RU2496164C1

RU2496164C1 - Method to form fuel core of fuel rod

Info

Publication number: RU2496164C1
Application number: RU2012131715/07A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Юрьевич Вишневский; Юрий Павлович Ефремов; Рафаэль Хайбуллович Жалилов; Александр Антонович Колганов; Алексей Петрович Лысов; Анатолий Васильевич Мартыненко; Алексей Станиславович Шадский
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2013-10-20

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: method to form a fuel core of a fuel rod consists in automatic detection of each pellet density with assignment of a number to it and formation of an automated data base. On its basis the pellets are selected in groups so that each group of pellets had minimum deviation from the average value of the density of the entire batch of pellets for one fuel element. Afterwards the selected groups of pellets are laid along the length of the core, at the same time the groups with higher density are arranged closer to end parts of the fuel element, and with the smaller density - in its middle part. Due to the proposed method of fuel element core formation, the deviation of pellet column density from the average value does not exceed 1.5-2%.

EFFECT: provision of evenness of temperature field distribution due to even distribution of density along the length of the fuel element cores.

4 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к ядерной энергетике, к технологии изготовления тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) для ядерных реакторов, и может найти применение в исследовательских реакторах небольшой мощности.The invention relates to nuclear energy, to the technology of manufacturing fuel elements (fuel elements) for nuclear reactors, and may find application in research reactors of low power.

Известен способ снаряжения таблетками оболочек стержневых тепловыделяющих элементов, согласно которому формирование столба топливных таблеток осуществляют в виде неполного столба, набор топливных таблеток в ячейки барабана осуществляют из очередной партии таблеток с помощью вакуума, автоматически измеряют длину каждой таблетки с присвоением ей номера, формируют в электронно-вычислительной машине банк данных по длине каждой таблетки, а после измерения длины неполного столба топливных таблеток в оболочке с помощью ЭВМ осуществляют номерное формирование недостающей части до заданной длины столба, используя при этом весь банк данных по таблеткам, и доснаряжают недостающую часть топливных таблеток в оболочку с максимально возможной точностью до заданной длины столба (патент RU №2156508, МПК G21C 21/08, опубл. 20.09.2000).A known method of equipping tablets with the shells of the rod fuel elements, according to which the formation of a column of fuel tablets is carried out in the form of an incomplete column, a set of fuel tablets in the drum cells is carried out from the next batch of tablets using vacuum, the length of each tablet is automatically measured by assigning it a number, formed in electronic a computer, a databank on the length of each tablet, and after measuring the length of an incomplete column of fuel tablets in a shell using a computer, measuring the missing part to the specified column length, using the entire database of tablets, and equip the missing part of the fuel tablets in the shell with the greatest possible accuracy to the specified column length (patent RU No. 2156508, IPC G21C 21/08, publ. 20.09. 2000).

Недостаток известного способа заключается в том, что размещение топливных таблеток по длине топливного сердечника осуществляется без учета их плотности. Поскольку топливные таблетки имеют значительный разброс по плотности (содержание UO₂), то формирование топливного сердечника сопровождается неравномерностью распределения UO₂ по длине ТВЭЛа и, вследствие этого приводит к неравномерному распределению температуры по объему ТВЭЛа. Локальные перепады температур Д? приводят к деформации, как оболочки, так и топливного сердечника ТВЭЛа. Перепад температур сопровождается локальными напряжениями на разных участках ТВЭЛа $σ = \frac{E \times α \times Δ t}{2 \times (1 - μ)}$

, где E - модуль упругости, α - коэффициент температурного расширения, µ - коэффициент Пуассона. Это приводит к снижению ресурса работы как отдельно ТВЭЛа, так и тепловыделяющей сборки в целом.The disadvantage of this method is that the placement of fuel pellets along the length of the fuel core is carried out without regard to their density. Since fuel pellets have a significant dispersion in density (UO ₂ content), the formation of the fuel core is accompanied by uneven distribution of UO ₂ along the length of the fuel rod and, as a result, leads to an uneven temperature distribution throughout the volume of the fuel rod. Local temperature differences D? lead to deformation of both the shell and the fuel core of the fuel rod. The temperature difference is accompanied by local stresses in different parts of the fuel rod

σ = \frac{E \times α \times Δ t}{2 \times (one - μ)}

, where E is the elastic modulus, α is the coefficient of thermal expansion, and μ is the Poisson's ratio. This leads to a decrease in the service life of both a separate fuel rod and the fuel assembly as a whole.

Наиболее близким известным техническим решением по решаемой задаче и достигаемому техническому результату, принятому за прототип, является способ формирования топливного сердечника стержневого тепловыделяющего элемента, который реализуется на автоматической линии изготовления стержневого тепловыделяющего элемента (патент RU №2216797, МПК G21C 3/10, G21C 21/00, опубл. 20.04.2003). В данном техническом решении, предназначенном для серийного производства длинномерных ТВЭЛов (более 3 м) для мощных реакторов, предусмотрено распределение топливных элементов по длине топливного сердечника с большей степенью обогащения в более протяженной средней части и с меньшей степенью обогащения на концевых участках ТВЭЛа.The closest known technical solution to the problem and the technical result achieved, adopted as a prototype, is a method of forming a fuel core of a rod fuel element, which is implemented on an automatic production line of a rod fuel element (patent RU No. 2216797, IPC G21C 3/10, G21C 21 / 00, published April 20, 2003). This technical solution, designed for serial production of long fuel elements (more than 3 m) for high-power reactors, provides for the distribution of fuel elements along the length of the fuel core with a greater degree of enrichment in a longer middle part and with a lesser degree of enrichment at the end sections of a fuel element.

Однако данное техническое решение также не свободно от недостатков. Топливные элементы (таблетки) с одной степенью обогащения также имеют разброс, который может составлять более 5% от среднего значения, что при произвольной укладке таблеток приводит к неравномерности распределения топлива по длине ТВЭЛа как в средней части, так и на его концах. Это приводит к локальным перепадам температуры в радиальном и осевом направлениях. Причем наибольший перепад будет в местах сопряжения средней части с концевыми частями. Для исследовательских реакторов малой мощности при небольших размерах ТВЭЛов (от 0,5 м до 1 м) экономически выгодней использовать малые партии топливных таблеток (экспериментального состава), добиваясь при этом равномерного распределения топлива по энерговыделению (содержание урана 235) по активному объему ТВЭЛа.However, this technical solution is also not free from disadvantages. Fuel cells (tablets) with one degree of enrichment also have a spread, which can be more than 5% of the average value, which with arbitrary stacking of tablets leads to uneven distribution of fuel along the length of the fuel rod both in the middle part and at its ends. This leads to local temperature differences in the radial and axial directions. Moreover, the greatest difference will be at the interface between the middle part and the end parts. For research reactors of low power with small sizes of fuel rods (from 0.5 m to 1 m) it is economically more profitable to use small batches of fuel pellets (experimental composition), while achieving a uniform distribution of fuel by energy release (uranium content 235) over the active volume of a fuel rod.

Задача настоящего изобретения заключалась в обеспечении равномерности распределения температурного поля за счет равномерного распределения плотности по длине сердечников ТВЭЛов, в особенности, в исследовательских реакторах небольшой мощности.The objective of the present invention was to ensure uniform distribution of the temperature field due to the uniform distribution of density along the length of the cores of the fuel rods, especially in research reactors of low power.

Поставленная задача и технический результат достигаются в способе формирования топливного сердечника стержневого тепловыделяющего элемента, включающем укладку по длине сердечника топливных таблеток отличающихся по плотности на концевых частях и в средней части тепловыделяющего элемента, в котором согласно изобретению осуществляют автоматическое определение плотности каждой таблетки с присвоением ей номера, формируют автоматизированную базу данных, на основе которой таблетки подбирают группами таким образом, чтобы каждая группа таблеток имела минимальное отклонение от среднего значения плотности всей партии таблеток для одного тепловыделяющего элемента, после чего осуществляют укладку подобранных групп таблеток по длине сердечника, при этом группы с общей большей плотностью располагают ближе к концевым частям тепловыделяющего элемента, а с меньшей плотностью - в его средней части.The problem and the technical result are achieved in a method of forming a fuel core of a rod fuel element, including laying along the length of the core of fuel pellets differing in density at the end parts and in the middle part of the fuel element, in which according to the invention the density of each tablet is automatically determined by assigning it a number, form an automated database on the basis of which tablets are selected in groups so that each group the abletka had a minimum deviation from the average density of the entire batch of tablets for one fuel element, after which the selected groups of tablets are stacked along the length of the core, with groups with an overall higher density being placed closer to the end parts of the fuel element, and with a lower density - in its average parts.

Каждая группа таблеток может представлять собой пару. Данное количество таблеток в группе оптимально с точки зрения достижения технического результата.Each group of tablets may be a pair. This number of tablets in the group is optimal in terms of achieving a technical result.

Таблетки в группе подбирают по максимальной и минимальной плотности.Tablets in the group are selected according to the maximum and minimum density.

Определение параметров топливных таблеток и их расположения в топливном столбе осуществляют посредством устройства, которое включает съемный бункер для топливных таблеток, связанный посредством механизма транспортировки с приборами измерения размера и веса таблеток, а также с анализатором данных, определяющим распределение групп таблеток по длине тепловыделяющего элемента от концевых частей к его середине.The determination of the parameters of the fuel pellets and their location in the fuel column is carried out by means of a device that includes a removable hopper for fuel pellets connected via a transport mechanism with measuring devices for the size and weight of the pellets, as well as with a data analyzer that determines the distribution of the groups of pellets along the length of the fuel element from the end parts to its middle.

Сущность данного технического решения, а также достигаемый технический результат иллюстрируются таблицей и фигурами графических изображений.The essence of this technical solution, as well as the technical result achieved, are illustrated by the table and figures of graphic images.

В таблице представлены результаты обработки партии таблеток, предназначенной для одного ТВЭЛа.The table shows the results of processing a batch of tablets intended for one fuel rod.

На фиг.1 приведена схема устройства, используемого при реализации способа формирования топливного сердечника стержневого ТВЭЛа.Figure 1 shows a diagram of a device used in the implementation of the method of forming the fuel core of a rod fuel rod.

На фиг.2 приведен график распределения плотностей групп таблеток при случайном формировании топливного сердечника.Figure 2 shows a graph of the distribution of densities of groups of tablets in case of random formation of the fuel core.

На фиг.3 приведен график распределения плотностей групп таблеток, размещенных по мере возрастания плотности, при формировании топливного сердечника.Figure 3 shows a graph of the distribution of densities of groups of tablets placed as the density increases, with the formation of the fuel core.

На фиг.4 показан график распределения плотностей групп таблеток, размещенных по мере возрастания плотности от центра столба к его краям, при формировании топливного сердечника.Figure 4 shows a graph of the distribution of densities of groups of tablets placed with increasing density from the center of the column to its edges, when forming the fuel core.

Использование устройства (см. фиг.1) позволяет ускорить и облегчить подготовку таблеток для формирования сердечников ТВЭЛов. Устройство содержит: съемный бункер 1 для топливных таблеток, механизм транспортировки 2 с приводом, электрически связанные между собой, прибор измерения размеров 3, прибор измерения веса 4, лоток 5, анализатор данных 6 (ЭВМ). В процессе контроля таблетки из бункера 1 перемещаются механизмом транспортировки на измерительные позиции 2 и 3 и затем на лоток 5. Анализатор данных 6 по определенной программе определяет плотность и дает последовательность укладки групп таблеток сердечника по мере возрастания плотности от середины ТВЭЛа к его концевым частям.Using the device (see figure 1) allows you to speed up and facilitate the preparation of tablets for the formation of the cores of the fuel elements. The device comprises: a removable hopper 1 for fuel pellets, a transport mechanism 2 with a drive, electrically connected to each other, a size measuring device 3, a weight measuring device 4, a tray 5, a data analyzer 6 (computer). During the control process, the tablets from the hopper 1 are moved by the transport mechanism to the measuring positions 2 and 3 and then to the tray 5. The data analyzer 6 determines the density according to a certain program and gives the sequence of stacking groups of core tablets as the density increases from the middle of the fuel rod to its end parts.

Наличие сменного бункера 1 позволяет сократить время при проведении высокотемпературной термообработки таблеток в самом бункере и исключить операции по загрузке и выгрузке таблеток.The presence of a replaceable hopper 1 allows to reduce the time when carrying out high-temperature heat treatment of tablets in the hopper itself and to exclude operations for loading and unloading tablets.

Пример конкретного осуществленияCase Study

Согласно предлагаемому способу для формирования сердечника ТВЭЛа определенной длины, например 500 мм, предварительно термообработанные в съемном бункере 1 таблетки проходят размерный и весовой анализ (контроль) на приборах 3 и 4, после чего данные поступают на анализатор данных 6 устройства, изображенного на фиг.1.According to the proposed method for forming a fuel rod core of a certain length, for example, 500 mm, preliminarily heat-treated tablets in a removable hopper 1 undergo dimensional and weight analysis (control) on devices 3 and 4, after which the data are sent to the data analyzer 6 of the device shown in figure 1 .

Результаты обработки партии таблеток приведены в таблице.The results of processing a batch of tablets are shown in the table.

Для формирования сердечника ТВЭЛа длиной 500 мм использована партия таблеток из 38 штук высотой 14,7 мм, что на 2 штуки больше, чем необходимо для данной длины ТВЭЛа. Из этой партии выбрано 18 групп (пар - по максимальному и минимальному значению плотности), одна пара с максимальным отклонением от среднего не используется в данном столбе. Парные таблетки с наибольшей плотностью последовательно укладывают по краям ТВЭЛа, что иллюстрируется в таблице и на фигурах 2-4. В таблице в графе 1 приведены исходные номера, а в графе 2 - соответствующие им значения плотностей. Таблетки последовательно разбивают на группы, суммарная плотность которых приведена в графе 3. График распределения плотностей групп изображен на фиг.2, где виден случайный разброс плотности. В графе 4 приведена нумерация, а в графе 5 плотность исходных таблеток, но сформированная по мере возрастания плотности. В графе 6 группам таблеток, размещенным по мере возрастания плотности, присвоен номер, а плотность этих групп представлена в графе 7. График зависимости групп таблеток от их номера (или от их положения в топливном столбе) показан на фиг.3. В графе 8 приведены номера групп таблеток в соответствии с нумерацией, принятой в графе 6, расположенные по мере возрастания плотности от центра столба к его концевым частям, а в графе 9 соответствующие им плотности. На фиг.4 показан график зависимости плотности групп таблеток, сформированных по этому признаку.For the formation of the core of a fuel rod with a length of 500 mm, a batch of tablets of 38 pieces with a height of 14.7 mm was used, which is 2 pieces more than is necessary for a given length of a fuel rod. 18 groups were selected from this batch (pairs - according to the maximum and minimum density values), one pair with a maximum deviation from the average is not used in this column. Paired tablets with the highest density are sequentially stacked along the edges of the fuel rod, which is illustrated in the table and in figures 2-4. The table in column 1 shows the original numbers, and in column 2 the corresponding densities. Tablets are sequentially divided into groups, the total density of which is given in column 3. The graph of the distribution of group densities is shown in figure 2, where a random dispersion of density is visible. In column 4, numbering is given, and in column 5, the density of the original tablets, but formed as the density increases. In column 6, the groups of tablets placed as the density increases, a number is assigned, and the density of these groups is presented in column 7. A graph of the dependence of the groups of tablets on their number (or on their position in the fuel column) is shown in Fig. 3. Column 8 shows the numbers of groups of tablets in accordance with the numbering adopted in column 6, located with increasing density from the center of the column to its end parts, and in column 9 the corresponding densities. Figure 4 shows a graph of the density of the groups of tablets formed by this feature.

На фиг.2 приведен график линейной аппроксимации, имеющий заметный наклон, и величина ее достоверности, превышающая 5%. Как видно из графика на фиг.4 наклон графика линейной аппроксимации практически отсутствует, а величина ее достоверности не превышает 0,2%.Figure 2 shows a graph of linear approximation having a noticeable slope, and the value of its reliability in excess of 5%. As can be seen from the graph in Fig. 4, the slope of the linear approximation graph is practically absent, and the value of its reliability does not exceed 0.2%.

Таким образом, из графиков, изображенных на фиг.2-4, видно, что локальный разброс по плотности таблеток при случайном формировании топливного сердечника (фиг.2) больше, чем при формировании по предложенному способу (фиг.3, 4).Thus, from the graphs depicted in figure 2-4, it is seen that the local dispersion in the density of the tablets with the random formation of the fuel core (figure 2) is greater than when forming by the proposed method (figure 3, 4).

В сердечнике ТВЭЛа, сформированного в соответствии с изложенным способом (фиг.4), наибольшие значения плотности оказываются на его концевых частях, где отток тепла будет больше, а распределение температуры окажется более равномерным.In the core of the fuel rod, formed in accordance with the above method (figure 4), the highest density values are on its end parts, where the heat outflow will be greater and the temperature distribution will be more uniform.

Благодаря предложенному способу формирования сердечников ТВЭЛов отклонение плотности столба таблеток от среднего значения не превышает 1,5-2%, что было подтверждено измерениями распределения содержания урана 235 по длине ТВЭЛа на установке ПНК СУТ-1 производства НИИТФА (Руководство по эксплуатации еИ1.550.194 РЭ). Тогда как при случайном расположении таблеток в сердечнике отклонение плотности от среднего значения и распределения урана-235 может быть более 5%. Данным способом была сформирована партия сердечников для ТВЭЛов, распределение урана-235 в которой не превысило 2-3%.Thanks to the proposed method of forming fuel rod cores, the deviation of the pillar column density from the average value does not exceed 1.5–2%, which was confirmed by measuring the distribution of 235 uranium content along the fuel rod length at the PNT SUT-1 installation manufactured by NIITFA (Operation Manual eI1.550.194 RE) . Whereas with a random arrangement of tablets in the core, the deviation of the density from the average value and distribution of uranium-235 can be more than 5%. In this way, a batch of cores for fuel elements was formed, the distribution of uranium-235 in which did not exceed 2-3%.

1one 22 33 4four 55 66 77 88 99 Исходный номер таблеткиOriginal tablet number Плотность таблетки при исходном размещенииDensity of tablet at initial placement Плотность группы таблеток при исходном размещенииThe density of the group of tablets in the initial placement Исходные номера таблеток, при размещении по мере возрастания плотностиOriginal tablet numbers when placed as density increases Плотность таблетки, при размещении по мере возрастания плотностиDensity of the tablet, when placed as the density increases Номер группы таблеток, по мере возрастания плотностиGroup number of tablets as density increases Плотность группы таблеток, по мере возрастания плотностиDensity of a group of tablets as density increases Номер группы таблеток по мере возрастания плотности от центра столба к его краямThe number of group of tablets with increasing density from the center of the column to its edges Плотность группы таблеток по мере возрастания плотности от центра столба к его краямThe density of the group of tablets with increasing density from the center of the column to its edges 1one 12.2212.22 24.3824.38 14fourteen 11.96611.966 1one 24,19824,198 1717 24,31924,319 22 12.1512.15 15fifteen 12.23212.232 33 12.1712.17 24,3424.34 2323 12.00612.006 22 24,2324.23 1616 24,31424,314 4four 12.1712.17 1one 12.22412.224 55 12.1312.13 24,3124.31 1010 12.0112.01 33 24,23224,232 14fourteen 24,30224,302 66 12.1812.18 2222 12.22112.221 77 12.0712.07 24,2724.27 30thirty 12.02112.021 4four 24.23824.238 1212 24,30124,301 88 12.1912.19 1616 12.21612.216 99 12.1612.16 24,1724.17 3535 12.03512.035 55 24.23424.234 1010 24,28724,287 1010 12.0112.01 20twenty 12.19912.199 11eleven 12.19712.197 24,3924.39 2929th 12.06312.063 66 24.2624.26 88 24,27124,271 1212 12.1912.19 11eleven 12.19712.197 1313 12.1212.12 24,0924.09 77 12.07312.073 77 24.26824.268 55 24,23424,234 14fourteen 11.96611.966 3232 12.19612.196 15fifteen 12.2312.23 24,4524.45 3333 12.07612.076 88 24.27124.271 33 24,23224,232 1616 12.2212.22 88 12.19412.194 1717 12.1812.18 24,3124.31 3131 12.09412.094 99 24.28924.289 1one 24,19824,198 18eighteen 12.1312.13 1212 12.19412.194 1919 12.1412.14 24,3424.34 2828 12.10112.101 1010 24.28724.287 22 24,2324.23 20twenty 12.19912.199 2727 12.18612.186 2121 12.1712.17 24,3924.39 2525 12.10912.109 11eleven 24.29224.292 4four 24,23824,238 2222 12.2212.22 1717 12.18212.182 2323 12.0112.01 24,1824.18 1313 12.11912.119 1212 24.30124.301 66 24,2624.26 2424 12.1812.18 66 12.18212.182 2525 12.1112.11 24,2624.26 18eighteen 12,12912,129 1313 24.30624.306 77 24,26824,268 2626 12.1512.15 2424 12.17612.176 2727 12.1912.19 24,2924.29 55 12.1312.13 14fourteen 24.30224.302 99 24,28924,289 2828 12.10112.101 2121 12.17212.172 2929th 12.0612.06 24,0824.08 1919 12.13812.138 15fifteen 24,3124.31 11eleven 24,29224,292 30thirty 12.0212.02 33 12.17212.172 3131 12,0912.09 24,2924.29 2626 12,14812,148 1616 24,31424,314 1313 24,30624,306 3232 12.19612.196 4four 12.16712.167 3333 12,0812.08 24,2424.24 22 12,15412,154 1717 24,31924,319 15fifteen 24,3124.31 3434 12.1612.16 3434 12.16412.164 3535 12.0412.04 24,3224.32 99 12.15912.159 18eighteen 24.3224.32 18eighteen 24,3224.32 3636 12,16112,161 3636 12,16112,161

Claims

1. A method of forming a fuel core of a rod fuel element, comprising stacking along the length of the core of fuel pellets differing in density at the end parts and the middle part of the fuel element, characterized in that the density of each tablet is automatically determined by assigning a number to it, an automated database is formed, on the basis of which the tablets are selected in groups so that each group of tablets has a minimum deviation from the average density the entire batch of tablets for one fuel element, after which the selected groups of tablets are laid along the length of the core, with groups with an overall higher density being placed closer to the end parts of the fuel element, and with a lower density, in its middle part.

2. The method according to claim 1, characterized in that each group consists of two tablets.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the tablets in the group are selected according to the maximum and minimum density.

4. The method according to claim 1, characterized in that the determination of the parameters of the fuel pellets and their location in the fuel column is carried out by means of a device comprising a removable hopper for fuel pellets connected via a transport mechanism with measuring devices for measuring the size and weight of the tablets, as well as with a data analyzer determining the distribution of groups of tablets along the length of the fuel element from the end parts to its middle.