RU2217819C2

RU2217819C2 - Nuclear reactor fuel element

Info

Publication number: RU2217819C2
Application number: RU2002101637/06A
Authority: RU
Inventors: М.И. Солонин; О.А. Никишов; М.П. Васильев; А.К. Шиков; О.В. Бочаров
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2003-11-27

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: fuel element designed for use in composite fuel assembly of core power control and protection system in type VVER-440 reactor has sealed tubular can accommodating fuel pellets, fuel-stack retention pin disposed in gas expansion space, and excess neutron absorbing insert disposed between extreme pellet and retention pin. Insert is made of graphite or of graphite-zirconium alloy; can also accommodates additional fuel pellets. EFFECT: enhanced use factor of reactor core. 4 cl

Description

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции твэла для составной кассеты системы управления мощностью активной зоны (СУЗ) энергетического реактора типа ВВЭР-440. The invention relates to nuclear energy, in particular to the design of a fuel rod for a composite cassette of a core power control system (CPS) of a VVER-440 type energy reactor.

Известен твэл, состоящий из герметичной цилиндрической оболочки снаряженной топливными таблетками из двуокиси урана и закрепленные в оболочке от перемещений фиксатором топливного столба, которые используются в топливных кассетах из одной тепловыделяющей сборки (ТВС), содержащей дистанционированный решетками шестигранной пучок твэлов и направляющие каналы. Регулировка мощности в таких кассетах производится вертикальным перемещением поглощающих стержней в направляющих каналах [1, 2]. Работоспособность твэлов в таких ТВС высокая, т.к. энерговыделение по высоте практически постоянно за исключением концов, где оно несколько понижено. Недостатком таких кассет является пониженная загрузка топлива, т.к. часть объема кассеты занято направляющими каналами. A fuel rod is known, consisting of a sealed cylindrical shell equipped with uranium dioxide fuel pellets and fixed in the shell from displacements by a fuel column retainer, which are used in fuel cartridges from a single fuel assembly (FA) containing a hexagonal bundle of fuel rods spaced by gratings and guide channels. Power adjustment in such cartridges is carried out by vertical movement of the absorbing rods in the guide channels [1, 2]. The performance of fuel elements in such fuel assemblies is high, because energy release in height is almost constant except for the ends where it is somewhat lowered. The disadvantage of such cassettes is reduced fuel loading, because part of the cassette volume is occupied by guide channels.

Известен твэл, взятый авторами за прототип [3], состоящий из заполненной топливными таблетками из двуокиси урана герменичной цилиндрической оболочки, фиксатора топливного столба, предотвращающего перемещение топливных таблеток в процессе транспортных операций, 100 мм столбика из нержавеющей стали, размещенного между торцом верхней топливной таблетки и фиксатором топливного столба и газового компенсационного объема в верхней части твэла, которые используются в тепловыделяющих сборках составных кассет СУЗ для активных зон реакторов типа ВВЭР-440. Нижняя тепловыделяющая сборка кассеты состоит из дистанционированными решетками шестигранного пучка твэлов в чехловой трубе, а верхняя надставка, которая крепится на чехловой трубе тепловыделяющей сборки, содержит поглащающие материалы. Кассета СУЗ используется для выработки энергии и управлением мощностью активной зоны реактора за счет их вертикального перемещения. Для снижения мощности тепловыделяющая сборка кассеты СУЗ выводится из активной зоны, а поглащающая надставка вводится. При регулировании мощности в районе стыка кассеты, где находится 30 мм водяной зазор между надставкой и торцом твэлов, а также газовые компенсационные объемы твэлов, образуется всплеск нейтронного поля, который вызывает недопустимое повышение энерговыделения на верхних концах твэлов. Для устранения повышенного энерговыделения в твэлы кассеты СУЗ помещают 100 мм нержавеющие столбики (3). Недостатком известного технического решения является снижение загрузки топлива в твэлы вследствие установки в них нержавеющих столбиков, в результате чего снижается выработка энергии и экономические показатели работы АЭС. Known fuel rod, taken by the authors for the prototype [3], consisting of a germanium cylindrical shell filled with fuel pellets of uranium dioxide, a fuel column retainer that prevents the movement of fuel pellets during transport operations, a 100 mm stainless steel column placed between the end of the upper fuel pellet and fixator of the fuel column and gas compensation volume in the upper part of the fuel rod, which are used in the fuel assemblies of composite cassettes of CPS for active zones of reactors type and VVER-440. The lower fuel assembly of the cartridge consists of the spaced apart lattices of the hexagonal bundle of fuel rods in the jacket pipe, and the upper extension, which is mounted on the jacket pipe of the fuel assembly, contains absorbing materials. The CPS cassette is used to generate energy and control the power of the reactor core due to their vertical movement. To reduce power, the fuel assembly of the CPS cartridge is removed from the core, and the absorbing extension is introduced. When adjusting the power in the region of the cassette junction, where there is a 30 mm water gap between the extension and the end of the fuel rods, as well as gas compensation volumes of the fuel rods, a neutron field surge is generated, which causes an unacceptable increase in energy release at the upper ends of the fuel rods. To eliminate the increased energy release, 100 mm stainless posts (3) are placed in the fuel rods of the CPS cassettes. A disadvantage of the known technical solution is the reduction in fuel loading in the fuel rods due to the installation of stainless posts in them, resulting in reduced energy production and economic performance of nuclear power plants.

Технической задачей изобретения является увеличение эффективности использования активной зоны реактора. An object of the invention is to increase the efficiency of use of the reactor core.

Решение технической задачи достигается тем, что в твэле (состоящем из герметичной трубчатой оболочки, в которой размещены топливные таблетки, фиксатор топливного столба, размещенный в газовом компенсационном объеме, и вкладыш для поглощения избыточных нейтронов, размещенный между крайней таблеткой и фиксатором), вкладыш выполнен из гафния или из сплава гафния с цирконием, а в оболочке размещены дополнительные топливные таблетки. The solution to the technical problem is achieved by the fact that in the fuel rod (consisting of a sealed tubular casing in which the fuel pellets are placed, a fuel column retainer located in the gas compensation volume, and an insert for absorbing excess neutrons placed between the extreme pill and the retainer), the liner is made of hafnium or from an alloy of hafnium with zirconium, and additional fuel pellets are placed in the shell.

В частном варианте выполнения изобретения для изготовления вкладыша используют сплав гафния с цирконием при содержании гафния от 15% мас. до 90% мас. In a particular embodiment of the invention, an alloy of hafnium with zirconium is used for the manufacture of the liner with a hafnium content of 15% wt. up to 90% wt.

В другом частном варианте выполнения изобретения вкладыш выполняют высотой от 0,5 до 2,5 внутреннего диаметра оболочки. In another particular embodiment of the invention, the liner is made with a height of from 0.5 to 2.5 of the inner diameter of the shell.

В другом частном варианте выполнения изобретения вкладыш выполняется в форме таблетки, диаметр которой изменяется в пределах изменения диаметра топливных таблеток. In another particular embodiment, the liner is in the form of a tablet, the diameter of which varies within the limits of the diameter of the fuel tablets.

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показан общий вид твэла по прототипу. Figure 1 shows a General view of the fuel rod of the prototype.

На фиг.2 показан общий вид твэла по предлагаемому изобретению. Figure 2 shows a General view of the fuel rod according to the invention.

На фиг. 1 показана конструкция твэла для ТВС СУЗ реактора ВВЭР-440 по прототипу. Твэл состоит из трубчатой оболочки (5), герметизированной со стороны торцов заглушками (1) и (6). Внутри оболочки размещены топливные таблетки (4), фиксатор (2) топливного столба, вкладыш (3), выполненный в виде стержня из нержавеющей стали высотой 100 мм. In FIG. 1 shows the design of the fuel rod for the fuel assemblies of the CPS of the VVER-440 reactor according to the prototype. A fuel rod consists of a tubular shell (5), sealed from the end faces with plugs (1) and (6). Inside the shell are placed fuel pellets (4), a retainer (2) of the fuel column, an insert (3) made in the form of a stainless steel rod 100 mm high.

На фиг. 2 показана конструкция твэла для ТВС СУЗ реактора ВВЭР-440 по предлагаемому изобретению. Твэл состоит из трубчатой оболочки (5), герметизированной со стороны торцов заглушками (1) и (6). Внутри оболочки размещены топливные таблетки (4), дополнительные топливные таблетки (7), фиксатор (2) топливного столба, вкладыш (3), выполненный из гафния или сплава гафния с цирконием. Содержание гафния в сплаве задают в пределах от 15% до 90% мас. Указанные пределы содержания циркония в сплаве (от 15% до 90% мас.) обусловлено двумя факторами: необходимостью обеспечения заданного количества поглощающего нейтроны материала - гафния в зоне торца верхней таблетки и необходимостью получения вкладыша объема и формы, удобной для снаряжения оболочки твэла при его изготовлении. Оптимальным является выполнение вкладыша в форме таблетки с высотой в диапазоне от 0,5 до 2,5 внутреннего диаметра оболочки и диаметром в пределах, установленных для таблетки ядерного топлива. Геометрические параметры вкладыша в указанных пределах позволяют изготавливать твэлы без усложнения технологии его снаряжения. In FIG. 2 shows the design of the fuel rod for the fuel assemblies of the CPS of the VVER-440 reactor according to the invention. A fuel rod consists of a tubular shell (5), sealed from the end faces with plugs (1) and (6). Inside the shell are fuel pellets (4), additional fuel pellets (7), a fuel column retainer (2), an insert (3) made of hafnium or an alloy of hafnium with zirconium. The hafnium content in the alloy is set in the range from 15% to 90% wt. The indicated limits of the zirconium content in the alloy (from 15% to 90% wt.) Are due to two factors: the need to provide a given amount of neutron-absorbing material - hafnium in the area of the end face of the upper tablet and the need to obtain a liner of volume and shape suitable for equipping the fuel cladding during its manufacture . Optimal is the implementation of the insert in the form of tablets with a height in the range from 0.5 to 2.5 of the inner diameter of the shell and a diameter within the limits established for the tablet of nuclear fuel. The geometric parameters of the liner within the specified limits allow the manufacture of fuel rods without complicating the technology of its equipment.

Кассета СУЗ, изготовленная с использованием твэлов в соответствии с предложенным решением, работает следующим образом. При регулировании мощности активной зоны реакторов типа ВВЭР-440 в зоне стыка ТВС и надставкой, где расположены газовые компенсационные объемы и водяной зазор между верхними торцами твэлов и надставкой, повышается концентрация тепловых нейтронов по сравнению с другими частями ТВС кассеты, где расположены твэлы с топливными таблетками, имеющими большое сечение захвата тепловых нейтронов. Размещенный в твэле вкладыш из гафния или сплава гафния с цирконием, имеющий высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (около 105 барн), поглощает избыточные нейтроны и тем самым снижает тепловыделение на верхних таблетках ТВС СУЗ. Гафний совместим с циркониевыми сплавами и двуокисью урана, его коррозионная стойкость в реакторных условиях выше, чем у сплавов циркония. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов в гафнии в процессе эксплуатации изменяется всего на несколько %. Дополнительные топливные таблетки, которые в соответствии с изобретением размещены в верхней части твэла (вместо части объема вкладыша из нержавеющей стали), позволяют увеличить загрузку топлива в твэлах ТВС на 3,5-4% и получать соответствующее дополнительное энерговыделение. CPS cartridge made using fuel rods in accordance with the proposed solution, works as follows. When adjusting the power of the VVER-440 core in the fuel joint region and extension, where the gas compensation volumes and the water gap between the upper ends of the fuel rods and the extension are located, the concentration of thermal neutrons increases compared to other parts of the fuel assembly cartridge where fuel pellets are located having a large capture cross section of thermal neutrons. A liner of hafnium or an alloy of hafnium with zirconium placed in a fuel rod, having a high thermal neutron capture cross section (about 105 barn), absorbs excess neutrons and thereby reduces heat generation on the upper pellets of the CPS TVS. Hafnium is compatible with zirconium alloys and uranium dioxide, its corrosion resistance in reactor conditions is higher than that of zirconium alloys. The cross section for the capture of thermal neutrons in hafnium during operation changes by only a few%. Additional fuel pellets, which, in accordance with the invention, are located in the upper part of the fuel rod (instead of part of the volume of the stainless steel liner), can increase the fuel load in the fuel rods of fuel assemblies by 3.5-4% and obtain the corresponding additional energy release.

Новый технический результат изобретения состоит в том, что при использовании кассет СУЗ с вкладышем, содержащим гафний, в ТВС обеспечивается существенное увеличение загрузки топлива в этих твэлах при сохранении равномерного выгорания топлива в твелах рабочих кассет. За счет этого снижается себестоимость вырабатываемой на АЭС электроэнергии. A new technical result of the invention is that when using CPS cassettes with an insert containing hafnium, fuel assemblies provide a significant increase in fuel loading in these fuel rods while maintaining uniform burnup of fuel in the rods of working cartridges. Due to this, the cost of electricity generated at nuclear power plants is reduced.

Источники информации
1. Емельянов И.Е. Энергетические ядерные реакторы. М., Энергоатомиздат, 1984 г., с.18-30.Sources of information
1. Emelyanov I.E. Power nuclear reactors. M., Energoatomizdat, 1984, p. 18-30.

2. Решетников Ф.Г. Разработка производства и эксплуатации тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. М., Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1., с.185. 2. Reshetnikov F.G. Development of the production and operation of fuel elements of power reactors. M., Energoatomizdat, 1995, book 1., p. 185.

3. Сидоренко В.А. Вопросы безопасной работы реакторов ВВЭР. М., Атомиздат, 1977, с.141-142 - прототип. 3. Sidorenko V.A. Issues of safe operation of VVER reactors. M., Atomizdat, 1977, p.141-142 - prototype.

Claims

1. A fuel rod of a nuclear reactor, consisting of a sealed tubular shell in which fuel pellets are placed, a fuel column retainer housed in a gas compensation volume, and an excess neutron absorption liner placed between the outermost pellet and the retainer, characterized in that the liner is made of hafnium or from an alloy of hafnium with zirconium, and additional fuel pellets are placed in the shell.

2. The fuel rod according to claim 1, characterized in that for the manufacture of the liner using an alloy of hafnium with zirconium with a hafnium content of from 15 to 90 wt.%.

3. The fuel rod according to claim 1, characterized in that the liner is made with a height of from 0.5 to 2.5, the inner diameter of the shell.

4. The fuel rod according to claim 1, characterized in that the liner is made in the form of tablets with a diameter in the range specified for fuel tablets.