RU2524681C2 - Fuel element for nuclear reactor - Google Patents
Fuel element for nuclear reactor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2524681C2 RU2524681C2 RU2012145112/07A RU2012145112A RU2524681C2 RU 2524681 C2 RU2524681 C2 RU 2524681C2 RU 2012145112/07 A RU2012145112/07 A RU 2012145112/07A RU 2012145112 A RU2012145112 A RU 2012145112A RU 2524681 C2 RU2524681 C2 RU 2524681C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- fuel rod
- rod according
- nuclear
- shell
- Prior art date
Links
Images
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)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано при создании тепловыделяющих элементов (твэлов) для атомных реакторов на тепловых и быстрых нейтронах.The invention relates to the field of nuclear engineering and can be used to create fuel elements (fuel elements) for nuclear reactors using thermal and fast neutrons.
Известен стержневой твэл для ядерного реактора, состоящий из трубчатой оболочки из коррозионно-стойкой стали или циркониевого сплава, герметизированной на торцах заглушками, топливного сердечника из делящегося вещества в виде гранул, таблеток, втулок (таблетки с центральным каналом), нижнего и верхнего газосборника, заполненных инертным газом гелием. Known rod fuel rod for a nuclear reactor, consisting of a tubular shell made of corrosion-resistant steel or zirconium alloy, sealed at the ends with plugs, a fuel core made of fissile material in the form of granules, tablets, bushings (tablets with a central channel), lower and upper gas collector filled inert gas helium.
Недостаточно эффективный теплосъем при использовании гелиевого подслоя, приводящий к повышению температуры топливного сердечника и оболочки в нерегламентных ситуациях - основной недостаток такого типа твэлов, широко используемых как в нашей стране, так и за рубежом.Insufficiently efficient heat removal when using a helium sublayer, which leads to an increase in the temperature of the fuel core and cladding in unregulated situations, is the main disadvantage of this type of fuel elements, which are widely used both in our country and abroad.
Известен стержневой твэл для реактора на быстрых нейтронах, состоящий из оболочки, заглушенной на торцах, топливного сердечника в виде стержней или таблеток из UPuN, UPuC, UPuZr и жидкого металла, заполняющего зазор между топливом и оболочкой, нижний и частично верхний свободные объемы [Решетников Ф.Г., Бибилашнили Ю.К., Головнин И.С. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов: в 2 кн. / Под ред. Ф.Г.Решетникова. М.: Энергоатомиздат, 1995]. Использование жидкометаллического подслоя способствует улучшению теплопередачи только на начальной стадии эксплуатации. В дальнейшем из-за свеллинга - газового распухания - зазор между топливом и оболочкой исчезает, жидкий металл вытесняется в свободные объемы и не оказывает существенного влияния на теплосъем с поверхности твэла.Known rod fuel rod for a fast neutron reactor, consisting of a shell, muffled at the ends, a fuel core in the form of rods or tablets of UPuN, UPuC, UPuZr and liquid metal filling the gap between the fuel and the shell, the lower and partially upper free volumes [Reshetnikov F .G., Bibilashniili Yu.K., Golovnin I.S. and others. Development, production and operation of fuel elements of power reactors: in 2 books. / Ed. F.G. Reshetnikova. M .: Energoatomizdat, 1995]. The use of a liquid metal sublayer improves heat transfer only at the initial stage of operation. In the future, due to swelling - gas swelling - the gap between the fuel and the cladding disappears, the liquid metal is displaced into free volumes and does not significantly affect the heat removal from the surface of the fuel element.
Задачей заявляемого технического решения является реализация повышенного теплосъема в твэле ядерного реактора, что позволит существенно повысить эксплуатационные характеристики твэлов ядерных реакторов.The objective of the proposed technical solution is the implementation of increased heat removal in the fuel rod of a nuclear reactor, which will significantly improve the operational characteristics of the fuel rods of nuclear reactors.
Для решения этой задачи твэл ядерного реактора, включающий герметичную оболочку с размещенным в ней топливным сердечником и свободные объемы, дополнительно содержит рабочую жидкость с точками плавления и кипения, соответствующими диапазону рабочих температур на периферии у оболочки и в центре топливного сердечника, а топливный сердечник содержит ядерное топливо капиллярной структуры с сообщающейся пористостью.To solve this problem, a fuel rod of a nuclear reactor, including a sealed shell with a fuel core placed in it and free volumes, additionally contains a working fluid with melting and boiling points corresponding to the temperature range at the periphery of the shell and in the center of the fuel core, and the fuel core contains a nuclear fuel capillary structure with interconnected porosity.
В качестве ядерного топлива используют уран, торий, плутоний в виде металла, сплава или химического соединения, выбранного из ряда: интерметаллид, оксид, нитрид, карбид, в таблетках с центральным каналом и аксиальными проточками на внешней поверхности для создания капиллярной структуры.Uranium, thorium, plutonium in the form of a metal, alloy, or chemical compound selected from the series: intermetallic, oxide, nitride, carbide, in tablets with a central channel and axial grooves on the outer surface to create a capillary structure, is used as nuclear fuel.
В качестве рабочей жидкости используют щелочные металлы, а также серебро, кальций, сурьму, стронций, барий, таллий, индий, свинец, висмут или их сплавы.As the working fluid, alkali metals are used, as well as silver, calcium, antimony, strontium, barium, thallium, indium, lead, bismuth, or their alloys.
Внутренняя поверхность верхнего свободного объема твэла содержит капиллярную структуру в виде экрана, сетки, пористого тела и т.п.The inner surface of the upper free volume of a fuel rod contains a capillary structure in the form of a screen, mesh, porous body, etc.
Оболочка твэла может быть выполнена полностью из коррозионно-стойкой аустенитной или ферритно-мартенситной стали, или составной: в районе верхнего свободного объема - из аустенитной, а на участке нижнего свободного объема и топливного сердечника - из ферритно-мартенситного стали.The fuel cladding can be made entirely of corrosion-resistant austenitic or ferritic-martensitic steel, or composite: in the region of the upper free volume, from austenitic, and in the region of the lower free volume and fuel core, from ferritic-martensitic steel.
Твэл содержит фильтры-сорбенты холодной и горячей очистки, размещенные в его нижнем и верхнем свободных объемах, соответственно.A fuel rod contains cold and hot cleaning filter sorbents located in its lower and upper free volumes, respectively.
Изготовление твэла, в котором сердечник из ядерного топлива (уран, плутоний в виде металла, сплава или химического соединения) выполнен с системой сообщающейся пористости (гранулят, таблетки с центральным каналом и зазором как между таблетками, так и у оболочки), а нижний свободный объем, пористый сердечник и часть верхнего свободного объема заполнены жидким металлом, например натрием, позволяет достичь поставленной цели, а именно реализовать эффективный теплосъем по механизму замкнутой тепловой трубы при его эксплуатации в вертикальном положении в активной зоне ядерного реактора.The manufacture of a fuel element in which the core of nuclear fuel (uranium, plutonium in the form of a metal, alloy or chemical compound) is made with a system of communicating porosity (granulate, tablets with a central channel and a gap between the tablets and the shell), and the lower free volume , the porous core and part of the upper free volume are filled with liquid metal, for example sodium, to achieve the goal, namely to realize effective heat removal by the mechanism of a closed heat pipe when it is operated in a vertical position in the core of a nuclear reactor.
В высокотемпературной части топливного сердечника натрий превращается в пар (Tкип.Na=880°С), перемещается по центральному каналу (или порам в грануляте) в верхний газосборник (Тгаз.=600-700°С), конденсируется на стенках его оболочки и под действием гравитации (и капиллярных сил) стекает по зазору в нижнюю часть сердечника, после чего процесс повторяется.In the high-temperature part of the fuel core, sodium turns into steam (T boil. Na = 880 ° С), moves along the central channel (or pores in the granulate) to the upper gas collector (T gas. = 600-700 ° С), condenses on the walls of its shell and under the influence of gravity (and capillary forces) it flows through the gap to the lower part of the core, after which the process repeats.
Для регулирования температуры в твэле с теплосъемом по механизму тепловой трубы используют гофрирование или оребрение оболочки верхнего свободного объема, а также добавление к рабочей жидкости неконденсирующегося газа. Газ вытесняется потоком пара в зону конденсации, где устанавливается относительно резкая граница раздела, выше которой теплоотвод практически отсутствует. Таким образом, перемещая границу раздела, варьируя порции вносимого газа, можно изменять поверхность теплопередачи в верхнем свободном объеме, а следовательно, регулировать температуру топлива в твэле.To regulate the temperature in a fuel rod with a heat sink by the mechanism of the heat pipe, corrugation or finning of the upper free volume sheath is used, as well as the addition of non-condensable gas to the working fluid. The gas is displaced by the steam flow into the condensation zone, where a relatively sharp interface is established, above which the heat sink is practically absent. Thus, by moving the interface, varying the portions of the introduced gas, it is possible to change the heat transfer surface in the upper free volume, and therefore, to control the temperature of the fuel in the fuel element.
Реализация эффективного теплосъема с твэлов способствует:The implementation of effective heat removal from fuel rods contributes to:
- повышению безопасности ядерного реактора из-за уменьшения теплосодержания в его активной зоне;- improving the safety of a nuclear reactor due to a decrease in heat content in its core;
- улучшению совместимости топлива с оболочкой из коррозионно-стойкой стали и циркониевого сплава;- improving the compatibility of fuel with a shell made of corrosion-resistant steel and zirconium alloy;
- снижению вакансионного распухания оболочек из аустенитных хромоникелевых сталей из-за существенного уменьшения их рабочей температуры в области максимального флюенса нейтронов;- reduction of vacancy swelling of the shells of austenitic chromium-nickel steels due to a significant decrease in their operating temperature in the region of maximum neutron fluence;
- созданию условий для применения в качестве материала оболочек активной части твэла слабо распухающих ферритно-мартенситных сталей (материал оболочки верхнего газосборника - аустенитная хромоникелевая сталь, например ЧС-68).- creating conditions for the use of weakly swollen ferritic-martensitic steels as the cladding material of the active part of a fuel rod (the cladding material of the upper gas collector is austenitic chromium-nickel steel, for example ChS-68).
На фиг.1 изображен продольный разрез твэла реактора на быстрыхFigure 1 shows a longitudinal section of a fuel rod reactor for fast
нейтронах, где:neutrons, where:
1 - защитная оболочка активной части твэла;1 - a protective sheath of the active part of a fuel element;
2 - оболочка верхнего газосборника твэла;2 - cladding of the upper fuel rod gas collector;
3 - переходник;3 - adapter;
4 - верхняя заглушка;4 - the top cap;
5 - нижняя заглушка;5 - the bottom cap;
6 - топливный сердечник с системой сообщающейся пористости;6 - fuel core with a communicating porosity system;
7 - нижний объем, свободный от топлива;7 - lower volume free of fuel;
8 - верхний свободный объем, предназначенный для сбора газообразных продуктов деления;8 - upper free volume intended for the collection of gaseous fission products;
9 - пористая пробка, фиксирующая топливный сердечник;9 - a porous plug fixing the fuel core;
10 - рабочее вещество - жидкий металл, заполняющий нижний свободный объем, топливный сердечник с системой сообщающейся пористости и частично верхний свободный объем;10 - working substance - liquid metal filling the lower free volume, a fuel core with a system of communicating porosity and partially upper free volume;
11 - фильтры-сорбенты для очистки рабочего вещества от примесей;11 - sorbent filters for cleaning the working substance from impurities;
12 - направление потока рабочей жидкости.12 - the direction of flow of the working fluid.
Фиг.2 демонстрирует виды капиллярных структур: 13 - материал стенки, 14 - многослойная сетка или пористое тело, 15 - пористый экран.Figure 2 shows the types of capillary structures: 13 - wall material, 14 - multilayer mesh or porous body, 15 - porous screen.
На фиг.3 представлены макро- (а) и микроструктура (б) шлифов экспериментальных твэлов с гелиевым (1) и натриевым (2) заполнением (центр A3).Figure 3 presents the macro- (a) and microstructure (b) of thin sections of experimental fuel elements with helium (1) and sodium (2) filling (center A3).
Тепловыделяющий элемент для ядерного реактора содержит оболочку 1, герметизированную с торцов верхней 2 и нижней 3 заглушками, во внутренней полости которой размещены топливный сердечник 4 с сообщающейся пористостью, нижний 5 и верхний 6 свободные от топлива объемы. Топливный столб фиксируется пористой пробкой 7, приваренной точечной сваркой к оболочке. Рабочим веществом - жидким металлом 8 заполнен нижний свободный объем, топливный сердечник и часть верхнего свободного объема. Верхний и нижний свободные объемы содержат фильтры-сорбенты 9, например, на основе металлической стружки, цеолита, активированного угля, очищающие рабочее вещество от примесей по механизму «холодной ловушки» и химической «горячей очистки».The fuel element for a nuclear reactor contains a
На фиг.3 представлены результаты металлокерамографических исследований двух соседних твэлов с гранулированным оксидным топливом (эффективная плотность 8,84 г/см3, О/М=2,001-2,003) и оболочкой из стали аустенитного класса 0Х16Н15М3Б (сечение трубы 6,0×0,3 мм) с гелиевым и натриевым заполнением. Твэлы облучались в составе экспериментальной ТВС реактора БОР-60 при максимальной удельной тепловой нагрузке 420 Вт/см.Figure 3 presents the results of cermet studies of two adjacent fuel elements with granular oxide fuel (effective density 8.84 g / cm 3 , O / M = 2.001-2.003) and an austenitic steel sheath 0X16H15M3B (pipe section 6.0 × 0, 3 mm) with helium and sodium filling. The fuel rods were irradiated in the experimental fuel assemblies of the BOR-60 reactor at a maximum specific heat load of 420 W / cm.
В отличие от твэла с гелиевым подслоем (фиг.3а, 1) в твэле с натриевым заполнением не произошло переформирование исходной структуры гранулированного топлива, зона столбчатых зерен и центральная полость не образовались. Это свидетельствует о том, что теплосъем по механизму тепловой трубы снизил температуру центра топлива с больше чем 2200°С до меньше чем 1600°С.In contrast to a fuel element with a helium sublayer (Figs. 3a, 1), a reformation of the initial structure of granular fuel did not occur in the sodium-filled fuel element, the columnar zone and the central cavity were not formed. This indicates that heat removal by the mechanism of the heat pipe lowered the temperature of the fuel center from more than 2200 ° C to less than 1600 ° C.
В твэле с натриевым заполнением отсутствовали признаки взаимодействия топлива с оболочкой. В твэлах с гелиевым подслоем коррозия стали со стороны топлива была значительной. Несколько твэлов с гелиевым заполнением в ЭТВС вышли из строя из-за появления сквозных дефектов оболочки коррозионного происхождения. Профилометрические исследования показали меньшую в ~3 раза величину вакансионного распухания оболочки твэла с натриевым заполнением по сравнению с твэлами с гелиевым подслоем.The sodium-filled fuel rod showed no signs of fuel interaction with the cladding. In fuel elements with a helium sublayer, the corrosion of steel from the fuel side was significant. Several helium-filled fuel rods in the fuel assembly have failed due to the appearance of through-shell defects of a corrosion origin. The profilometric studies showed a ~ 3-fold lower value of the vacancy swelling of the cladding of fuel elements with sodium filling in comparison with fuel elements with a helium sublayer.
Снижение температуры открывает заманчивую перспективу применения в качестве материала оболочки активной части твэла слабораспухающей ферритно-мартенситной стали, в настоящее время не используемой из-за ее невысокой длительной прочности при температурах, реализуемых в энергетическом реакторе на быстрых нейтронах БН-600.A decrease in temperature opens up a tempting prospect for using as a cladding material the active part of a fuel element of a low-swelling ferritic-martensitic steel, which is currently not used due to its low long-term strength at temperatures realized in a BN-600 fast-neutron energy reactor.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012145112/07A RU2524681C2 (en) | 2012-10-23 | 2012-10-23 | Fuel element for nuclear reactor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012145112/07A RU2524681C2 (en) | 2012-10-23 | 2012-10-23 | Fuel element for nuclear reactor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012145112A RU2012145112A (en) | 2014-05-27 |
RU2524681C2 true RU2524681C2 (en) | 2014-08-10 |
Family
ID=50774913
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012145112/07A RU2524681C2 (en) | 2012-10-23 | 2012-10-23 | Fuel element for nuclear reactor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2524681C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2636931C2 (en) * | 2015-12-08 | 2017-11-29 | Юрий Васильевич Потапов | Method for manufacturing fuel element of nuclear reactor |
WO2019132710A1 (en) | 2017-12-29 | 2019-07-04 | Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for reprocessing nitride spent nuclear fuel in molten salts |
WO2020009600A1 (en) * | 2018-07-04 | 2020-01-09 | Акционерное Общество "Твэл" | Pressurized water reactor |
RU2760492C1 (en) * | 2020-12-31 | 2021-11-25 | Акционерное общество «Научно-технический центр «Диапром» | Fuel element of nuclear reactor |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2170956C1 (en) * | 2000-07-31 | 2001-07-20 | Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара | Nuclear reactor fuel element |
JP2002116288A (en) * | 2000-10-06 | 2002-04-19 | Hitachi Ltd | Reactor fuel rod and its production method |
-
2012
- 2012-10-23 RU RU2012145112/07A patent/RU2524681C2/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2170956C1 (en) * | 2000-07-31 | 2001-07-20 | Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара | Nuclear reactor fuel element |
JP2002116288A (en) * | 2000-10-06 | 2002-04-19 | Hitachi Ltd | Reactor fuel rod and its production method |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
САМОЙЛОВ А.Г. и др., Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, учебное пособие для ВУЗов, Москва, Энергоатомиздат, 1996, с. 317-320. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2636931C2 (en) * | 2015-12-08 | 2017-11-29 | Юрий Васильевич Потапов | Method for manufacturing fuel element of nuclear reactor |
WO2019132710A1 (en) | 2017-12-29 | 2019-07-04 | Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for reprocessing nitride spent nuclear fuel in molten salts |
WO2020009600A1 (en) * | 2018-07-04 | 2020-01-09 | Акционерное Общество "Твэл" | Pressurized water reactor |
RU2759217C1 (en) * | 2018-07-04 | 2021-11-11 | Акционерное Общество "Твэл" | Nuclear reactor with pressurized water |
RU2760492C1 (en) * | 2020-12-31 | 2021-11-25 | Акционерное общество «Научно-технический центр «Диапром» | Fuel element of nuclear reactor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012145112A (en) | 2014-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103295652B (en) | Nuclear fuel rod with ceramic cladding and metallic pellet | |
RU2461899C2 (en) | Stable absorbing control rod for nuclear reactor | |
CN101504872B (en) | Advanced gray rod control assembly | |
US20130010915A1 (en) | Reactor fuel elements and related methods | |
KR101218774B1 (en) | Nuclear fuel rod for fast reactor | |
RU2524681C2 (en) | Fuel element for nuclear reactor | |
JP2016537656A (en) | Fuel rod cladding tube, fuel rod and fuel assembly | |
KR20130092543A (en) | Triuranium disilicide nuclear fuel composition for use in light water reactors | |
RU2170956C1 (en) | Nuclear reactor fuel element | |
RU2691628C1 (en) | Nuclear fuel element of nuclear reactor | |
WO2018084940A2 (en) | Reactor control | |
RU89904U1 (en) | Nuclear reactor fuel rod | |
JP4559957B2 (en) | Reactor with fuel assembly and core loaded with this fuel assembly | |
RU180840U1 (en) | Fuel element of dispersion type | |
RU2468453C1 (en) | Nuclear reactor control and protection method | |
RU112483U1 (en) | Nuclear reactor fuel rod | |
RU2126181C1 (en) | Absorbing element of nuclear reactor control rod | |
RU2347289C1 (en) | Nuclear reactor fuel element | |
RU2806814C1 (en) | Fuel assembly of nuclear reactor (variants) | |
JP6691000B2 (en) | Fuel rods and fuel assemblies | |
JP6030548B2 (en) | Control rods for light water reactors and their use | |
RU2214633C2 (en) | Fuel assembly, core, and operating process of water-cooled nuclear reactor | |
CN216596965U (en) | Fuel assembly and fused salt fast reactor body for isotope production | |
RU2125305C1 (en) | Nuclear reactor fuel element | |
JP2017504034A (en) | Active area of lead-cooled fast reactor |