide the proposed technical solution according to the criterion of "significant differences".

Эффективность предлагаемого решения подтверждается следующим:
1. В обнаруженных случаях разрушения зоны сопряжения оболочки и заглушки на твэлах типа РБМК, вследствие гидрирования и охрупчивания этих зон (фиг. 3), установлено, что причины разрушений наличие водорода под оболочкой отдельных твэлов и перегрев заглушки в контакте ее с топливом. Иначе говоря, при наличии водорода под оболочкой, место контакта заглушки, место перегрева заглушки относительно оболочки является геттером, поглощающим водород в первую очередь.
The effectiveness of the proposed solution is confirmed by the following:
1. In the detected cases of destruction of the mating zone between the cladding and the plug on RBMK type fuel rods due to hydrogenation and embrittlement of these zones (Fig. 3), it was established that the causes of the damage are the presence of hydrogen under the cladding of individual fuel rods and overheating of the plug in contact with the fuel. In other words, in the presence of hydrogen under the shell, the contact point of the plug, the place of overheating of the plug relative to the shell is a getter that absorbs hydrogen in the first place.

2. То, что место контакта заглушки с топливом поглощает водород в первую очередь, доказано экспериментально на лабораторной установке моделирования поведения конца твэла в процессе эксплуатации при гидрировании цельноточеных образцов, имитирующих сварной узел. Результаты этих экспериментов, при которых имитировались эксплуатационные градиенты температур и количество водорода, соответствующее разложению влаги топлива 7ppm в каждой таблетке, иллюстрируются фиг.5а, б. 2. The fact that the contact site of the plug with the fuel absorbs hydrogen in the first place has been proved experimentally in a laboratory setup for modeling the behavior of the end of a fuel rod during operation during the hydrogenation of whole-hole specimens imitating a welded assembly. The results of these experiments, in which operational temperature gradients and the amount of hydrogen corresponding to the decomposition of the moisture of the fuel 7ppm in each tablet were simulated, are illustrated in figa, b.

3. Отмечен рост поглощения водорода с повышением температуры циркониевого образца и парциального давления водорода. В работе приведен соответствующий график, из которого видно, что по сравнению с температурой 350оС (температура оболочки в процессе эксплуатации) при температуре порядка 450-500оС (температура торца заглушки в процессе эксплуатации) способность циркония поглощать водород возрастает примерно на порядок.3. An increase in the absorption of hydrogen with increasing temperature of the zirconium sample and the partial pressure of hydrogen was noted. The paper shows the corresponding graph which shows that compared with the temperature of 350 ° C (cladding temperature during operation) at a temperature of about 450-500 ° C (temperature end plugs during operation) zirconium hydrogen absorption capacity increases by about an order of magnitude.

4. Прямое подтверждение эффективности предлагаемого решения было получено в реакторном эксперименте на опытном реакторе при испытаниях опытной сборки твэлов типа РБМК. Один из твэлов этой сборки разгерметизировался (продольная трещина в оболочке), по-видимому вследствие распухания топлива и увеличения диаметра оболочки (до 14,5 мм). 4. Direct confirmation of the effectiveness of the proposed solution was obtained in a reactor experiment in an experimental reactor during tests of an experimental assembly of fuel assemblies of the RBMK type. One of the fuel rods of this assembly was depressurized (a longitudinal crack in the cladding), apparently due to fuel swelling and an increase in cladding diameter (up to 14.5 mm).

Фотография продольного шлифа нижнего герметизирующего соединения негерметичного твэла представлена на фиг.4, б. A photograph of a longitudinal section of the lower sealing joint of an untight fuel rod is shown in Fig. 4, b.

Не подлежит сомнению, что, если бы топливо находилось в контакте с внутренним гратом, то гидрирование последнего и зоны сопряжения с оболочкой произошло бы, и тогда испытание закончилось бы отрывом заглушки по оболочке (аналогично фиг.3). There is no doubt that if the fuel was in contact with the internal burr, then the hydrogenation of the latter and the interface zone with the shell would occur, and then the test would end with the separation of the plug through the shell (similar to figure 3).

Экономическая эффективность предложения очевидна, так как недоработка только одной кассетой РБМК половины кампании по электроэнергии приносит большой убыток. The cost-effectiveness of the proposal is obvious, since the failure of only one RBMK cassette to half of the electricity campaign brings a big loss.

Claims (4)

1. ТВЭЛ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащий заполненную керамическими таблетками топлива оболочку из сплава циркония, загерметизированную с обеих сторон с помощью выполненных из сплава циркония заглушек, одна из которых через шейку и головку-геттер с диаметром, меньшим внутреннего диаметра оболочки, контактирует с топливом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности твэла за счет повышения эффективности работы головки-геттера, длина шейки выбрана в пределах от двух до шести толщин стенки оболочки твела, а отношение площади поперечного сечения шейки Sш к площади поперечного сечения головки Sг выбрано в пределах
Figure 00000055

при этом длина головки-геттера lг определена из соотношения
Figure 00000056

где A максимально допускаемое по условиям изготовления содержание влаги в таблетках топлива в пределах
3,5ррт ≅ А ≅ 7,0ррт;
lт с длина топливного столба твэла.
1. A fuel rod of an energy nuclear reactor containing a zirconium alloy shell filled with ceramic fuel pellets, sealed on both sides with plugs made of zirconium alloy, one of which is in contact with the fuel through a neck and getter head with a diameter smaller than the inner diameter of the shell characterized in that, in order to increase the reliability of the fuel rod by increasing the efficiency of the getter head, the neck length is selected in the range from two to six thicknesses of the wall of the fuel sheath, and the ratio the cross-sectional area of the neck S W to the cross-sectional area of the head S g selected within
Figure 00000055

the length of the getter head l g is determined from the ratio
Figure 00000056

where A is the maximum permissible moisture content in the fuel pellets under the manufacturing conditions within
3,5rrt ≅ A ≅ 7,0rrt;
l t with the length of the fuel column of the fuel rod.
2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения введения в него резонансного поглотителя нейтронов в двухъярусных тепловыделяющих сборках, на шейку заглушки твэла помещено разрезанное с одной стороны и обжатое по этой шейке кольцо, выполненное из проволоки металлического гафния. 2. A fuel rod according to claim 1, characterized in that, in order to simplify the introduction of a resonant neutron absorber into it in two-tier fuel assemblies, a ring cut from one side and crimped along this neck, made of a metal hafnium wire, is placed on the neck of the fuel rod plug. 3. Твэл по п. 1, отличающийся тем, что головка с шейкой выполнена с центральным отверстием и отдельно от заглушки, а в торце последней со стороны топлива выполнено углубление диаметром, меньшим наружного диаметра шейки на величину посадки с натягом, при этом шейка запрессована в углубление заглушки. 3. A fuel rod according to claim 1, characterized in that the head with a neck is made with a central hole and separately from the plug, and in the end of the latter on the fuel side there is a recess with a diameter smaller than the outer diameter of the neck by the interference fit, while the neck is pressed into recess of a stub. 4. Твэл по п.3, отличающийся тем, что, с целью исключения диффузии водорода из головки через шейку и заглушку в оболочку, шейка выполнена отдельно от головки из отрезка трубы из нержавеющей стали, запрессованного по посадке с натягом в соответствующее цилиндрическое углубление головки. 4. A fuel rod according to claim 3, characterized in that, in order to exclude diffusion of hydrogen from the head through the neck and the plug into the shell, the neck is made separately from the head from a piece of stainless steel pipe, pressed into fit with an interference fit in the corresponding cylindrical recess of the head.
SU904906626A 1990-12-03 1990-12-03 Fuel element of nuclear power reactor RU2045788C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904906626A RU2045788C1 (en) 1990-12-03 1990-12-03 Fuel element of nuclear power reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904906626A RU2045788C1 (en) 1990-12-03 1990-12-03 Fuel element of nuclear power reactor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2045788C1 true RU2045788C1 (en) 1995-10-10

Family

ID=21557922

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904906626A RU2045788C1 (en) 1990-12-03 1990-12-03 Fuel element of nuclear power reactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2045788C1 (en)

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор., М.: Атомиздат, 1980, с.96,97. *
2. Nuclear Power Technology, Oxford, 1983, v.2, pp.159-208. *
3. Заявка Великобритании n 1404234, кл. G 21C 3/10, 1975. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4200492A (en) Nuclear fuel element
IL45794A (en) Nuclear fuel element
US6614869B1 (en) Absorber rod for nuclear reactor control cluster
Peehs et al. Out-of-pile testing of iodine stress corrosion cracking in Zircaloy tubing in relation to the pellet-cladding interaction phenomenon
JP4402589B2 (en) Cluster for regulating reactor core reaction, cluster absorber rod, and method for protecting absorber rod against wear
RU2045788C1 (en) Fuel element of nuclear power reactor
US4411861A (en) Method for protecting the casing tubes of nuclear reactor fuel rods
US3625823A (en) Nuclear fuel rod
US4957696A (en) Fuel element rod for a water-cooled nuclear reactor
US4054487A (en) Nuclear fuel rods
US3222256A (en) Nuclear fuel element with improved end cap assembly
GB1569078A (en) Nuclear fuel element
Lorenz et al. Fuel rod failure under loss-of-coolant conditions in TREAT
US4312707A (en) Nuclear fuel rod
EP3753028A2 (en) Method to pressurize sic fuel cladding tube before end plug sealing by pressurization pushing spring loaded end plug
RU2188467C2 (en) Nuclear reactor fuel element
KR910009191B1 (en) Nuclear fuel element
JPH0631769B2 (en) Control rod assembly
GB2115212A (en) Nuclear fuel element
Jaunich et al. Overview of metal seal tests performed at BAM and implications for extended interim storage
EP1787303B1 (en) A control rod for a nuclear plant
GB1596072A (en) Nuclear reactor fuel
CA1250965A (en) Nuclear fuel system
RU2126181C1 (en) Absorbing element of nuclear reactor control rod
JP2006266912A (en) Gas sensor