RU2064692C1 - Ventilated fuel element - Google Patents

Ventilated fuel element Download PDF

Info

Publication number
RU2064692C1
RU2064692C1 RU9494005229A RU94005229A RU2064692C1 RU 2064692 C1 RU2064692 C1 RU 2064692C1 RU 9494005229 A RU9494005229 A RU 9494005229A RU 94005229 A RU94005229 A RU 94005229A RU 2064692 C1 RU2064692 C1 RU 2064692C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
core
shell
fuel
cladding
fuel element
Prior art date
Application number
RU9494005229A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU94005229A (en
Inventor
Е.С. Глушков
А.С. Гонтарь
Ю.Г. Дегальцев
С.А. Еремин
Р.Я. Кучеров
Ю.В. Николаев
Н.Н. Пономарев-Степной
В.А. Усов
Original Assignee
Отделение Научно-технический центр "Источники тока" Научно-исследовательского института Научно-производственного объединения "Луч"
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 Отделение Научно-технический центр "Источники тока" Научно-исследовательского института Научно-производственного объединения "Луч" filed Critical Отделение Научно-технический центр "Источники тока" Научно-исследовательского института Научно-производственного объединения "Луч"
Priority to RU9494005229A priority Critical patent/RU2064692C1/en
Publication of RU94005229A publication Critical patent/RU94005229A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2064692C1 publication Critical patent/RU2064692C1/en

Links

Images

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

Landscapes

  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: uranium dioxide core is arranged in radial space relation within cladding. Radial clearance depends on coefficient of linear thermal expansion of core and cladding, core and cladding diameter, and average working temperatures of core and cladding. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной энергетике, а более конкретно, к вентилируемым тепловыделяющим элементам термоэмиссионного ядерного реактора-преобразователя, где в качестве основного топливного материала используется диоксид урана. The invention relates to nuclear energy, and more specifically, to ventilated fuel elements of a thermionic nuclear converter reactor, where uranium dioxide is used as the main fuel material.

В научно-технической и патентной литературе достаточно широко рассмотрены конструкции твэлов и многообразие подхода при выборе материалов для них (Б. Фрост "Твэлы ядерных реакторов", пер. с англ. М. Энергоатомиздат, 1986; Займовский А.С. и др. "Тепловыделяющие элементы атомных реакторов", М. Атомиздат, 1986). Основным ресурсоограничивающим фактором в конструкции твэла из диоксида урана является деформация оболочки под действием распухающего сердечника. Известны твэлы промышленных реакторов на основе Uo2 у которых тепловыделяющий сердечник размещен с радиальным зазором относительно оболочки, а последний заполнен теплопередающей средой, например, жидким натрием, сплавами натрия с калием, расплавами металла или гелием ( Р.С.Корсаков, В.Ф.Выговский и др. "Технология реакторостроения", М. Атомиздат, 1977 г.). Использование теплопередающей среды в твэлах промышленных реакторов с сердечником, не слепленным с оболочкой является обязательным условием, так как реализуемые в них тепловые потоки (≥100 Вт/см2) приводят в противном случае к недопустимому повышению температуры, достигающий температуры плавления диоксида урана тепловыделяющего сердечника. Достигнутое за счет теплопередающей среды существенное снижение температурного перепада на радиальном зазоре между сердечником и оболочкой позволяет назначить большие исходные зазоры для компенсации распухания сердечника из Uo2. Тем не менее, исходный радиальный зазор в основном ограничивается величиной 0,15 мм, так как дальнейшее его увеличение сопровождается повышением скорости распухания Uo2 образованием складок на оболочке и неоднородной перестройкой структуры сердечника при эксплуатации твэла (Р.Б.Котельников, С.Н.Башлыков и др. "Высокотемпературное ядерное топливо", М. Атомиздат, 1978). Известен вентилируемый тепловыделяющий элемент для термоэмиссионного ядерного реактора-преобразователя, включающий тепловыделяющий сердечник из диоксида урана, размещенный с радиальным зазором в оболочке и газоотводное устройство в виде трубки с капилляром на конце, расположенном в центральной полости сердечника, для вывода газообразных продуктов деления и улавливания паров топлива (Ю.Г.Дегальцев, Н.Н.Пономарев-Степной, В. Ф. Кузнецов "Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении", М. Энергоатомиздат, 1987, стр. 110-120). Вентилирование внутренней полости тепловыделяющего элемента обеспечивает разгрузку оболочки от давления газообразных продуктов деления, вышедших из тепловыделяющего сердечника (Uo2). Однако сочетание вакуумных условий и высоких температур приводит к радиальному массопереносу Uo2 на оболочку и зарастанию исходного радиального зазора менее плотным по отношению к исходной Uo2 конденсатом. Задачей авторов является уменьшение радиальной деформации оболочки вентилируемого твэла, вызванной распуханием тепловыделяющего сердечника из Uo2.In the scientific, technical and patent literature, the design of fuel elements and the diversity of the approach to selecting materials for them are rather widely considered (B. Frost, “Fuel elements of nuclear reactors,” translated from English by M. Energoatomizdat, 1986; Zaimovsky A.S. et al. " Fuel elements of atomic reactors ", M. Atomizdat, 1986). The main resource-limiting factor in the design of a uranium dioxide fuel rod is shell deformation under the influence of a swelling core. UO 2 -based industrial fuel rods are known in which the fuel core is placed with a radial clearance relative to the shell, and the latter is filled with a heat transfer medium, for example, liquid sodium, sodium alloys with potassium, metal melts or helium (R.S. Korsakov, V.F. Vygovsky and others. "Technology of reactor engineering", M. Atomizdat, 1977). The use of a heat transfer medium in fuel rods of industrial reactors with an uncoated core is a prerequisite, since the heat fluxes realized in them (≥100 W / cm 2 ) otherwise lead to an unacceptable temperature increase reaching the melting temperature of uranium dioxide of the fuel core. A significant decrease in the temperature difference at the radial gap between the core and the shell achieved due to the heat transfer medium allows us to assign large initial gaps to compensate for the swelling of the core from Uo 2 . Nevertheless, the initial radial clearance is mainly limited to 0.15 mm, since its further increase is accompanied by an increase in the swelling rate of Uo 2 by the formation of folds on the cladding and heterogeneous restructuring of the core structure during the operation of a fuel rod (RB Kotelnikov, S.N. Bashlykov et al. "High-temperature nuclear fuel", M. Atomizdat, 1978). A ventilated fuel element for a thermionic nuclear converter reactor is known, including a uranium dioxide fuel core placed with a radial clearance in the shell and a gas outlet device in the form of a tube with a capillary at the end located in the central cavity of the core for outputting gaseous fission products and trapping fuel vapor (Yu.G. Degaltsev, N.N. Ponomarev-Stepnoy, V.F. Kuznetsov, “Behavior of high-temperature nuclear fuel during irradiation,” M. Energoatomizdat, 1987, p. 110-120). Ventilation of the internal cavity of the fuel element provides the unloading of the shell from the pressure of the gaseous fission products leaving the fuel core (Uo 2 ). However, the combination of vacuum conditions and high temperatures leads to a radial mass transfer of Uo 2 to the shell and the initial radial clearance to become less dense with respect to the initial Uo 2 condensate. The authors' task is to reduce the radial deformation of the cladding of the ventilated fuel element caused by the swelling of the fuel core from Uo 2 .

Для решения поставленной задачи авторы предлагают конструкцию вентилируемого тепловыделяющего элемента, который содержит сердечник из двуокиси урана, размещенной с радиальным зазором в оболочке, при этом радиальный зазор между оболочкой и сердечником выбран из соотношения:

Figure 00000002

где: δз исходный радиальный зазор, мм;
αc, αоб коэффициенты линейного термического расширения сердечника и оболочки, соответственно, 1/град;
dс, dоб диаметры сердечника и оболочки, соответственно, мм;
Tс, Tоб средние рабочие температуры сердечника и оболочки, соответственно, град.To solve this problem, the authors propose the design of a ventilated fuel element that contains a core of uranium dioxide placed with a radial gap in the shell, while the radial gap between the shell and the core is selected from the ratio:
Figure 00000002

where: δ s initial radial clearance, mm;
α c , α about the coefficients of linear thermal expansion of the core and the shell, respectively, 1 / deg;
d c , d about the diameters of the core and shell, respectively, mm;
T with , T about the average operating temperature of the core and the shell, respectively, deg.

Предлагаемая величина радиального зазора между оболочкой и сердечником не допускает соприкосновения менее плотного слоя конденсата с поверхностью испарения Uo2 во время массопереноса. Исходный радиальный зазор в предлагаемой конструкции твэла не менее чем 2-2,5 раза превосходит используемые зазоры в известных вентилируемых твэлах термоэмиссионных реакторов-преобразователей, а указанное количественное изменение приводит к качественно новому результату: перестройке равновесной структуры Uo2 в столбчатую с характерным для нее уменьшением границ зерен и развитой пограничной пористостью и, как следствие, к уменьшению распухания топлива Uo2. Выбор необходимой величины зазора и достижение уменьшения деформации оболочки твэла за счет снижения распухания Uo2 с перестроенной структурой обосновываются результатами, полученными авторами в процессе послереакторных исследований твэлов с различной величиной исходного радиального зазора, облученных в течение 3000 ч в составе ядерной зоны термоэмиссионного реактора.The proposed value of the radial clearance between the shell and the core does not allow the contact of a less dense condensate layer with the evaporation surface Uo 2 during mass transfer. The initial radial clearance in the proposed design of the fuel element is no less than 2-2.5 times greater than the used clearances in the well-known ventilated fuel elements of thermionic converter reactors, and the indicated quantitative change leads to a qualitatively new result: rearrangement of the equilibrium Uo 2 structure to a columnar structure with a characteristic decrease grain boundaries and developed boundary porosity and, as a consequence, to reduce fuel swelling Uo 2 . The choice of the required gap size and the achievement of decreasing the deformation of the cladding of a fuel rod by reducing the swelling of Uo 2 with a rebuilt structure are justified by the results obtained by the authors in the process of post-reactor studies of fuel rods with different values of the initial radial clearance irradiated for 3000 hours in the composition of the nuclear zone of the thermionic emission reactor.

На фиг.1 конструктивная схема; на фиг.2 результаты послереакторных исследований твэла. На фиг.1 показаны: 1-оболочка твэла; 2-тепловыделяющий сердечник, размещенный в оболочке; 3-радиальный зазор между сердечником и оболочкой. При номинальном режиме работы твэла топливо диоксид урана, испаряясь с поверхности сердечника 2, конденсируется на оболочке 1, формируя тем самым столбчатую структуру Uo2 с радиально ориентированными зернами, при этом фронт испарения беспрепятственно проходит на всю глубину сердечника, полностью перестраивая исходящую структуру Uo2 в твэле.Figure 1 is a structural diagram; figure 2 the results of post-reactor studies of the fuel rod. Figure 1 shows: 1-cladding of a fuel rod; 2-fuel core placed in the shell; 3-radial clearance between the core and the sheath. Under the nominal operating mode of the fuel rod, fuel, uranium dioxide, evaporates from the surface of the core 2, condenses on the shell 1, thereby forming a columnar structure Uo 2 with radially oriented grains, while the evaporation front freely passes through the entire depth of the core, completely rebuilding the outgoing structure Uo 2 into fuel element.

Этот процесс становится возможным благодаря выбранной величине зазора 3, когда менее плотный конденсат не приводит к смыканию поверхностей и конденсации Uo2. Для обеспечения полной переконденсации диоксида урана отношение радиального зазора к диаметру сердечника должно превосходить разность термических расширений сердечника и оболочки на (0,01-0,02), что подтверждено реакторными экспериментами, приведенными на фиг.2. На фиг. 2 представлены результаты этих исследований: изменение диаметра оболочки, доля конденсата в поперечном сечении сердечника и макроструктура при крайних значениях величин радиального зазора между сердечником и оболочкой, что подтверждает достижение снижения деформации и обосновывает выбранный диапазон величин радиального зазора в твэле.This process becomes possible due to the selected value of the gap 3, when a less dense condensate does not lead to the closure of the surfaces and condensation Uo 2 . To ensure complete recondensation of uranium dioxide, the ratio of the radial gap to the diameter of the core should exceed the difference between the thermal expansions of the core and shell by (0.01-0.02), which is confirmed by the reactor experiments shown in Fig.2. In FIG. Figure 2 presents the results of these studies: a change in the diameter of the cladding, the fraction of condensate in the cross section of the core and the macrostructure at extreme values of the radial clearance between the core and the cladding, which confirms the achievement of a reduction in deformation and justifies the selected range of radial clearance in the fuel element.

Предложенная конструкция твэла позволяет формировать благоприятную с точки зрения распухания структуру Uo2, используя для этого таблетки, полученные по промышленной технологии, и температурные режимы эксплуатации твэла в качестве технологических для перестройки структуры Uo2, поэтому предложенная конструкция твэла сопровождается не только уменьшением распухания Uo2 и соответствующим повышением ресурса электрогенерирующего канала термоэмиссионного реактора, но и экономическим эффектом.The proposed fuel rod design allows the formation of a Uo 2 structure favorable from the point of view of swelling, using for this purpose tablets obtained by industrial technology and temperature conditions of the fuel rod operation as technological for restructuring the Uo 2 structure, therefore, the proposed fuel rod design is accompanied not only by a decrease in the Uo 2 swelling and a corresponding increase in the resource of the electric generating channel of the thermionic reactor, but also the economic effect.

Claims (1)

Вентилируемый тепловыделяющий элемент преимущественно для термоэмиссионного ядерного реактора-преобразователя, содержащий сердечник из двуокиси урана, размещенный с радиальным зазором в оболочке, отличающийся тем, что радиальный зазор между оболочкой и сердечником выбран из соотношения
Figure 00000003

где δз- исходный радиальный зазор, мм;
αс, αоб- коэффициенты линейного термического расширения сердечника и оболочки соответственно, 1/град;
dc, dоб диаметры сердечника и оболочки соответственно, мм;
Tc, Tоб средние рабочие температуры сердечника и оболочки соответственно, град.
A vented fuel element mainly for a thermionic nuclear converter reactor containing a uranium dioxide core placed with a radial gap in the shell, characterized in that the radial gap between the shell and the core is selected from the ratio
Figure 00000003

where δ s is the initial radial clearance, mm;
α s , α rev - linear thermal expansion coefficients of the core and shell, respectively, 1 / deg;
d c , d about the diameters of the core and shell, respectively, mm;
T c , T about the average operating temperature of the core and the shell, respectively, deg.
RU9494005229A 1994-02-14 1994-02-14 Ventilated fuel element RU2064692C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU9494005229A RU2064692C1 (en) 1994-02-14 1994-02-14 Ventilated fuel element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU9494005229A RU2064692C1 (en) 1994-02-14 1994-02-14 Ventilated fuel element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94005229A RU94005229A (en) 1995-10-20
RU2064692C1 true RU2064692C1 (en) 1996-07-27

Family

ID=20152497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU9494005229A RU2064692C1 (en) 1994-02-14 1994-02-14 Ventilated fuel element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2064692C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Фрост Б. Твэлы ядерных реакторов./ Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1986. Займовский А.С. и др. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов.- М.: Атомиздат, 1986. Корсаков Р.С. и др. Технология реакторостроения.- М.: Атомиздат, 1972. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4022662A (en) Nuclear fuel element having a metal liner and a diffusion barrier
FI92355C (en) Nuclear fuel element and method for handling a nuclear fuel composite cladding tank
US4029545A (en) Nuclear fuel elements having a composite cladding
US3925151A (en) Nuclear fuel element
US3969186A (en) Nuclear fuel element
US4045288A (en) Nuclear fuel element
US3826754A (en) Chemical immobilization of fission products reactive with nuclear reactor components
JP2013533966A (en) Solid interface joint with apertures for nuclear fuel rods
JP2016176961A (en) Solid interface joint with open pores for nuclear fuel rod
JP2013529298A (en) Fuel channels arranged to be included in fuel elements for fission reactors
RU2064692C1 (en) Ventilated fuel element
US3244599A (en) Fuel element for nuclear reactor
JPH04268491A (en) Control rod for atomic reactor
JPH11202072A (en) Nuclear fuel particle for reactor, nuclear fuel pellet and element
KR910003286B1 (en) Zirconium alloy barrier having improved corrosion resistance
US3993453A (en) Getter for nuclear fuel elements
US3215607A (en) Multi-region neutronic fuel element
US3898125A (en) Nuclear fuel element containing strips of an alloyed Zr, Ti and Ni getter material
US2863814A (en) Neutronic reactor fuel element
US3354043A (en) Fuel element for nuclear reactors
US3625823A (en) Nuclear fuel rod
US3252868A (en) Fuel element for use in nuclear reactors
RU2172528C2 (en) Absorbing element for fast-reactor control rod
RU2024106C1 (en) Heat-emitting fuel element
JP7333917B2 (en) heat pipe