RU2414758C1 - Method to assess quality and behaviour of fuel pellets in non-stationary and emergency modes of nuclear reactor operation - Google Patents
Method to assess quality and behaviour of fuel pellets in non-stationary and emergency modes of nuclear reactor operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2414758C1 RU2414758C1 RU2009128638/07A RU2009128638A RU2414758C1 RU 2414758 C1 RU2414758 C1 RU 2414758C1 RU 2009128638/07 A RU2009128638/07 A RU 2009128638/07A RU 2009128638 A RU2009128638 A RU 2009128638A RU 2414758 C1 RU2414758 C1 RU 2414758C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tablets
- pellets
- reactor
- temperature
- fuel
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в процессе производства и контроля качества керамического ядерного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.The invention relates to the field of nuclear energy and can be used in the production and quality control of ceramic nuclear fuel for fuel elements of nuclear reactors.
В настоящее время поведение керамического ядерного топлива (топливных таблеток) достаточно полно исследовано и подробно описано для работы реакторов в квазистационарных режимах при сохранении в процессе работы реакторов целостности оболочек ТВЭЛов.Currently, the behavior of ceramic nuclear fuel (fuel pellets) has been thoroughly studied and described in detail for the operation of reactors in quasi-stationary modes while maintaining the integrity of the cladding of fuel elements during the operation of the reactors.
При этом, как известно, с ростом выгорания топлива происходит, в частности, изменение микроструктуры топливных таблеток, в основном рост размеров зерна, внутриреакторное радиационное уплотнение таблеток за счет присутствующих в спеченных таблетках нестабильных мелких пор, образование на поверхности таблеток так называемого rim-слоя, выход из таблеток под оболочку ТВЭЛа газообразных продуктов деления, а в ряде случаев - разрушение таблеток (фрагментация).In this case, as is known, with an increase in fuel burnup, in particular, the microstructure of fuel pellets changes, mainly grain size increases, intra-reactor radiation compaction of pellets due to unstable small pores present in sintered pellets, the formation of the so-called rim layer on the tablet surface, the release of gaseous fission products from the tablets under the fuel rod cladding, and in some cases, the destruction of the tablets (fragmentation).
В свою очередь, разрушение таблеток (фрагментация) может привести к нарушению целостности оболочки ТВЭЛа и его разгерметизации за счет того, что при разрушении таблеток снижается теплопроводность топлива, уменьшается теплопередача от топлива к оболочке, ведущая к перегреву топлива вплоть до его расплавления и отклонению параметров работы реактора от расчетных, а в зазорах между фрагментами таблеток и оболочкой происходят локальные всплески мощности, ведущие к разрушению оболочки в местах наибольших зазоров. Кроме этого, в местах плотного контакта фрагментов разрушенных таблеток с оболочкой интенсифицируется механизм деформационного коррозионного растрескивания оболочки, ведущий к выходу радиоактивных продуктов деления из ТВЭЛа в теплоноситель (И.Урсу, "Физика и технология ядерных материалов", "Энергоатомиздат", М., 1988; И.X.Ганев, "Физика и расчет реактора", "Энергоатмиздат", М., 1992).In turn, the destruction of the tablets (fragmentation) can lead to a violation of the integrity of the fuel rod shell and its depressurization due to the fact that when the tablets are destroyed, the thermal conductivity of the fuel decreases, the heat transfer from the fuel to the shell decreases, leading to overheating of the fuel up to its melting and deviation of the operating parameters reactor from design, and in the gaps between the fragments of tablets and the shell there are local power surges leading to the destruction of the shell in the places of greatest gaps. In addition, in places of close contact of fragments of destroyed tablets with the shell, the mechanism of deformation corrosion cracking of the shell is intensified, leading to the release of radioactive fission products from the fuel element to the coolant (I. Ursu, “Physics and Technology of Nuclear Materials”, “Energoatomizdat”, M., 1988 ; I.X. Ganev, "Physics and Design of the Reactor", "Energoatmizdat", M., 1992).
Следует отметить, что точное прогнозирование поведения топливных таблеток, в частности их разрушения (фрагментации), является достаточно сложной задачей даже при работе таблеток в квазистационарных режимах работы реактора. Намного более сложной задачей является прогнозирование поведения топливных таблеток в режимах маневрирования мощностью реактора и в условиях проектных аварий: так называемых расходных, связанных с потерей теплоносителя (LOCA) и реактивностных, обусловленных резким введением реактивности (RIA).It should be noted that accurate prediction of the behavior of fuel pellets, in particular their destruction (fragmentation), is a rather difficult task even when the pellets are operated in quasi-stationary reactor operating conditions. A much more difficult task is to predict the behavior of fuel pellets in maneuvering modes of reactor power and in conditions of design basis accidents: the so-called consumables associated with loss of coolant (LOCA) and reactivity due to the sharp introduction of reactivity (RIA).
Ввиду сложности задачи поведение топливных таблеток в случаях, связанных, например, с критическими скоростями повышения линейной мощности в процессе пуска и маневрирования мощностью реактора, а также в аварийных случаях, связанных с разгерметизацией и разрушением оболочек ТВЭЛов в процессе работы реактора, описано и исследовано в значительно меньшей степени.In view of the complexity of the problem, the behavior of fuel pellets in cases associated, for example, with critical speeds of increasing linear power during start-up and maneuvering of reactor power, as well as in emergency cases associated with depressurization and destruction of fuel element shells during reactor operation, has been described and studied lesser extent.
В частности установлено, что при критических скоростях повышения линейной мощности реактора термические напряжения в топливных таблетках могут оказаться выше предела прочности UO2, что может привести к растрескиванию и даже разрушению наименее прочных таблеток, способствующему увеличению негативного взаимодействия таблеток с оболочкой ТВЭЛа и интенсификации выхода из таблеток под оболочку ТВЭЛа газообразных продуктов деления и, в итоге, к нарушению целостности оболочки. В свою очередь, на основании теоретических представлений о процессах, протекающих в ТВЭЛах при авариях, связанных с разгерметизацией и разрушением оболочек ТВЭЛов по таким, в частности, причинам, как: коррозионное растрескивание оболочки, наличие «газовой неплотности» в оболочке ТВЭЛа, обусловленной режимами ее изготовления, термомеханическое взаимодействие оболочки с топливом при высоких выгораниях, нарушение целостности оболочек ТВЭЛов при потере теплоносителя в первом контуре реактора (авария типа LOCA) и ряду других причин, а также на основании результатов внереакторных исследований таблеток негерметичных ТВЭЛов (Гарцаролли Ф., Манцель Р. и др. «Предполагаемые механизмы повреждений твэлов при взаимодействии топлива с оболочкой» // Атомная техника за рубежом, 1979, №4, с.21-27; Букринский A.M. «Аварийные переходные процессы на АЭС с ВВЭР» // - М.: Энергоиздат, 1982, с.142; Kawasaki S. «А review of studies on behaviour of fuel cladding under LOCAs» // Proceedings of Japan-USSR seminar on LWR Fuels, held in Tokyo, Japan, 29-31 October, 1990) следует, что в начальный момент при разгерметизации и разрушении оболочек ТВЭЛов таблетки будут подвергаться воздействию находящегося под оболочкой ТВЭЛа влажного гелия (увлажнение гелия происходит за счет первых порций водяного пара, образующегося при повреждении оболочки при проникновении внутрь оболочки теплоносителя - воды), а далее - смеси гелия и водяного пара. При этом ввиду того что температура влажного гелия и парогазовой смеси, воздействующей на таблетки, как правило, существенно ниже температуры наружной поверхности топливных таблеток, таблетки, в зависимости от их качества и от разницы температур на границе таблетка - парогазовая смесь, под действием охлаждения различной степени интенсивности или будут растрескиваться, или даже терять свою целостность полностью (фрагментироваться), приводя к крайне нежелательным последствиям, в том числе ухудшению радиационной обстановки на АЭС за счет загрязнения теплоносителя радиоактивными продуктами деления и разрушившимся топливом, замене кассеты с разрушившимся ТВЭЛом и т.п.In particular, it was found that at critical rates of increasing the linear power of the reactor, thermal stresses in the fuel pellets can be higher than the tensile strength of UO 2 , which can lead to cracking and even destruction of the least durable pellets, which contributes to an increase in the negative interaction of the pellets with the fuel cladding and the intensification of the yield from the pellets under the cladding of the fuel rod of gaseous fission products and, as a result, to the violation of the integrity of the cladding. In turn, on the basis of theoretical ideas about the processes occurring in fuel rods during accidents associated with depressurization and destruction of the cladding of fuel rods for such, in particular, reasons such as: corrosion cracking of the cladding, the presence of “gas leakage” in the cladding of the fuel rods manufacturing, thermomechanical interaction of the shell with the fuel at high burnups, violation of the integrity of the cladding of the fuel elements during loss of coolant in the primary circuit of the reactor (LOCA type accident) and a number of other reasons, as well as and on the basis of the results of off-site studies of unsealed fuel rod tablets (Garzarolli F., Manzel R. et al. “Alleged mechanisms of fuel element damage due to fuel-clad interaction” // Atomic Technology Abroad, 1979, No. 4, pp. 21-27; Bukrinsky AM “Emergency transient processes at WWER nuclear power plants” // - M .: Energoizdat, 1982, p.142; Kawasaki S. “A review of studies on behavior of fuel cladding under LOCAs” // Proceedings of Japan-USSR seminar on LWR Fuels , held in Tokyo, Japan, October 29-31, 1990) it follows that at the initial moment during depressurization and destruction of the shells of the fuel elements the tablets will be exposed is under cladding wet helium (helium hydration occurs due to the first portions of the water vapor formed in the shell is damaged during the penetration into the casing coolant - water), and then - a mixture of helium and water vapor. Moreover, due to the fact that the temperature of wet helium and the vapor-gas mixture acting on the tablets is, as a rule, significantly lower than the temperature of the outer surface of the fuel tablets, tablets, depending on their quality and the temperature difference at the interface between the tablet and the gas mixture, under the influence of cooling of various degrees intensities will either crack, or even completely lose their integrity (fragment), leading to extremely undesirable consequences, including the deterioration of the radiation situation at nuclear power plants due to coolant contamination with radioactive fission products and destroyed fuel, replacing a cartridge with a destroyed fuel rod, etc.
Разрушение таблеток в процессе работы реактора обуславливается их прочностью, которая, в свою очередь, зависит от таких качественных характеристик таблеток, как микроструктура (пористость, размер зерна), а также от наличия в таблетках различного типа дефектов (трещин, отслоений, несплошностей и т.п.).The destruction of tablets during the operation of the reactor is determined by their strength, which, in turn, depends on such qualitative characteristics of the tablets as the microstructure (porosity, grain size), as well as on the presence of various types of defects in the tablets (cracks, delamination, discontinuities, etc.). P.).
Для определения механической прочности топливных таблеток существует ряд способов.There are a number of methods for determining the mechanical strength of fuel pellets.
Известен способ определения механической прочности топливных таблеток, заключающийся в том, что столб (выборку) из 10 таблеток подвергают осевому сжимающему давлению до 25 МПа с фиксацией давления, при котором на какой-либо таблетке из выборки появляется скол размером ≥0,4 мм. Таблетки считают выдержавшими испытание, если при давлении 19 МПа и более на таблетках не возникают сколы размером ≥0,4 мм (ASTM С 776).A known method for determining the mechanical strength of fuel pellets is that a column (sample) of 10 tablets is subjected to axial compressive pressure of up to 25 MPa with a pressure fixation at which a chip of ≥0.4 mm appears on any tablet from the sample. Tablets are considered to have passed the test if, at a pressure of 19 MPa or more, chips ≥0.4 mm in size do not occur on tablets (ASTM C 776).
Недостатком данного способа является то, что таблетки испытываются в условиях, не соответствующих условиям (температура, среда) их эксплуатации в реакторе. Кроме этого, в процессе испытаний таблетки подвергаются нагрузкам (на сжатие), не соответствующим нагрузкам (в частности, термическим ударам), которым подвергаются таблетки при пуске и в случае маневрирования мощностью реактора при больших скоростях повышения линейной мощности реактора, а также в случае нарушения целостности оболочки ТВЭЛа.The disadvantage of this method is that the tablets are tested under conditions that do not meet the conditions (temperature, environment) of their operation in the reactor. In addition, during testing, the tablets are subjected to loads (compression) that do not correspond to the loads (in particular, thermal shocks) that the tablets are subjected to during startup and in the case of maneuvering the reactor power at high speeds of increasing the linear power of the reactor, as well as in case of integrity failure the shell of the fuel rod.
Известен способ контроля прочности UO2 - таблеток и Al2O3 - таблеток, заключающийся в том, что столб (выборку) обычно из 10 таблеток подвергают постепенно нарастающему осевому сжимающему давлению до появления первого характерного для разрушающихся таблеток треска. При появлении характерного треска фиксируется давление, при котором таблетка (одна или несколько) начала разрушаться, а также фиксируется характерный вид разрушения. О качестве таблеток судят по уровню давления, при котором таблетки начали разрушаться, и по характерному виду разрушения (РА 0335. Drucktest zur Prufung der Festigkeit an Uran- und Aluminiumoxidtabletten. Siemens AG. 1990).A known method of controlling the strength of UO 2 tablets and Al 2 O 3 tablets is that a column (sample) of usually 10 tablets is subjected to gradually increasing axial compressive pressure until the first cracking characteristic of the breaking tablets occurs. When a characteristic cod appears, the pressure is fixed at which the tablet (one or more) begins to collapse, and a characteristic type of destruction is recorded. The quality of the tablets is judged by the level of pressure at which the tablets began to break down and by the characteristic type of destruction (RA 0335. Drucktest zur Prufung der Festigkeit an Uran- und Aluminumoxidtabletten. Siemens AG. 1990).
Недостатками данного способа являются те же недостатки, что и предыдущего способа определения прочности топливных таблеток.The disadvantages of this method are the same disadvantages as the previous method for determining the strength of fuel pellets.
Исследования, непосредственно связанные с разрушением таблеток в нестационарных и аварийных режимах работы реактора, весьма немногочисленны, если не считать нескольких исследований поведения топливных таблеток из В4С при существенных изменениях (снижении) их температуры в течение короткого промежутка времени (термических ударах) и практически единственной работы, посвященной изучению поведения UO2 - таблеток при их работе в реакторе в нестационарных режимах работы реактора путем воздействия на таблетки термических ударов, осуществляемых методом погружения нагретых UO2 - таблеток в воду (см. ниже).Studies directly related to the destruction of tablets in unsteady and emergency operating conditions of the reactor are very few, except for several studies of the behavior of fuel pellets from B 4 C with significant changes (decrease) in their temperature over a short period of time (thermal shock) and almost the only studies on the behavior of UO 2 - tablets during their operation in the reactor in stationary operation conditions of the reactor by subjecting the tablets to thermal shock, is carried proxy hot dip UO 2 - tablets in water (see below.).
Так, известен способ оценки поведения таблеток, изготовленных из В4С, при воздействии на них термических ударов (Hollenberg G. - Amer. Ceram. Soc. Bull., 1980, v.59, p.538. Hollenberg G., Basmajian J. - J. Amer. Ceram. Soc, 1982, v.65, p.4).Thus, a known method for evaluating the behavior of tablets made from B 4 C when exposed to thermal shock (Hollenberg G. - Amer. Ceram. Soc. Bull., 1980, v. 59, p. 538. Hollenberg G., Basmajian J . - J. Amer. Ceram. Soc. 1982, v. 65, p. 4).
Согласно данному способу B4C - таблетки без видимых дефектов внешнего вида нагревают в печи, после чего нагретые таблетки быстро из печи вынимают и подвергают воздействию термического удара посредством погружения таблеток в воду.According to this method, B 4 C - tablets without visible appearance defects are heated in the furnace, after which the heated tablets are quickly removed from the furnace and subjected to thermal shock by immersing the tablets in water.
Степень повреждения таблеток, подвергнутых воздействию термического удара, оценивают путем их просмотра на оптическом микроскопе.The degree of damage to tablets exposed to thermal shock is evaluated by viewing them on an optical microscope.
Недостатком данного способа является исследование таблеток не из UO2, а из другого материала, а также то, что таблетки подвергаются воздействию термического удара путем их погружения в воду, что не моделирует их поведение в реакторе и не соответствует тому воздействию, которому могут подвергаться таблетки при их работе в реакторе.The disadvantage of this method is the study of tablets not from UO 2 , but from another material, as well as the fact that tablets are exposed to thermal shock by immersion in water, which does not simulate their behavior in the reactor and does not correspond to the effect that tablets can be exposed to their work in the reactor.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому способу является способ оценки поведения UO2 - таблеток при их работе в реакторе в нестационарных режимах работы реактора путем воздействия на таблетки термических ударов (Oguma М. Integrity Degradation of UO2 Pellets Subjected to Thermal Shock. - Journal of Nuclear Materials, 1985, v.127, N1, p.67-76).The closest in technical essence and the achieved result to the described method is a method for assessing the behavior of UO 2 - tablets during their operation in the reactor in unsteady reactor operating conditions by exposing the tablets to thermal shocks (Oguma M. Integrity Degradation of UO 2 Pellets Subjected to Thermal Shock. - Journal of Nuclear Materials, 1985, v. 127, N1, p. 67-76).
Согласно данному способу UO2 - таблетки без видимых дефектов внешнего вида нагревают в печи, после чего нагретые таблетки быстро из печи вынимают и подвергают воздействию термического удара посредством погружения таблеток в воду.According to this method, UO 2 - tablets without visible defects in appearance are heated in the furnace, after which the heated tablets are quickly removed from the furnace and subjected to thermal shock by immersing the tablets in water.
Морфологию повреждений подвергнутых воздействию термического удара таблеток оценивают путем их просмотра на оптическом микроскопе.The morphology of damage to heat-shocked tablets is evaluated by viewing them on an optical microscope.
Характерной особенностью и основным недостатком данного способа оценки поведения UO2 - таблеток при их работе в реакторе в нестационарных режимах работы реактора является то, что таблетки подвергаются воздействию термического удара путем их погружения в воду, что не моделирует в полной мере их поведение в реакторе и не соответствует тому воздействию, которому могут подвергаться таблетки при их работе в реакторе. Невозможность точного моделирования в способе поведения топливных таблеток в реакторе в нестационарных режимах работы реактора существенно снижает степень корреляции между фактической повреждаемостью таблеток при их работе в реакторе и результатами испытаний таблеток по данному способу. В свою очередь, отсутствие точных данных по поведению топливных таблеток в нестационарных режимах работы реактора не дает возможности достоверной оценки влияния качественных характеристик таблеток на их повреждаемость и корректировки технологии изготовления таблеток с целью получения таблеток со свойствами, обеспечивающими их работу в реакторе в нестационарных режимах без разрушения.A characteristic feature and the main disadvantage of this method of evaluating the behavior of UO 2 - tablets when they are operating in the reactor under non-stationary reactor operating conditions is that the tablets are exposed to thermal shock by immersion in water, which does not fully simulate their behavior in the reactor and do not corresponds to the effect that tablets can be exposed to when they are in the reactor. The impossibility of accurate modeling in the method of behavior of fuel pellets in a reactor under non-stationary reactor operating conditions significantly reduces the degree of correlation between the actual tablet damage during their operation in the reactor and the results of tablet tests using this method. In turn, the lack of accurate data on the behavior of fuel pellets in unsteady reactor operating conditions does not allow a reliable assessment of the influence of the quality characteristics of the pellets on their damage and adjustments to the technology for the manufacture of pellets in order to obtain pellets with properties that ensure their operation in the reactor in non-stationary modes without destruction .
Таким образом, все вышеуказанные способы не дают возможности точно и достоверно смоделировать и оценить поведение UO2 - таблеток при их работе в реакторе в нестационарных и аварийных режимах работы реактора, скоррелировать результаты оценки их поведения с исходными качественными характеристиками таблеток.Thus, all of the above methods do not provide an opportunity to accurately and reliably simulate and evaluate the behavior of UO 2 - tablets when they work in the reactor in unsteady and emergency operating conditions of the reactor, to correlate the results of the assessment of their behavior with the initial quality characteristics of the tablets.
Задачей настоящего изобретения является создание способа оценки качества и поведения топливных таблеток в нестационарных и аварийных режимах работы реактора, позволяющего оценить для таблеток с различными свойствами такие их важные с точки зрения экологической и ядерной безопасности работы реактора характеристики, как начало возникновения трещин и момент полного разрушения таблеток при критических скоростях повышения линейной мощности реактора, а также в аварийных случаях, связанных с разгерметизацией и разрушением оболочек ТВЭЛов, спрогнозировать для таблеток с конкретными свойствами их поведение и состояние в нестационарных и аварийных режимах работы реактора.The objective of the present invention is to provide a method for evaluating the quality and behavior of fuel pellets in unsteady and emergency operating conditions of the reactor, allowing to evaluate for tablets with different properties such important characteristics from the point of view of environmental and nuclear safety of the reactor as the onset of cracks and the moment of complete destruction of the tablets at critical speeds of increasing the linear power of the reactor, as well as in emergency cases associated with depressurization and destruction of TVELO shells c, to predict for tablets with specific properties their behavior and condition in unsteady and emergency operating conditions of the reactor.
В результате решения данной задачи можно получить новые технические результаты, заключающиеся в:As a result of solving this problem, you can get new technical results, which are:
- определении начала возникновения трещин и момента полного разрушения таблеток с определенными свойствами при критических скоростях повышения линейной мощности реактора, а также в аварийных случаях, связанных с разгерметизацией и разрушением оболочек ТВЭЛов;- determining the onset of cracking and the moment of complete destruction of tablets with certain properties at critical speeds of increasing the linear power of the reactor, as well as in emergency cases associated with depressurization and destruction of the cladding of fuel rods;
- прогнозировании поведения и состояния таблеток с определенными свойствами в нестационарных и аварийных режимах работы реактора;- predicting the behavior and condition of tablets with certain properties in unsteady and emergency operating conditions of the reactor;
- прогнозировании состояния ТВЭЛов, снаряженных таблетками с определенными свойствами, в нестационарных и аварийных режимах работы реактора;- predicting the state of fuel rods equipped with tablets with certain properties in unsteady and emergency operation of the reactor;
- получении данных о свойствах таблеток, достижение которых при изготовлении таблеток будет обеспечивать их минимальные повреждения в нестационарных и аварийных режимах работы реактора.- obtaining data on the properties of tablets, the achievement of which in the manufacture of tablets will ensure their minimal damage in unsteady and emergency operating conditions of the reactor.
Данные технические результаты достигаются тем, что в способе оценки качества и поведения топливных таблеток в нестационарных и аварийных режимах работы реактора, включающем нагрев, охлаждение и осмотр контролируемых таблеток после испытаний, охлаждение таблеток проводят с помощью гелия или другого инертного газа (аргона, водорода) или смеси водородосодержащих газов (например, аргоно-водородной смеси) с последующей оценкой целостности таблеток, а о поведении таблеток в момент пуска и маневрирования мощностью реактора, а также в случае разгерметизации и разрушения оболочки ТВЭЛа судят по критической разности температуры нагретых таблеток и температуры этих же таблеток после их охлаждения, при которой в таблетках начинают возникать трещины, а также по критической разности температуры нагретых таблеток и температуры этих же таблеток после их охлаждения, при которой таблетки полностью теряют свою целостность.These technical results are achieved by the fact that in the method for assessing the quality and behavior of fuel pellets in unsteady and emergency operation of the reactor, including heating, cooling and inspection of controlled tablets after testing, the tablets are cooled using helium or other inert gas (argon, hydrogen) or mixtures of hydrogen-containing gases (for example, an argon-hydrogen mixture) with a subsequent assessment of the integrity of the tablets, and about the behavior of the tablets at the time of starting and maneuvering the reactor power, as well as in the case of p the sealing and destruction of the fuel rod shell is judged by the critical difference between the temperature of the heated tablets and the temperature of the same tablets after cooling, at which the tablets begin to crack, and also by the critical difference between the temperature of the heated tablets and the temperature of the same tablets after cooling, at which the tablets are completely lose their integrity.
Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в следующем.A distinctive feature of the described invention is as follows.
Известные способы оценки качества и поведения топливных таблеток в нестационарных и аварийных режимах работы реактора предполагают или испытания таблеток только сжимающими нагрузками, не соответствующими нагрузкам (в частности, термическим ударам), которым подвергаются таблетки при пуске и в случае маневрирования мощностью реактора при больших скоростях повышения линейной мощности реактора, а также в случае нарушения целостности оболочки ТВЭЛа, или предполагают испытания таблеток в условиях (путем их погружения в воду), не соответствующих условиям (температура, среда) их эксплуатации в реакторе. Кроме этого, известные способы не дают возможности регулировать поведение таблеток в нестационарных и аварийных режимах работы реактора.Known methods for assessing the quality and behavior of fuel pellets in unsteady and emergency operating conditions of the reactor involve testing the pellets only with compressive loads that do not correspond to the loads (in particular, thermal shocks) to which the pellets are subjected when starting up and in the case of maneuvering the reactor power at high linear increase rates reactor power, as well as in case of violation of the integrity of the fuel rod shell, or suggest testing of tablets under conditions (by immersion in water), do not correspond uyuschih conditions (temperature, atmosphere) of their operation in the reactor. In addition, the known methods do not make it possible to regulate the behavior of the tablets in unsteady and emergency operating conditions of the reactor.
Следует подчеркнуть, что описываемый способ, в отличие от известных, предполагает испытания таблеток проводить в условиях и нагрузками, максимально приближенными к условиям и нагрузкам, которым топливные таблетки будут подвергаться в случае нестационарных и аварийных режимов работы реактора, в частности воздействию на таблетки резких перепадов температуры (термических ударов), возникающих при больших скоростях повышения линейной мощности реактора (в среде гелия).It should be emphasized that the described method, in contrast to the known ones, involves testing the tablets under conditions and loads as close as possible to the conditions and loads that the fuel tablets will be subjected to in case of unsteady and emergency operating conditions of the reactor, in particular, the tablets are subjected to sudden changes in temperature (thermal shocks) arising at high speeds of increasing the linear power of the reactor (in helium).
Наряду со сказанным получение данных по моменту начала растрескивания таблеток и их полному разрушению в зависимости от микроструктуры таблеток позволяет целенаправленно изготавливать топливные таблетки с параметрами микроструктуры, обеспечивающими их повышенную стойкость к растрескиванию и полному разрушению (фрагментации) в случае критических скоростей повышения линейной мощности реактора, а также в случае нарушения целостности оболочки ТВЭЛа.Along with the foregoing, obtaining data on the moment of the onset of cracking of the tablets and their complete destruction, depending on the microstructure of the tablets, makes it possible to purposefully produce fuel tablets with microstructure parameters providing their increased resistance to cracking and complete destruction (fragmentation) in the case of critical rates of increasing the linear reactor power, and also in case of violation of the integrity of the fuel rod cladding.
Реализация описываемого способа может быть проиллюстрирована следующим образом.The implementation of the described method can be illustrated as follows.
Для испытаний были отобраны промышленные таблетки типа РБМК диаметром 11,46±0,02 мм плотностью 10,40 г/см3 (95% теор.) - Р1, 10,55 г/см3 (96% теор.) - Р2, 10,75 г/см3 (98% теор.) - Р3 (при расчетах теоретическая плотность была принята равной 10,96 г/см3). В лабораторных условиях из той же партии исходного порошка UO2, что и промышленные таблетки, были изготовлены низкоплотные таблетки плотностью ~10,0 г/см3 (91% теор.) с различным размером зерна - Р4, Р5 и таблетки плотностью 10,40 г/см3 (95% теор.) - Р6 с размером зерна более 25 мкм (плотность и размер зерна в таблетках регулировали режимами спекания и количеством добавок порообразователя. При этом с целью исключения образования в структуре таблеток крупных пор порообразователь подвергали измельчению с последующим отсевом частиц размером >40 мкм).For testing, industrial tablets of the RBMK type with a diameter of 11.46 ± 0.02 mm and a density of 10.40 g / cm 3 (95% of theory) - P1, 10.55 g / cm 3 (96% of theory) - P2, 10.75 g / cm 3 (98% of theory.) - P3 (in the calculations the theoretical density was taken equal to 10.96 g / cm 3 ). In laboratory conditions, low-density tablets with a density of ~ 10.0 g / cm 3 (91% of theory) with different grain sizes — P4, P5 and tablets with a density of 10.40 were made from the same batch of the initial UO 2 powder as industrial tablets. g / cm 3 (95% of theory.) - P6 with a grain size of more than 25 μm (the density and grain size in the tablets were regulated by sintering conditions and the number of additives of the blowing agent. In order to prevent the formation of large pores in the structure of the tablets, the blowing agent was subjected to grinding, followed by screening particles> 40 microns in size).
Общая пористость отобранных и специально изготовленных для испытаний таблеток соответственно составила: ~ 5% (γ=10,40 г/см3), ~4% (γ=10,55 г/см3), ~2% (γ=10,75 г/см3), ~9% (γ=10,00 г/см3).The total porosity of the selected and specially made tablets for testing, respectively, was: ~ 5% (γ = 10.40 g / cm 3 ), ~ 4% (γ = 10.55 g / cm 3 ), ~ 2% (γ = 10, 75 g / cm 3 ), ~ 9% (γ = 10.00 g / cm 3 ).
Наряду с таблетками типа РБМК испытывали промышленные топливные таблетки типа ВВЭР диаметром 7,55±0,01 мм плотностью 10,40 г/см3 (95% теор.) - В1 и 10,70 г/см3 (98% теор.) - В2, а также изготовленные в лабораторных условиях таблетки плотностью 10,40 г/см3 (95% теор.) - В3 и 10,70 г/см3 (98% теор.) - В4 с повышенным размером зерна (плотность и размер зерна также регулировали режимами спекания, количеством добавок порообразователя и Al(ОН)3).Along with RBMK tablets, VVER-type industrial fuel tablets with a diameter of 7.55 ± 0.01 mm and a density of 10.40 g / cm 3 (95% of theory) - B1 and 10.70 g / cm 3 (98% of theory) were tested. - B 2 , as well as laboratory-made tablets with a density of 10.40 g / cm 3 (95% of theory) - B3 and 10.70 g / cm 3 (98% of theory) - B4 with an increased grain size (density and grain size was also regulated by sintering conditions, the number of additives of the blowing agent and Al (OH) 3 ).
Отношение O/U в отобранных таблетках было 2,00±0,001. В процессе испытаний плотность (пористость) таблеток определяли гидростатическим методом.The O / U ratio in the selected tablets was 2.00 ± 0.001. During the tests, the density (porosity) of the tablets was determined by the hydrostatic method.
Перед испытаниями торцы таблеток с одной стороны сошлифововали по высоте на ~0,6…1,0 мм до образования плоской площадки. На данной площадке вначале оценивали микроструктуру таблеток, далее плоскость вновь подвергали шлифовке и полировке, после чего таблетки размещали в специальном молибденовом контейнере, который устанавливали в печь.Before the tests, the ends of the tablets were ground on one side by ~ 0.6 ... 1.0 mm in height until a flat platform was formed. At this site, the microstructure of the tablets was first evaluated, then the plane was again subjected to grinding and polishing, after which the tablets were placed in a special molybdenum container, which was installed in the oven.
Средний условный размер зерна определяли на травленых шлифах методом секущих. Пористость оценивали на нетравленых шлифах или по фотографиям микроструктуры, или с использованием системы анализа изображений «Автомет-57» или «Автомет-58».The average conditional grain size was determined on etched thin sections by the secant method. Porosity was evaluated on etched thin sections or on microstructure photographs, or using the Avtomet-57 or Avtomet-58 image analysis system.
Испытания заключались в нагреве таблеток в вакууме 5*10-4 мм. рт.ст. в печи СШВЭ - 1.2,5/25 ИЗ со скоростью не более 10°С/мин (во избежание растрескивания) до температуры 1300°С с последующим их охлаждением с разной скоростью путем подачи в реторту печи со скоростью 1,0…10 л/мин гелия или аргоно-водородной смеси (Ar+7,0±2,0% Н2).The tests consisted in heating the tablets in a vacuum of 5 * 10 -4 mm. Hg in the SShVE furnace - 1.2.5 / 25 IZ with a speed of not more than 10 ° C / min (to avoid cracking) to a temperature of 1300 ° C, followed by cooling them at different speeds by feeding into the furnace retort with a speed of 1.0 ... 10 l / min helium or argon-hydrogen mixture (Ar + 7.0 ± 2.0% H 2 ).
Интенсивность охлаждения таблеток и время до достижения ими заданной температуры регулировали скоростью подачи в зону реторты печи, где находились таблетки, гелия или аргоно-водородной смеси комнатной температуры (~25°С) с различным содержанием влаги (содержание влаги в гелии и в аргоно-водородной смеси регулировали путем их пропускания через специальный увлажнитель (сатуратор), заполненный водным раствором хлористого лития).The cooling rate of the tablets and the time until they reach the set temperature were controlled by the feed rate to the furnace retort zone, where the tablets, helium or an argon-hydrogen mixture at room temperature (~ 25 ° C) with different moisture contents (moisture content in helium and argon-hydrogen were mixtures were regulated by passing them through a special humidifier (saturator) filled with an aqueous solution of lithium chloride).
При этом таблетки в реторте печи размещали таким образом, что струя гелия или аргоно-водородной смеси направлялась непосредственно на шлифованные торцы таблеток, находящихся в специальном молибденовом контейнере.In this case, the tablets were placed in the furnace retort in such a way that a jet of helium or an argon-hydrogen mixture was directed directly to the polished ends of the tablets in a special molybdenum container.
В процессе испытаний на первом этапе с целью грубой оценки момента начала образования трещин и момента полного разрушения таблеток охлаждение таблеток проводили с шагом ~50°С. На втором этапе после определения района нахождения критических точек (момента начала образования трещин и момента полного разрушения таблеток) в районе критических точек охлаждение таблеток проводили с шагом ~2…5°С.In the process of testing at the first stage, with the aim of a rough estimate of the moment of the onset of cracking and the moment of complete destruction of the tablets, the tablets were cooled in steps of ~ 50 ° C. At the second stage, after determining the region where critical points were located (the moment of the onset of crack formation and the moment of complete destruction of the tablets) in the region of critical points, the tablets were cooled in steps of ~ 2 ... 5 ° С.
Каждый раз после снижения температуры таблеток до требуемой путем подачи в зону реторты печи, где находились таблетки, гелия или аргоно-водородной смеси подачу гелия или аргоно-водородной смеси в реторту прекращали и отключали нагрев печи. После охлаждения печи до температуры ~25°С таблетки из нее извлекали, подвергали визуальному осмотру и фиксировали по состоянию торцов морфологию разрушений путем изготовления с помощью оптического микроскопа фотографий. Контроль процесса газового охлаждения таблеток (с точки зрения возможного окисления таблеток) вели путем определения отношения O/U (следует отметить, что в процессе испытаний для всех таблеток отношение O/U не изменилось и составило 2,00±0,001. Это говорит о том, что в процессе испытаний таблетки не окислились.).Each time after the temperature of the tablets was reduced to the required one by feeding the furnace into the retort zone, where the tablets, helium or the argon-hydrogen mixture were located, the flow of helium or the argon-hydrogen mixture into the retort was stopped and the heating of the furnace was turned off. After the furnace was cooled to a temperature of ~ 25 ° C, the tablets were removed from it, subjected to visual inspection, and the destruction morphology was recorded by the state of the ends by making photographs using an optical microscope. The gas cooling process of the tablets (from the point of view of possible tablet oxidation) was controlled by determining the O / U ratio (it should be noted that during the tests for all tablets the O / U ratio did not change and amounted to 2.00 ± 0.001. This suggests that during the test the tablets did not oxidize.).
В процессе испытаний в каждом конкретном случае охлаждение таблеток путем подачи в зону реторты печи, где находились таблетки, гелия или аргоно-водородной смеси проводили вначале до достижения критической разности температур начала образования трещин (85…129°С), после чего таблетки с аналогичной микроструктурой охлаждали также гелием или аргоно-водородной смесью до достижения критической разности температур при полном разрушении таблеток (250…>600°С). Контроль и регулирование температуры в печи осуществляли с помощью регулирующего устройства "ПРОТЕРМ-100", контроль температуры таблеток осуществляли с помощью термопары, рабочий конец которой был размещен на торце одной из таблеток, электрического преобразователя ТВР ВР(А)-1 и измерителя-регулятора технологического ИРТ-1730D с погрешностью ±0,5%.During the tests in each case, the cooling of the tablets by feeding into the retort zone of the furnace where the tablets were located, helium or an argon-hydrogen mixture was carried out initially until the critical temperature difference between the onset of cracking (85 ... 129 ° C) was reached, followed by tablets with a similar microstructure they were also cooled with helium or an argon-hydrogen mixture until a critical temperature difference was reached with complete destruction of the tablets (250 ...> 600 ° C). Temperature control and regulation in the furnace was carried out using the PROTERM-100 control device, temperature control of the tablets was carried out using a thermocouple, the working end of which was placed at the end of one of the tablets, the TBP BP (A) -1 electric converter and the technological measuring regulator IRT-1730D with an error of ± 0.5%.
Данные о микроструктуре и значения критических разностей температур начала образования трещин и критических разностей температур при полном разрушении испытуемых таблеток представлены в таблице 1.Data on the microstructure and the critical temperature differences of the onset of cracking and critical temperature differences with the complete destruction of the test tablets are presented in table 1.
Как видно из таблицы 1, для таблеток, подвергнутых воздействию термического удара, критические разности температур начала образования трещин и критические разности температур при полном разрушении таблеток существенно различаются и находятся в прямой зависимости от таких параметров микроструктуры таблеток, как средний размер зерна и пористость, в частности, критическая разность температур начала образования трещин и критическая разность температур при полном разрушении таблеток уменьшаются с увеличением среднего размера зерна и уменьшением пористости таблеток.As can be seen from table 1, for tablets subjected to thermal shock, the critical temperature differences of the onset of cracking and critical temperature differences with the complete destruction of the tablets vary significantly and are directly dependent on such parameters of the microstructure of the tablets as the average grain size and porosity, in particular , the critical temperature difference of the onset of cracking and the critical temperature difference with the complete destruction of the tablets decrease with increasing average grain size and nsheniem tablets porosity.
Анализ результатов оценки поведения топливных таблеток, подвергнутых в соответствии с предлагаемым способом воздействию термического удара с помощью струи газа, показывает, что предлагаемый способ позволяет оценивать поведение топливных таблеток в нестационарных и аварийных режимах работы реактора в зависимости от их качества. При этом путем регулирования параметров микроструктуры топливных таблеток, в частности размеров зерна и пористости, можно не только существенно сдвинуть момент начала образования в таблетках трещин в случаях критических скоростей повышения линейной мощности в процессе пуска и маневрирования мощностью реактора, но и существенно сдвинуть момент полного разрушения таблеток в аварийных случаях, связанных с разгерметизацией и разрушением в процессе работы реактора оболочек ТВЭЛов (в ряде случаев, когда реальные разности температур для таблеток с соответствующей структурой будут меньше критических для данных таблеток, таблетки вообще полностью не будут разрушаться).The analysis of the results of evaluating the behavior of fuel pellets subjected to thermal shock using a gas jet in accordance with the proposed method shows that the proposed method allows us to evaluate the behavior of fuel pellets in unsteady and emergency operating conditions of the reactor depending on their quality. At the same time, by adjusting the microstructure parameters of fuel pellets, in particular, grain size and porosity, it is possible not only to significantly shift the start time of the formation of cracks in tablets in cases of critical rates of increase in linear power during start-up and maneuver the power of the reactor, but also significantly shift the time of complete destruction of the tablets in emergency cases associated with depressurization and destruction during the operation of the reactor shells of fuel elements (in some cases, when the real temperature differences for t bletok with corresponding structure will be less critical data pills, tablets generally will not fully collapse).
Таким образом, описываемый способ обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с известными сейчас способами в части получения надежных и достоверных результатов оценки качества и прогнозирования поведения топливных таблеток в нестационарных и аварийных режимах работы реактора. Кроме этого, описываемый способ позволяет путем регулирования микроструктуры топливных таблеток существенно улучшить их поведение в процессе эксплуатации в указанных режимах, тем самым улучшить радиационную обстановку на АЭС и повысить безопасность работы АЭС.Thus, the described method has undeniable advantages compared to the currently known methods in terms of obtaining reliable and reliable results of quality assessment and predicting the behavior of fuel pellets in unsteady and emergency operating conditions of the reactor. In addition, the described method allows, by adjusting the microstructure of the fuel pellets, to significantly improve their behavior during operation in these modes, thereby improving the radiation situation at the NPP and increasing the safety of the NPP.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009128638/07A RU2414758C1 (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Method to assess quality and behaviour of fuel pellets in non-stationary and emergency modes of nuclear reactor operation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009128638/07A RU2414758C1 (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Method to assess quality and behaviour of fuel pellets in non-stationary and emergency modes of nuclear reactor operation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009128638A RU2009128638A (en) | 2011-02-10 |
| RU2414758C1 true RU2414758C1 (en) | 2011-03-20 |
Family
ID=44053814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009128638/07A RU2414758C1 (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Method to assess quality and behaviour of fuel pellets in non-stationary and emergency modes of nuclear reactor operation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2414758C1 (en) |
-
2009
- 2009-07-27 RU RU2009128638/07A patent/RU2414758C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЗАЙМОВСКИЙ А.С. и др. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. - М.: Госатомиздат, 225-226. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009128638A (en) | 2011-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Steinbrück et al. | Oxidation of advanced zirconium cladding alloys in steam at temperatures in the range of 600–1200 C | |
| Steinbrück | Prototypical experiments relating to air oxidation of Zircaloy-4 at high temperatures | |
| Duriez et al. | Separate-effect tests on zirconium cladding degradation in air ingress situations | |
| Phillips et al. | Fabrication and comparison of fuels for advanced gas reactor irradiation tests | |
| Teague et al. | Microstructural characterization of high burn-up mixed oxide fast reactor fuel | |
| Yang et al. | Uranium nitride (UN) pellets with controllable microstructure and phase–fabrication by spark plasma sintering and their thermal-mechanical and oxidation properties | |
| Zhao et al. | High-temperature oxidation behavior of Zr-4 and Zr-Sn-Nb alloy in different oxidation ambient | |
| Steinbrück et al. | Deviations from parabolic kinetics during oxidation of zirconium alloys | |
| Chuto et al. | High temperature oxidation of Nb-containing Zr alloy cladding in LOCA conditions | |
| Carroll et al. | In-pile fission-gas release from single-crystal UO2 | |
| Tanaka et al. | Restructuring and redistribution of actinides in Am-MOX fuel during the first 24 h of irradiation | |
| RU2414758C1 (en) | Method to assess quality and behaviour of fuel pellets in non-stationary and emergency modes of nuclear reactor operation | |
| Le Hong et al. | Combined effects of temperature and of high hydrogen and oxygen contents on the mechanical behavior of a zirconium alloy upon cooling from the βZr phase temperature range | |
| Guilbert-Banti et al. | Hafnium oxidation at high temperature in steam | |
| Hilton et al. | AFC-1 transmutation fuels post-irradiation hot cell examination 4-8 at.%-final report (irradiation experiments AFC-1B,-1F and-1Æ) | |
| Rogozkin et al. | Results of U 0.55 Pu 0.45 N and U 0.4 Pu 0.6 N mixed mononitride fuel tests in a bor-60 reactor to burnup 12% ha | |
| JP5243680B2 (en) | Constituent member including zirconium alloy, method for manufacturing the constituent member, and nuclear plant including the constituent member | |
| Yamato et al. | Reduction in the onset time of breakaway oxidation on Zircaloy cladding ruptured under simulated LOCA conditions | |
| Nemoto et al. | Study on Loss-of-Cooling and Loss-of-Coolant Accidents in Spent Fuel Pool,(2) Fuel cladding oxidation | |
| Lee et al. | A study on the reaction of Zircaloy-4 tube with hydrogen/steam mixture | |
| Maeda et al. | Behavior of Si impurity in Np–Am–MOX fuel irradiated in the experimental fast reactor Joyo | |
| He et al. | The Compatibility of Nuclear Graphite With Molten Salt in the Molten Salt Reactor | |
| Golosov et al. | Burnup and thermal annealing effect on structural change and structural parameters of uranium-molybdenum dispersion fuel | |
| Sakamoto et al. | Axial Variations of Oxide Layer Growth and Hydrogen Uptake of BWR Fuel Claddings under Steam Starvation Conditions | |
| Marcet et al. | In situ characterization of UO2 microstructure changes during an annealing test in an environmental scanning electron microscope |