RU2066486C1

RU2066486C1 - Heating section

Info

Publication number: RU2066486C1
Application number: RU9393049158A
Authority: RU
Inventors: Е.К. Дьяков; Ю.В. Кошелев
Priority date: 1993-10-19
Filing date: 1993-10-19
Publication date: 1996-09-10

Abstract

FIELD: fuel assemblies of gas-cooled reactors, such as nuclear reactors of rockets. SUBSTANCE: heating section has fuel elements of high-melting metal carbides made in the form of screw-shaped rods assembled in bundles of dense triangular packing contacting each other. Bundle is twisted relative to longitudinal axis and rods are joined together at contacting points through high-temperature diffusion welding. Twisting pitch of rods is (5-15)d and that of bundle is (5-6)D, where d and D are, respectively, described diameters of cross-sectional area of rod and bundle. Such a solid carbide heating section is resistant to creepage and corrosion at hydrogen flow temperature of 3200 K. EFFECT: high creepage and corrosion resistance; high intensity of heat transfer due to communicating spiral channels in section space. 2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к нагревным секциям тепловыделяющих сборок и может быть использовано в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах, в частности в реакторах ядерных ракетных двигателей (ЯРД) с водородным теплоносителем. The invention relates to heating sections of fuel assemblies and can be used in high temperature gas-cooled reactors, in particular in reactors of nuclear rocket engines (NRE) with hydrogen coolant.

Известна нагревная секция, предназначенная для использования в ЯРД, выполненная в виде призматического блока гексагональной формы из композиции, включающей карбид бериллия и графит в молярном отношении 3:1. В объеме блока равномерно диспергировано топливо из карбида урана, обогащенного до 90% по ²³⁵U. По высоте блока выполнены гладкие сквозные отверстия для прохода водородного теплоносителя.Known heating section, intended for use in NRE, made in the form of a prismatic block of hexagonal shape from a composition comprising beryllium carbide and graphite in a molar ratio of 3: 1. Fuel from uranium carbide enriched up to 90% at ²³⁵ U is evenly dispersed in the block volume. Smooth through holes are made along the block height for the passage of the hydrogen coolant.

Также известна нагревная секция, аналогичная описанной, выполненная в виде многоканального призматического блока гексагональной формы из графита с диспергированными в нем сферическими частицами из карбидного топлива, покрытыми пироуглеродом (1). Also known is a heating section, similar to that described, made in the form of a multi-channel prismatic hexagonal block made of graphite with spherical particles of carbide fuel dispersed in it coated with pyrocarbon (1).

Недостатками известных нагревных секций являются недостаточно интенсивный в гладких цилиндрических каналах, а также низкая коррозионная стойкость графитовой матрицы в потоке горячего водорода, приводящая к вымыванию графита и топлива и резко снижающая эксплуатационную надежность ЯРД. The disadvantages of the known heating sections are not intense enough in smooth cylindrical channels, as well as the low corrosion resistance of the graphite matrix in a stream of hot hydrogen, which leads to leaching of graphite and fuel and sharply reduces the operational reliability of the nuclear engine.

Наиболее близкой к заявляемой нагревной секции по решаемой технической задаче (прототипом) является нагревная секция, включающая сферические частицы из карбидной топливной композиции типа ZrC-UC+C, которые диспергированы в многоканальном призматическом блоке гексагональной формы, выполненном из графита. Для повышения коррозионной стойкости графитовой матрицы в потоке горячего водорода, на стенках каналов и на наружных поверхностях блока нанесены защитные покрытия из карбидов ниобия или циркония (2). Closest to the claimed heating section for the technical task to be solved (prototype) is a heating section comprising spherical particles from a carbide fuel composition of the ZrC-UC + C type, which are dispersed in a multi-channel prismatic hexagonal block made of graphite. To increase the corrosion resistance of the graphite matrix in a stream of hot hydrogen, protective coatings of niobium or zirconium carbides are applied on the channel walls and on the outer surfaces of the block (2).

Данная секция также характеризуется низкой интенсификацией теплообмена. Кроме того, вследствие растрескивания защитных покрытий из-за существенно различных температурных расширений матрицы и покрытий известная нагревная секция также не обладает необходимой эксплуатационной надежностью при рабочих параметрах ЯРД. This section is also characterized by low heat transfer intensification. In addition, due to cracking of the protective coatings due to significantly different temperature expansions of the matrix and coatings, the known heating section also does not have the necessary operational reliability at the operating parameters of the nuclear power reactor.

Анализ уровня техники в области нагревных секций, разрабатываемых для ЯРД, показывает, что использование в них керамических твэлов из коррозионностойких в потоке водорода топливосодержащих композиций на основе карбидов и циркония, является наиболее предпочтительным для достижения необходимой температуры водорода (до 3200 К) в течение требуемого ресурса работы ЯРД (несколько часов). Но выполнение многоканальных блочных нагревных секций целиком из таких композиций сопряжено с трудностями организации их эффективного охлаждения, снижающего опасность терморазрушения керамического тепловыделяющего блока, вследствие существенно неравномерного тепловыделения по высоте и поперечному сечению активной зоны. An analysis of the state of the art in the field of heating sections developed for NRE shows that the use of ceramic fuel rods from corrosion-resistant fuel-containing compositions based on carbides and zirconium in the hydrogen stream is most preferable to achieve the required hydrogen temperature (up to 3200 K) over the required resource NRE operation (several hours). But the implementation of multichannel block heating sections entirely from such compositions is fraught with difficulties in organizing their effective cooling, which reduces the risk of thermal destruction of the ceramic fuel block, due to substantially uneven heat generation along the height and cross section of the core.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности нагревной секции. The objective of the invention is to increase the operational reliability of the heating section.

Для решения поставленной задачи предлагается блочная нагревная секция, целиком выполненная из топливосодержащей композиции на основе карбидов тугоплавких металлов, в которой твэлы выполнены в виде винтообразно закрученных стержней фасонного профиля, набранных в пучок и размещенных в его поперечном сечении по треугольной решетке с контактом относительно друг друга по максимальному размеру профиля, пучок выполнен закрученным относительно оси, стержни в местах контакта диффузионно скреплены друг с другом, причем шаг закрутки стержней составляет (5-15)d, а шаг закрутки пучка составляет (5-6)D, где d описанный диаметр поперечного сечения стержня, D описанный диаметр поперечного сечения пучка. To solve this problem, a block heating section is proposed, which is entirely made of a fuel-containing composition based on refractory metal carbides, in which the fuel rods are made in the form of helically twisted shaped profile rods assembled into a bundle and placed in its cross section along a triangular lattice with contact relative to each other the maximum size of the profile, the beam is twisted relative to the axis, the rods at the contact points are diffusion bonded to each other, and the pitch of the rods is (5-15) d, and the twist of the beam is (5-6) D, where d is the described diameter of the cross section of the rod, D is the described diameter of the cross section of the beam.

Кроме того, стержни могут быть выполнены в виде трубок, например овального профиля. In addition, the rods can be made in the form of tubes, for example an oval profile.

Выполнение твэлов в виде винтообразно закрученных стержней фасонного профиля, позволяет организовать спиральную закрутку водорода в межстержневом пространстве и интенсифицировать теплообмен при незначительном увеличении гидравлического сопротивления. При выполнении стержней в виде трубок овального профиля, интенсификация теплоомбена наблюдается также и внутри трубок. Закрутка стержней в пучке относительно его оси приводит к перераспределению расхода водорода по радиусу в межстержневом пространстве из-за различия в коэффициентах гидравлического сопротивления для стержней, расположенных на разных радиусах относительно оси пучка. При этом дополнительно интенсифицируется теплообмен в периферийных областях пучка, что ведет к выравниванию температур в его поперечном сечении. Размещение стержней в поперечном сечении пучка по треугольной решетке с контактом относительно друг друга по максимальному размеру профиля обеспечивает надежное дистационирование стержней между собой с сохранением требуемых геометрических размеров каналов для прохода водорода. Диффузионное скрепление стержней в точках соприкосновения позволяет получить монолитный карбидный блок со строго заданными размерами каналов как в осевом, так и в радиальном направлениях. Такое скрепление не увеличивает исходное гидравлическое сопротивление нагревной секции и также, как и закрутка стержней в пучке, препятствует радиальному и осевому смещениям фрагментов стержней в случае, например, аварийного
растрескивания стержней. В результате предотвращается вынос фрагментов потоком водорода и закупорка ими каналов между стержнями. Также увеличивается сопротивляемость нагревной секции высокотемпературной ползучести.The execution of fuel rods in the form of screw-twisted rods shaped profile, allows you to organize a spiral twist of hydrogen in the inter-rod space and to intensify heat transfer with a slight increase in hydraulic resistance. When the rods are made in the form of oval-shaped tubes, heat transfer intensification is also observed inside the tubes. The twist of the rods in the beam relative to its axis leads to a redistribution of the hydrogen flow along the radius in the inter-rod space due to the difference in the hydraulic resistance coefficients for the rods located at different radii relative to the axis of the beam. In this case, heat transfer in the peripheral regions of the beam is intensified, which leads to equalization of temperatures in its cross section. The placement of the rods in the cross section of the beam along a triangular lattice with contact relative to each other according to the maximum size of the profile ensures reliable distance of the rods to each other while maintaining the required geometric dimensions of the channels for the passage of hydrogen. Diffusion bonding of the rods at the points of contact allows one to obtain a monolithic carbide block with strictly specified channel sizes in both axial and radial directions. Such a fastening does not increase the initial hydraulic resistance of the heating section and, like the twist of the rods in the beam, prevents radial and axial displacements of the fragments of the rods in the case of, for example, emergency
cracking rods. As a result, the removal of fragments by a stream of hydrogen and blockage of channels between the rods by them is prevented. Also increases the resistance of the heating section of high temperature creep.

Как показывают экспериментальные исследования, газовая (объемная) пористость нагревной секции может быть изменена в интервале 20-80% за счет выбора, в основном, относительной толщины профиля стержней. На практике достаточно технологичными являются сплошными стержни 2-х, 3-х, 4-х лопастного профиля, а также трубчатые стержни капилляры овального профиля. При этом толщина лопасти и стенки капилляра может составлять 0,5-3 мм, описанный диаметр 1-5 мм, шаг закрутки стержня 5-75 мм. Шаг закрутки пучка, набранного из таких стержней, составляет 50-360 мм, описанный диаметр 10-60 мм. Длина нагревной секции может составлять 50-1000 мм и более, то есть нагревная секция может быть выполнена целиком на длину всей активной зоны. С учетом экспериментальных данных по исследованию теплогидравлических и механических характеристик предлагаемой нагревной секции, шаг закрутки стержней составляет (5-15)d, где d описанный диаметр поперечного сечения стержня, а шаг закрутки пучка составляет (5-6) D, где D описанный диаметр поперечного сечения пучка. При изготовлении стержней и пучка с шагом, меньшим соответственно 5d и 5D, гидравлическое сопротивление нагревной секции существенно возрастает и, кроме того, при ее изготовлении возможны разрывы стержней и искажение их профиля. При изготовлении стержней и пучка с шагом, большим соответственно 15d и 6D, существенно снижается спиральная закрутка потока водорода и, как следствие, уменьшается интенсификация теплообмена в периферийных областях пучка, что может привести к перегреву и недопустимому растрескиванию нагревной секции. Также снижается несущая способность секции из-за уменьшения числа диффузионных соединений между стержнями. Таким образом, указанные соотношения являются оптимальными для достижения цели изобретения. As experimental studies show, the gas (volume) porosity of the heating section can be changed in the range of 20-80% due to the choice, mainly, of the relative thickness of the rods. In practice, solid rods of a 2, 3, 4 blade profile, as well as tubular rods of an oval profile capillaries, are quite technologically advanced. In this case, the thickness of the blade and capillary wall can be 0.5-3 mm, the described diameter is 1-5 mm, and the spindle pitch is 5-75 mm. The spin pitch of the beam drawn from such rods is 50-360 mm, the described diameter is 10-60 mm. The length of the heating section can be 50-1000 mm or more, that is, the heating section can be made entirely to the length of the entire active zone. Taking into account the experimental data on the study of the thermohydraulic and mechanical characteristics of the proposed heating section, the step of twisting the rods is (5-15) d, where d is the described diameter of the cross section of the rod, and the step of twisting of the beam is (5-6) D, where D is the described diameter of the cross beam section. In the manufacture of rods and a beam with a step smaller than 5d and 5D, respectively, the hydraulic resistance of the heating section increases significantly and, in addition, during its manufacture, breaks in the rods and distortion of their profile are possible. In the manufacture of rods and a beam with a step greater than 15d and 6D, respectively, the spiral twist of the hydrogen flow is significantly reduced and, as a result, the heat transfer intensification in the peripheral regions of the beam is reduced, which can lead to overheating and unacceptable cracking of the heating section. Also, the bearing capacity of the section is reduced due to a decrease in the number of diffusion joints between the rods. Thus, these ratios are optimal to achieve the objective of the invention.

На фиг. 1 изображен общий вид нагревной секции; на фиг. 2 поперечное сечение нагревной секции; на фиг. 3 витой стержень, общий вид; на фиг. 4-7 - сечение А-А на фиг. 3, варианты профилей. In FIG. 1 shows a general view of the heating section; in FIG. 2 cross section of a heating section; in FIG. 3 twisted rod, general view; in FIG. 4-7 - section AA in FIG. 3, profile options.

Нагревная секция содержит винтообразные стержневые твэлы 1 фасонного профиля, набранные в пучок 2, закрученный относительно продольной оси. В местах контакта 3 стержней друг с другом они скреплены диффузионно так, что пучок представляет собой цельное керамическое тело, пронизанное по оси спиральными каналами 4, сообщающимися друг с другом по радиусу пучка. Нагревная секция помещена внутри корпусной обечайки 5 тепловыделяющей сборки и фиксируется от радиальных перемещений в обечайке с помощью заполнителей 6. The heating section contains helical rod fuel rods 1 shaped profile, recruited into a bundle 2, twisted relative to the longitudinal axis. At the contact points of 3 rods with each other, they are diffusely bonded so that the beam is a solid ceramic body pierced along the axis by spiral channels 4, communicating with each other along the radius of the beam. The heating section is placed inside the casing 5 of the fuel assembly and is fixed from radial movements in the casing using fillers 6.

При работе нагревной секции теплоноситель-водород поступает на ее торцовую часть, попадая в каналы 4, закручивается по спирали вдоль между стержнями и одновременно часть расхода перераспределяется по радиусу в межстержневом пространстве нагревной секции, интенсифицируя теплообмен в ее периферийных областях, нагревается до высокой температуры и выходит с противоположного торца секции. During the operation of the heating section, the coolant-hydrogen enters its end part, entering the channels 4, is twisted in a spiral along between the rods and at the same time part of the flow is redistributed along the radius in the inter-core space of the heating section, intensifying heat transfer in its peripheral areas, heats up to high temperature and leaves from the opposite end of the section.

Пример. Нагревная секция содержит спиральный пучок диаметром 20 мм и длиной 800 мм из винтообразных двухлопастных стержневых твэлов диаметром 2,2 мм, с толщиной лопасти 0,9 мм и шагом 20 мм. Шаг закрутки пучка составляет 100 мм, газовая пористость 52% Твэлы изготовлены из тройного карбида ZrC-NbC-UC, с концентрацией урана до 20% мас. Максимальная температура эксплуатации нагревной секции составляет 3200 К, удельное тепловыделение до 40 МВт/л. Example. The heating section contains a spiral bundle with a diameter of 20 mm and a length of 800 mm from screw-shaped two-bladed rod fuel elements with a diameter of 2.2 mm, with a blade thickness of 0.9 mm and a pitch of 20 mm. The beam swirl pitch is 100 mm, the gas porosity is 52%. The fuel rods are made of triple carbide ZrC-NbC-UC, with a uranium concentration of up to 20% wt. The maximum operating temperature of the heating section is 3200 K, specific heat up to 40 MW / l.

После термонагружения нагревной секции в течение 2 ч при температуре 3200 К и удельной нагрузке до 10 МПа уменьшение ее длины не превышает 5% от исходной, увеличение газодинамического сопротивления не более 10%
Технология изготовления нагревной секции включает следующие основные операции:
получение "сырых" винтообразных стержневых твэлов методом продавливания пресс-массы через соответствующую фильеру (требуемого профиля);
сборка "сырых" стержней в пучок;
закрутка пучка с помощью специального приспособления;
обжатие пучка для обеспечения плотной упаковки стержней;
термообработка для спекания стержней;
диффузионная пайка для неразъемного соединения стержней в пучке;
механическая обработка полученной секции "в размер".After thermal loading of the heating section for 2 hours at a temperature of 3200 K and a specific load of up to 10 MPa, a decrease in its length does not exceed 5% of the initial one, an increase in gas-dynamic resistance is not more than 10%
The manufacturing technology of the heating section includes the following basic operations:
obtaining "raw" helical rod fuel rods by pressing the press pulp through the appropriate die (desired profile);
assembly of raw rods into a bundle;
twist the beam using a special device;
beam compression to ensure tight packing of the rods;
heat treatment for sintering rods;
diffusion soldering for one-piece connection of rods in the beam;
machining of the obtained section "in size".

Варьирование содержания урана в исходных стержнях позволяет осуществлять радиальное профилирование концентрации урана в нагревной секции. При этом за счет применения стержней с уменьшенной относительной толщиной лопастей обеспечивается возможность получения нагревной секции с соответствующим распределением газовой пористости. Например, при максимальном энерговыделении в периферийных областях нагревной секции они выполняются из стержней с меньшей относительной толщиной лопастей и с большей концентрацией урана. В результате большая газовая пористость и больший расход водорода организуются в области максимального энерговыделения, что обеспечивает более равномерное охлаждение нагревной секции. Varying the uranium content in the source rods allows for radial profiling of the uranium concentration in the heating section. Moreover, due to the use of rods with a reduced relative thickness of the blades, it is possible to obtain a heating section with an appropriate distribution of gas porosity. For example, with maximum energy release in the peripheral regions of the heating section, they are made of rods with a smaller relative thickness of the blades and with a higher concentration of uranium. As a result, greater gas porosity and greater hydrogen consumption are organized in the region of maximum energy release, which provides more uniform cooling of the heating section.

Комбинирование содержания урана в стержнях (вплоть до нулевого) при изготовлении пучка, позволяет более просто, чем в прототипе, осуществлять крепление монолитной нагревной секции в активной зоне, например, с помощью зажима типа цанги, устанавливаемой на входной, менее горячей части секции. Combining the uranium content in the rods (up to zero) in the manufacture of the beam makes it easier than in the prototype to mount a monolithic heating section in the core, for example, using a clamp type collet mounted on the input, less hot part of the section.

Как показывают опытно-экспериментальные исследования предлагаемой нагревной секции, ее эксплуатационные характеристики отвечают требованиям высокой эксплуатационной надежности перспективных ЯРД. As experimental studies of the proposed heating section show, its operational characteristics meet the high operational reliability requirements of promising NRE.

Claims

1. The heating section, including ceramic fuel rods made of a material based on refractory metal carbides, between which channels for the passage of coolant are formed, characterized in that the fuel rods are made in the form of helically twisted shaped profile rods, assembled into a bundle and placed in its cross section along a triangular lattice with contact with respect to each other according to the maximum size of the profile, the beam is twisted relative to the longitudinal axis, the rods at the contact points are diffusion bonded to each other, and arg is spin rods (May 15) d, and the twist pitch beam (June 5) D, where d-described cross-sectional diameter of the rod, D-described cross-sectional diameter of the beam.

2. Section according to claim 1, characterized in that the rods are made in the form of tubes, for example, an oval profile.