RU2316066C2

RU2316066C2 - Nuclear reactor fuel element

Info

Publication number: RU2316066C2
Application number: RU2005140682/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Алексеевич Енин; Михаил Григорьевич Зарубин; Владимир Владимирович Рожков; Александр Владимирович Струков; Александр Антонович Кислицкий; Михаил Викторович Полозов; Анатолий Васильевич Медведев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов"
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2008-01-27
Also published as: RU2005140682A

Abstract

FIELD: nuclear power engineering; power reactor fuel elements.

SUBSTANCE: proposed nuclear-reactor fuel element has can sealed with plugs to maintain atmosphere of desired composition therein and pelletized nuclear fuel of enriched uranium disposed within can. Pellets are provided with axial hole and are assembled in fuel column terminating on both ends with shields made of depleted uranium and held tight against fuel column and against one of plugs by means of lock. The latter is disposed in expansion volume of fuel element can. Surfaces of fuel column and shields adjoin inner surface of can in a spaced relation to the latter. Cylindrical pellets form shield. They have axial hole whose axial diameter amounts to 1.2-2.3 of that of pellet column hole. Hole between surface of shields and inner surface of pellets amounts to 1.0-1.3 of clearance between fuel column surface and inner surface of can.

EFFECT: facilitated manufacture of fuel elements, enhanced in-service safety of reactor core incorporating proposed fuel elements.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов ядерного энергетического реактора.The invention relates to nuclear engineering, in particular to the design of the fuel elements of a nuclear power reactor.

Одним из требований к конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов) стержневого типа для атомных станций является наличие под их оболочкой атмосферы заданного состава и давления. Необходимая атмосфера под оболочкой твэла создается при их изготовлении путем вакуумирования и последующего заполнения свободного объема под оболочкой твэла гелием. Этому способствует то, что, как правило, такие твэлы имеют по оси топливных таблеток, образующих топливный стержень, отверстие, существенно упрощающие создание под оболочкой требуемой атмосферы. Типичным примером такой конструкции являются твэлы типа ВВЭР (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов, книга 2, Москва, Энергоатомиздат, 1995 г., стр.218).One of the requirements for the design of rod type fuel elements (fuel rods) for nuclear plants is the presence of a given composition and pressure under their shell. The necessary atmosphere under the cladding of a fuel rod is created during their manufacture by evacuation and subsequent filling of the free volume under the cladding of a fuel rod with helium. This is facilitated by the fact that, as a rule, such fuel rods have an opening along the axis of the fuel pellets forming the fuel rod, which greatly simplifies the creation of the required atmosphere under the cladding. A typical example of this design are WWER fuel rods (see Design, Production, and Operation of Fuel Elements for Power Reactors, Book 2, Moscow, Energoatomizdat, 1995, p. 218).

Известный твэл содержит герметизированную приваренными по ее торцам заглушками оболочку, под которой находится атмосфера заданного состава и давления, ядерное топливо в виде керамических таблеток из обогащенного урана, образующих топливный столб, поджатый к одной из заглушек фиксатором, расположенным в компенсационном объеме твэла. Таблетки имеют осевое отверстие и гарантированный зазор с внутренней стенкой оболочки. Конструкция твэла технологична и обеспечивает быстрое создание под его оболочкой атмосферы заданного состава и давления, однако такой твэл не всегда может быть использован для работы в реакторе, например, когда по соображениям безопасности по торцам топливного столба должны быть установлены защитные экраны из обедненного или природного урана, которые в данном твэле отсутствуют. Такие защитные экраны устанавливаются, например, в твэлах для реакторов на быстрых нейтронах (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов, книга 2, Москва, Энергоатомиздат, 1995 г., с.218) - прототип. Данный твэл является наиболее близким к предлагаемому техническому решению.A well-known fuel rod contains a shell sealed by welded end caps, under which there is an atmosphere of a given composition and pressure, nuclear fuel in the form of ceramic pellets from enriched uranium, forming a fuel column, pressed to one of the plugs by a retainer located in the compensation volume of the fuel rod. The tablets have an axial hole and guaranteed clearance with the inner wall of the shell. The fuel element’s design is technologically advanced and ensures the rapid creation of an atmosphere of a given composition and pressure under its cladding; however, such a fuel element cannot always be used for operation in a reactor, for example, when for safety reasons protective shields made of depleted or natural uranium should be installed at the ends of the fuel column, which are missing in this fuel pin. Such protective shields are installed, for example, in fuel rods for fast neutron reactors (see Design, production and operation of fuel elements of power reactors, book 2, Moscow, Energoatomizdat, 1995, p.218) - prototype. This fuel rod is the closest to the proposed technical solution.

Твэл состоит из герметизированной приваренными по ее торцам заглушками оболочки, заполненной ядерным топливом в виде керамических таблеток из обогащенного урана, имеющих осевое отверстие и образующих топливный столб, по концам которого расположены поджатые к топливному столбу и к одной из заглушек фиксатором, расположенным в компенсационном объеме твэла, защитные экраны, представляющие собой столбчатый набор цилиндрических таблеток сплошного сечения из обедненного урана и имеющих также, как и топливный столб, гарантированный зазор с внутренней стенкой оболочки твэла.A fuel rod consists of a shell sealed with welded end caps filled with nuclear fuel in the form of enriched uranium ceramic pellets having an axial hole and forming a fuel column, at the ends of which are clamped to the fuel column and to one of the plugs with a latch located in the compensation volume of the fuel rod , protective shields, which are a columnar set of cylindrical pellets of solid section made from depleted uranium and having, like the fuel pillar, a guaranteed clearance with the inner wall of the fuel cladding.

Наличие защитных экранов применительно к реакторам типа ВВЭР позволяет использовать твэлы такой конструкции в переходных режимах работы реакторов в процессе замены одних модификаций топливных кассет другими. Однако твэл не технологичен, так как осевое отверстие в таблетках топливного столба закрыто по торцам таблетками защитных экранов. В результате создание требуемой под оболочкой твэла атмосферы достигается только за счет зазоров между стенкой оболочки и таблетками, образующими топливный столб и защитные экраны, и зазоров между торцами поджатых между собой таблеток. Это существенно увеличивает время, необходимое для создания под оболочкой твэла атмосферы заданного состава. Выполнение осевого отверстия в таблетках защитных экранов по аналогии с таблетками топливного столба не может быть решением проблемы по причине возникновения возможности смешения топливных таблеток и таблеток защитного экрана и затруднения контроля из-за идентичной геометрии таблеток.The presence of protective shields in relation to VVER-type reactors allows the use of fuel elements of this design in transient operation of reactors in the process of replacing some modifications of fuel cartridges with others. However, the fuel rod is not technologically advanced, since the axial hole in the pillars of the fuel column is closed at the ends with pellets of protective screens. As a result, the creation of the atmosphere required under the cladding of a fuel rod is achieved only due to the gaps between the cladding wall and the tablets forming the fuel column and the shields, and the gaps between the ends of the pinched tablets. This significantly increases the time required to create an atmosphere of a given composition under the cladding of a fuel rod. Filling the axial hole in the tablets of the protective screens by analogy with the tablets of the fuel column cannot be a solution to the problem due to the possibility of mixing fuel tablets and tablets of the protective screen and the difficulty of control due to the identical geometry of the tablets.

Технической задачей изобретения является повышение технологичности изготовления твэлов, имеющих защитные экраны, и обеспечение безопасности активной зоны реактора при эксплуатации таких твэлов.An object of the invention is to increase the manufacturability of the manufacture of fuel rods having protective shields, and to ensure the safety of the reactor core during operation of such fuel rods.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном тепловыделяющем элементе, состоящем из герметизированной приваренными по ее торцам заглушками оболочки, заполненной ядерным топливом в виде керамических таблеток из обогащенного урана, имеющих осевое отверстие и образующих топливный столб, по концам которого расположены поджатые к нему и к одной из заглушек фиксатором, расположенным в компенсационном объеме тепловыделяющего элемента, защитные экраны, представляющие собой столбчатый набор цилиндрических таблеток из обедненного или природного урана и имеющие также, как и топливный столб, гарантированный зазор с внутренней стенкой оболочки, согласно изобретению, таблетки, образующие защитный экран, имеют осевое отверстие, диаметр которого составляет 1,3-2,3 диаметра осевого отверстия таблеток топливного столба, а величина зазора между таблетками защитного экрана и внутренней стенкой оболочки находится в пределах 1-1,2 от величины зазора, образованного со стенкой оболочки таблетками топливного столба.The solution of this problem is achieved by the fact that in the known fuel element, consisting of a shell sealed at its ends with caps, filled with nuclear fuel in the form of ceramic pellets from enriched uranium, having an axial hole and forming a fuel column, at the ends of which are pressed to it and to one of the plugs with a retainer located in the compensation volume of the fuel element, protective shields, which are a columnar set of cylindrical tablets from the poor of natural or natural uranium and having, as well as the fuel column, guaranteed clearance with the inner wall of the shell, according to the invention, the tablets forming a protective shield have an axial bore, the diameter of which is 1.3-2.3 diameters of the axial bore of the pillars of the fuel column, and the size of the gap between the tablets of the protective screen and the inner wall of the shell is within 1-1.2 of the size of the gap formed with the wall of the shell by the tablets of the fuel column.

Указанная совокупность признаков является новой, не известной из уровня техники и решает поставленную задачу, так как:The specified set of features is new, not known from the prior art and solves the problem, since:

- наличие в таблетках, образующих защитные экраны, осевого отверстия позволят исключить под оболочкой твэла наличие замкнутых объемов, затрудняющих создание под его оболочкой атмосферы заданного состава, тем самым сокращается время на его вакуумирование и создание под оболочкой атмосферы заданного состава, что в конечном итоге снижает потребность в количестве оборудования для герметизации таких твэлов;- the presence in the tablets forming protective shields of an axial hole will eliminate the presence of closed volumes under the cladding of a fuel rod, making it difficult to create an atmosphere of a given composition under its cladding, thereby reducing the time for its evacuation and creating a given composition under the cladding of the atmosphere, which ultimately reduces the need in the amount of equipment for sealing such fuel rods;

- превышение диаметра осевого отверстия в таблетках защитных экранов около 1,3 раза по сравнению с диаметром осевого отверстия в таблетках топливного столба позволяет однозначно идентифицировать таблетки, имеющие разное обогащение по топливной составляющей, упрощает контроль за количеством топлива в твэле, тем самым гарантирует безопасную работу твэлов в реакторе, увеличение этого соотношения более чем в 2, 3 раза нецелесообразно как с точки зрения обеспечения прочности таблеток защитных экранов, так и с точки зрения технологичности их изготовления. Кроме этого дальнейшее увеличение этого отношения снижает эффективность работы защитных экранов;- the excess of the diameter of the axial hole in the tablets of the protective shields by about 1.3 times compared with the diameter of the axial hole in the tablets of the fuel column allows you to uniquely identify tablets having different enrichment in the fuel component, simplifies the control of the amount of fuel in the fuel rod, thereby ensuring the safe operation of the fuel rods in the reactor, an increase in this ratio by more than 2, 3 times is impractical both from the point of view of ensuring the strength of the tablets of the protective screens, and from the point of view of their manufacturability anufacture. In addition, a further increase in this ratio reduces the efficiency of protective screens;

- выдерживание соотношения величины зазора между экранными таблетками и внутренней стенкой оболочки в пределах 1,0-1,2 от величины этого зазора, образованного топливными таблетками, также способствует уменьшению времени вакуумирования твэла, которое, по существу, не изменяется по сравнению с этим временем у твэлов иной конструкции, выпускаемых серийно. Увеличение этого соотношения более чем в 1, 2 раза увеличивает время вакуумирования внутреннего объема за счет образования со стороны нижнего конца твэла дополнительного свободного объема.- maintaining the ratio of the gap between the screen tablets and the inner wall of the shell within 1.0-1.2 of the size of this gap formed by the fuel tablets also helps to reduce the evacuation time of the fuel rod, which essentially does not change compared to this time for fuel elements of a different design, mass-produced. An increase in this ratio by more than 1, 2 times increases the evacuation time of the internal volume due to the formation of an additional free volume from the lower end of the fuel element.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан твэл.The invention is illustrated by the drawing, which shows the fuel rod.

Предлагаемый твэл состоит из оболочки 1, к которой сварными швами 2 и 3 приварены заглушки 4 и 5.The proposed fuel rod consists of a sheath 1, to which plugs 4 and 5 are welded with welds 2 and 3.

Под оболочкой твэла находится топливный столб 6 из таблеток, имеющих осевое отверстие 7. Со стороны торцов топливного столба расположены защитные экраны 8 и 9, таблетки которых имеют осевое отверстие 10, превышающее по диаметру аналогичное отверстие в топливных таблетках в 1,3-2,3 раза. Таблетки топливного столба и защитных экранов сжаты между собой и друг с другом фиксатором 11 и прижаты к торцу заглушки 5. Между оболочкой и таблетками защитных экранов существует гарантированный зазор (на чертеже не показан), величина которого составляет 1,0-1,2 от величины такого зазора между внутренней стенкой оболочки и топливными таблетками.Under the cladding of the fuel rod there is a fuel column 6 of tablets having an axial hole 7. From the ends of the fuel column there are protective shields 8 and 9, the tablets of which have an axial hole 10 that is 1.3-2.3 larger in diameter than the similar hole in the fuel tablets times. The pillars of the fuel column and protective shields are compressed between each other and with each other by the latch 11 and pressed to the end face of the plug 5. There is a guaranteed gap (not shown) between the shell and the tablets of the protective shields, the value of which is 1.0-1.2 of the value such a gap between the inner wall of the shell and the fuel pellets.

Предлагаемая конструкция твэла работает следующим образом.The proposed design of the fuel element works as follows.

В процессе изготовления твэла под его оболочкой 1 с приваренной к ней сварным швом 2 заглушкой 5 размещаются защитный экран 8, топливный столб 6, защитный экран 9, таблетки которых имеют различные по диаметру осевые отверстия 10 и 7. Таблетки топливного столба и защитных экранов удерживаются в требуемом положении фиксатором 11. Наличие явно отличающихся по величине осевого отверстия таблеток, имеющих различное обогащение, позволяет на стадии формирования в твэле защитных экранов и топливного столба контролировать этот процесс, не допуская перемешивания этих таблеток между собой. Снаряженный топливными и экранными таблетками твэл вакуумируется посредством осевого отверстия, проходящего по всей его длине, и зазора между внутренней поверхностью оболочки и таблетками, после чего герметизируется приваркой заглушки 4. Готовый твэл подвергается дополнительному неразрушающему контролю физическими методами на наличие и расположение топливных экранов. По разнице в диаметре отверстий таблеток определяется их принадлежность к топливу или к экранам. Во время работы твэла в реакторе экранные таблетки поглощают часть нейтронов со стороны концов твэла, уменьшая тем самым чрезмерное облучение конструкций, расположенных по концам активной зоны реактора.In the process of manufacturing a fuel element, under its cladding 1 with a welded seam 2 a plug 5, a protective shield 8, a fuel pole 6, a protective shield 9 are placed, the tablets of which have axial holes 10 and 7 of different diameters. The tablets of the fuel column and protective shields are held in the required position by the latch 11. The presence of clearly different axial bore pellets having different enrichment allows this process to be controlled at the stage of formation of the fuel shields and fuel column in the fuel rod, preventing mixing these tablets together. A fuel rod equipped with fuel and screen tablets is evacuated by means of an axial hole extending along its entire length and a gap between the inner surface of the shell and the tablets, after which it is sealed by welding a plug 4. The finished fuel element is subjected to additional non-destructive testing by physical methods for the presence and location of fuel screens. The difference in the diameter of the holes of the tablets determines their belonging to the fuel or to the screens. During operation of the fuel rod in the reactor, screen tablets absorb part of the neutrons from the ends of the fuel rod, thereby reducing the excessive irradiation of structures located at the ends of the reactor core.

Claims

A fuel element of a nuclear reactor, consisting of a shell sealed with plugs welded to the ends of the shell, with an atmosphere of a given composition below it, and located under the shell of nuclear fuel from enriched uranium in the form of tablets having an axial hole and forming a fuel column, at the ends of which are protective screens made of cylindrical tablets of depleted uranium and pressed to the fuel column and to one of the plugs with a retainer located in the compensation volume of the shell a separating element, while the surfaces of the fuel column and protective shields are abutted against the inner surface of the shell, characterized in that in the cylindrical tablets forming the protective screen, an axial bore is made with a diameter of 1.3-2.3 of the diameter of the axial bore of the fuel pellets column, and the gap between the surface of the protective shields and the inner surface of the shell is 1.0-1.2 of the gap between the surface of the fuel column and the inner surface of the shell.