RU2141693C1

RU2141693C1 - Fuel assembly of water-cooled reactor

Info

Publication number: RU2141693C1
Application number: RU98114784A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Бурлаков; А.В. Краюшкин; А.И. Купалов-Ярополк; В.А. Николаев; А.К. Панюшкин; А.М. Федосов; Ю.М. Черкашов; В.А. Межуев; Г.Г. Потоскаев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод"; Государственное унитарное предприятие "НИКИЭТ"; Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 1999-11-20
Also published as: LT99095A; LT4678B

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: fuel filling the fuel assembly has in its composition uranium dioxide and erbium oxide dope whose content is not to exceed 0.46 mass percent of erbium; mass proportion of U-235 equivalent in fissionable fuel is to be 2,35 to 2.65 mass percent so as to ensure uniform spatial energy distribution of neutrons while retaining adequate fuel properties. EFFECT: improved fuel burn-up and uniformity of spatial energy distribution of neutrons. 2 cl

Description

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям тепловыделяющих сборок водоохлаждаемых ядерных реакторов, использующих в своем составе ядерное топливо на основе двуокиси урана с выгоряющим поглотителем в виде окиси эрбия. The invention relates to nuclear engineering, in particular to the designs of fuel assemblies of water-cooled nuclear reactors using nuclear fuel based on uranium dioxide with a burnout absorber in the form of erbium oxide.

Уровень техники. The prior art.

В настоящее время активные зоны ядерных водоохлаждаемых реакторов формируются из тепловыделяющих сборок, содержащих топливо различного состава с добавкой выгорающего поглотителя, что позволяет компенсировать реактивность, выравнивать энерговыделение по объему активной зоны и поддерживать температурный коэффициент реактивности на заданном уровне. В качестве выгорающего поглотителя используются редкоземельные элементы и их оксиды, в частности эрбий (1). At present, the active zones of nuclear water-cooled reactors are formed from fuel assemblies containing fuel of various compositions with the addition of a burnable absorber, which makes it possible to compensate for reactivity, equalize energy release over the volume of the active zone and maintain the temperature coefficient of reactivity at a given level. Rare earth elements and their oxides, in particular erbium, are used as a burnable absorber (1).

Эрбий при использовании его в качестве выгорающего поглотителя, в отличие от других редкоземельных элементов, вводится в ядерное топливо в значительно меньших концентрациях, что положительно сказывается на физических, теплотехнических и технологических свойствах топлива. В частности, добавление в топливо эрбия оказывает слабое влияние на такой фактор, как коэффициент теплопроводности топлива. Erbium, when used as a burnable absorber, unlike other rare-earth elements, is introduced into nuclear fuel in much lower concentrations, which positively affects the physical, thermal and technological properties of the fuel. In particular, the addition of erbium to the fuel has a weak effect on a factor such as the thermal conductivity of the fuel.

Известна тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, охлаждаемого водой, содержащая тепловыделяющие элементы с топливом в виде окиси урана (UO), в котором содержится эрбий с концентрацией от 0,3 до 0,8% (2). Введение эрбия в топливо канального ядерного реактора типа РБМК (реактор большой мощности канальный) позволяет уменьшить величину эффекта обезвоживания, увеличить подкритичность расхоложенного и разотравленного реактора и увеличить подкритичность реактора после сброса всех стержней СУЗ. Наличие эрбия в топливе РБМК позволяет также осуществить замену в активной зоне дополнительных поглотителей (ДП) на рабочие тепловыделяющие сборки, что повысит глубину выгорания топлива. Known fuel assembly of a channel nuclear reactor cooled by water, containing fuel elements with fuel in the form of uranium oxide (UO), which contains erbium with a concentration of from 0.3 to 0.8% (2). The introduction of erbium into the fuel of a RBMK-type channel nuclear reactor (high-power channel reactor) can reduce the dehydration effect, increase the subcriticality of the disposed and poisoned reactor, and increase the subcriticality of the reactor after dumping all CPS rods. The presence of erbium in RBMK fuel also allows replacement of additional absorbers (DP) in the active zone with working fuel assemblies, which will increase the fuel burnup depth.

Таким образом, введение эрбия в топливо тепловыделяющего сборок РБМК позволяет решить несколько проблем, присущих отмеченному типу реактора. Thus, the introduction of erbium into the fuel of RBMK fuel assemblies makes it possible to solve several problems inherent in this type of reactor.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является тепловыделяющая сборка водоохлаждаемого ядерного реактора, содержащая тепловыделяющие элементы, заполненные таблетками ядерного топлива в виде двуокиси урана (UO₂) с добавкой не менее 0,2% окиси эрбия (Er₂O₃) (3).The closest in technical essence and the achieved result to the described invention is a fuel assembly of a water-cooled nuclear reactor containing fuel elements filled with pellets of nuclear fuel in the form of uranium dioxide (UO ₂ ) with the addition of at least 0.2% erbium oxide (Er ₂ O ₃ ) (3).

Наличие эрбия с массовым содержанием от 0,2 до 1,5% в топливе известной тепловыделяющей сборке в известном водо-водяном реакторе позволяет снизить концентрацию бора в теплоносителе-воде и тем самым снизить температурный коэффициент замедлителя именно для данного типа реактора. The presence of erbium with a mass content of 0.2 to 1.5% in the fuel of a known fuel assembly in a known water-to-water reactor allows one to reduce the concentration of boron in the heat-carrier water and thereby reduce the temperature coefficient of the moderator specifically for this type of reactor.

Таким образом, использование топлива с добавкой эрбия в достаточно широком диапазоне его содержания предполагает улучшение параметров вышеописанных водоохлаждаемых реакторов с учетом их специфики, но не учитывает некоторое ухудшение характеристик собственно топлива и их влияния на условия эксплуатации реактора. Действительно, при содержании эрбия в топливе более 1% увеличивается неравномерность концентрации эрбия по объему топлива, ухудшаются технологические свойства топлива, что снижает коэффициент его использования. Thus, the use of erbium-added fuel in a fairly wide range of its contents implies an improvement in the parameters of the above-described water-cooled reactors, taking into account their specificity, but does not take into account a slight deterioration in the characteristics of the fuel itself and their influence on the operating conditions of the reactor. Indeed, when the erbium content in the fuel is more than 1%, the uneven concentration of erbium in the fuel volume increases, the technological properties of the fuel deteriorate, which reduces its utilization.

Сущность изобретения. SUMMARY OF THE INVENTION

Задачей настоящих изобретений является создание тепловыделяющей сборки водоохлаждаемого ядерного реактора, обладающей улучшенными характеристиками собственно топливной части. The present invention is the creation of a fuel assembly of a water-cooled nuclear reactor with improved characteristics of the actual fuel part.

В результате решения задачи реализуются новые технические результаты, заключающиеся в повышении степени выгорания топлива, снижении неравномерности пространственно-энергетического распределения нейтронов при сохранении технологических свойств топлива. As a result of solving the problem, new technical results are realized, consisting in increasing the degree of fuel burnup, reducing the unevenness of the spatial and energy distribution of neutrons while maintaining the technological properties of the fuel.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке водохлаждаемого ядерного реактора, содержащей тепловыделяющие элементы, заполненные таблетки ядерного топлива в виде двуокиси урана (UO₂) с добавкой не менее 0,2% окиси эрбия (Er₂O₃), содержание окиси эрбия в ядерном топливе составляет не более 0,46 вес.% по эрбию.These technical results are achieved in that in the fuel assembly of a water-cooled nuclear reactor containing fuel elements, filled tablets of nuclear fuel in the form of uranium dioxide (UO ₂ ) with the addition of at least 0.2% erbium oxide (Er ₂ O ₃ ), the content of erbium oxide in nuclear fuel is not more than 0.46 wt.% erbium.

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в том, что содержание окиси эрбия в топливе составляет не более 0,43 вес.% по эрбию, а условная массовая доля U-235 в ядерном топливе составляет от 2,35 до 2,65 вес. %. Экспериментально установлено, что повышение концентрации окиси эрбия выше указанной величины приводит к снижению плотности и увеличению открытой пористости ядерного топлива, что негативно сказывается на его нейтронно-физических параметрах и технологических свойствах. Кроме того, при содержании окиси эрбия в топливе от 0,2 до 0,46 вес.% по эрбию существенно снижается неоднородность концентрации эрбия внутри топливной таблетки, что практически исключает влияние на пространственно-энергетическое распределение нейтронов, т.е. на условия работы топлива, поскольку самоблокировка эрбия в этом случае пренебрежительно мала. Причем вышеотмеченные положительные факторы, обусловленные добавкой эрбия в топливо, имеют место при условной массовой доли U-235 в ядерном топливе от 2,35 до 2,65 вес.%. A distinctive feature of the described invention is that the content of erbium oxide in the fuel is not more than 0.43 wt.% Erbium, and the conditional mass fraction of U-235 in nuclear fuel is from 2.35 to 2.65 weight. % It was experimentally established that increasing the concentration of erbium oxide above the specified value leads to a decrease in density and an increase in the open porosity of nuclear fuel, which negatively affects its neutron-physical parameters and technological properties. In addition, when the erbium oxide content in the fuel is from 0.2 to 0.46% by weight for erbium, the heterogeneity of the erbium concentration inside the fuel pellet is significantly reduced, which virtually eliminates the effect on the spatial-energy distribution of neutrons, i.e. on the operating conditions of the fuel, since the self-locking of erbium in this case is negligible. Moreover, the above-mentioned positive factors due to the addition of erbium to the fuel take place with a conditional mass fraction of U-235 in nuclear fuel from 2.35 to 2.65 wt.%.

Целесообразно иметь содержание окиси эрбия в ядерном топливе на уровне 0,41 + 0,005 вес.% по эрбию. It is advisable to have a content of erbium oxide in nuclear fuel at the level of 0.41 + 0.005 wt.% Erbium.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Information confirming the possibility of carrying out the invention.

Описываемая тепловыделяющая сборка водоохлаждаемого ядерного реактора изготавливается известным образом с помощью обычных средств на стандартном оборудовании. Процесс изготовления сборки предполагает производство тепловыделяющих элементов, заполняемых таблетками ядерного топлива в виде двуокиси урана (UO₂) с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃). Топливо должно иметь определенный фазовый состав, средний размер зерна, максимальный размер непрореагировавших частиц и прочие параметры.The described fuel assembly of a water-cooled nuclear reactor is manufactured in a known manner using conventional means on standard equipment. The assembly process involves the production of fuel elements filled with pellets of nuclear fuel in the form of uranium dioxide (UO ₂ ) with the addition of erbium oxide (Er ₂ O ₃ ). The fuel should have a certain phase composition, average grain size, maximum size of unreacted particles and other parameters.

Технология изготовления таблеток ядерного топлива заключается в следующем. В смесителе, в частности лопастного типа, готовится двухкомпонентная смесь двуокиси урана и оксида эрбия требуемого состава, которая далее подвергается смешению со стандартным пластификатором. После чего производят грануляцию смеси с пластификатором с последующим измельчением гранул и рассевом на стадии подготовки пресс-порошка. После сушки пресс-порошка производят прессование таблеток и их спекание. Полученными таблетками снаряжают тепловыделяющие элементы, входящие в состав тепловыделяющих сборок. The manufacturing technology of nuclear fuel pellets is as follows. In the mixer, in particular the blade type, a two-component mixture of uranium dioxide and erbium oxide of the desired composition is prepared, which is then mixed with a standard plasticizer. Then granulate the mixture with a plasticizer, followed by grinding the granules and sieving at the stage of preparation of the press powder. After drying the press powder, the tablets are pressed and sintered. The resulting tablets equip the fuel elements included in the fuel assemblies.

На всех этапах изготовления тепловыделяющих сборок производят контроль их параметров. Контролирование содержания эрбия в топливе может быть осуществлено различными методами, например рентгено-радиометрическим способом. At all stages of the manufacture of fuel assemblies, their parameters are monitored. The control of the erbium content in the fuel can be carried out by various methods, for example, by X-ray radiometric method.

Использованная литература
1. WO 95/04994 A1, 1995.References
1. WO 95/04994 A1, 1995.

2. RU 2065627 C, 1996. 2. RU 2065627 C, 1996.

3. WO 91/14268 A1, 1991. 3. WO 91/14268 A1, 1991.

Claims

1. The fuel assembly of a water-cooled nuclear reactor containing fuel elements filled with pellets of nuclear fuel in the form of uranium dioxide (UO ₂ ) with the addition of at least 0.2% erbium oxide (Er ₂ O ₃ ), characterized in that the content of erbium oxide in nuclear fuel is not more than 0.46 weight. % erbium, and the conditional mass fraction of U-235 in nuclear fuel is from 2.35 to 2.65 wt.%.

2. The fuel assembly of the water-cooled nuclear reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the content of erbium oxide in the nuclear fuel is 0.41 + 0.005 wt.% Erbium.