Тепловыделяющие элементы и сборки

Основной составной частью активной зоны ядерного энергетического реактора являются ТВЭЛы, собранные в тепловыделяющие сборки (ТВС) и содержащие определённое количество твёрдого ядерного топлива. Тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) — конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В ТВЭЛах происходит деление тяжёлых ядер ^a35U, ³³⁹Ри или ²™и, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. ТВЭЛы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. Тип ТВЭЛа определяется питом и назначением реактора, параметрами теплоносителя. ТВЭЛ должен обеспечить надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю. Тепловыделяющая сборка (ТВС) — машиностроительное изделие, содержащее ядерные материалы и предназначенное для получения тепловой энергии в ядерном реакторе за счёт осуществления контролируемой ядерной реакции.

Обогащенный по изотопу ²35U уран поступает на заводы по изготовлению топлива (точнее — ТВЭЛов), где перерабатывается в удобную химическую форму (обычно UFe—*U0₂). Из порошка U0₂ изготавливают таблетки, которые затем спекают при высоких температурах, а затем шлифуют для достижения одинаковых размеров. Керамические таблетки укладываются в трубки из коррозионностойких металлов. Трубки (топливные стержни) запечатывают. Трубки группируют в ТВС. Каждой сборке присваивается уникальный идентификационный номер, что позволяет их отслеживать на всём пути использования.

Обычно оболочки ТВЭЛов изготавливают из циркониевых сплавов. Материалом трубки обычно служит цирконий, легированный ниобием для увеличения пластичности (например, в ВВЭР-1000 используется сплав Э635 с 1% Nb, 14−1,5% Sn и 0,34−0,5% Fe). Внутри располагаются таблетки U0₂ (плотность 10,44−10,7 г/смз) и пружина в верхней части, компенсирующая их тепловые перемещения.

Топливные таблетки занимают 70% пространства внутри ТВЭЛа, остальное пространство занимают газы. При изготовлении в ТВЭЛы закачивают гелий до давления 204−25 кгс/см², в процессе эксплуатации к нему добавляются газообразные ПД, увеличивающие давление внутри элемента до 504−80 кгс/см². При работе на мощности средняя температура в центре таблеток составляет ^1500°, на поверхности—47°°- Тепловая энергия при протекании цепной реакции выделяется с интенсивностью 450 Вт/смз. Все таблетки в ТВЭЛе и во всей ТВС имеют одинаковое обогащение.

ТВЭЛы гетерогенных реакторов обеспечивают сохранение ядерного горючего и образующихся осколков в небольшом замкнутом пространстве. Они устанавливаются в активную зону ядерного реактора и обеспечивают генерацию основной части тепловой энергии и передачу её теплоносителю. Более 90% всей энергии, освобождающейся в реакторе при делении ядер, выделяется внутри ТВЭЛов и отводится обтекающим ТВЭЛ теплоносителем. ТВЭЛы работают в очень тяжёлых условиях: плотность теплового потока от ТВЭЛа к теплоносителю достигает 2 МВт/м². Наиболее важными явлениями при облучении являются распухание топлива и выход газовых продуктов деления, изменение внутреннего давления и т. д.

Различают ТВЭЛы, в которых топливо и оболочка металлические, ТВЭЛы, состоящие из керамического топлива и металлической оболочки и полностью керамические, покрытые пленками из пироуглерода, включенные в графитовую матрицу. По характеру топлива различают металлические ТВЭЛы, в которых металлическое топливо слабо легировано, керамические ТВЭЛы с керамическим топливом без разбавляющих добавок, дисперсионные ТВЭЛы, в которых топливо является сильно разбавленным сплавом или полностью керамическим с низким содержанием топлива на единицу объёма. По форме ТВЭЛа различают пластинчатые; сплошные цилиндрические, проволочные, прутковые, таблеточные, однокольцевые и многокольцевые, трубчатые; шаровые; пластинчатые; моноблочные перфорированные. По способу реализации контакта «топливо-оболочка» различают ТВЭЛы с механическим контактом; ТВЭЛы с металлургическим контактом; ТВЭЛы с промежуточным слоем. Для увеличения теплопередающей поверхности используют различные виды оребрения: продольное; поперечное; продольное с прямыми ребрами; спиральное; шевронное.

Предложено микросферическое гранулированное керамическое топливо (диаметр гранул — несколько микрон), применяемое для производства дисперсных ТВЭЛов с металлокерамической композицией, ТВЭЛов на основе пэафитовой матрицы, микроТВЭЛов с различными типами покрытий, используемых в высокотемпературных газоохлаждаемых атомных реакторах, а также виброуплотненных стержневых ТВЭЛов. В тепловом реакторе ТВЭЛы образуют решётку, свободное пространство которой заполняется замедлителем.

В случае использования керамических сердечников, между ними и оболочкой оставляют небольшой зазор, необходимый для учёта различных коэффициентов теплового расширения материалов. Для улучшения теплообмена оболочку ТВЭЛа вместе с сердечниками заполняют газом, хорошо проводящим тепло (гелий). В процессе работы ТВЭЛа исходный зазор уменьшается, вплоть до полного исчезновения.

В реакторе типа ВВЭР в качестве топлива используется спечённый U0₂ с начальным обогащением ²³⁵U 2.4 — 4.4% (масс). Полная загрузка реактора топливом — 75 тонн. Основной параметр ТВЭЛа — глубина выгорания топлива, которая достигает 65 МВт-сут/кг U за 6-ти летнюю кампанию. ТВЭЛ реактора ВВЭР-юоо представляет собой трубку, заполненную таблетками из U0₂ и герметично уплотненную. Трубка ТВЭЛа изготовлена из рекристализованного Zr, легированного 1% Nb. При температуре >юоо° цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200° эта реакция протекает быстро (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (i860⁰) и образуется водород).

Содержание делящегося ²³³U в массе топливных таблеток составляет 4,4% в начале кампании и о, 8% при выгрузке из реактора. Около 5% продуктов деления урана являются газообразными веществами, увеличивающими давление внутри оболочки ТВЭЛа на 8о атм. в конце кампании в горячем состоянии (давление теплоносителя в активной зоне 160 атм.). После охлаждения парциальное давление газообразных продуктов деления в оболочке ТВЭЛа составляет 20 атм.

На АЭС с реакторами типа ВВЭР-юоо используются бесчехловые ТВС, что позволяет разместить в одном и том же объёме корпуса большее количество ТВС, и тем самым увеличить мощность реактора, снизить неравномерность энерговыделения за счёт плотной упаковки ТВЭЛов, уменьшить гидравлическое сопротивление ТВС, повысить надежность охлаждения в аварийных режимах, увеличить количество регулируемых стержней, и снизить количество дорогостоящего материала (циркония), применяемого в ТВС.

В топливных таблетках для реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-юоо в качестве выгорающего поглотителя используется гадолиний (содержание оксида гадолиния варьируется от 3 до 8% масс), гомогенно распределенный по топливной таблетке. В топливных таблетках стремятся образовать однородную пористую структуру, избегая маленьких и больших пор, и добиться однородных размеров зёрен. Данные меры обеспечивают более полное выгорание топлива в реакторе. В некоторых реакторах используется топливо с таблетками из 1Ю₂ с добавкой 0,25% алюмосиликата, что повышает устойчивость ТВЭЛа к разрушению по механизму PCI-эффекта (взаимодействие топливной таблетки с металлической оболочкой ТВЭЛа).

Рис. 4. Устройство ТВЭЛ реактора РБМК: 1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида урана; 3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.

В качестве топлива в реакторах РБМК используется U0₂ с обогащением по ²35U 2,0 или 2,4%. Загрузка реактора ураном — 200 тонн. Среднее выгорание топлива 22,3 МВтсут/кг.

Топливо для реакторов РБМК-юоо постоянно совершенствуется. Сначала использовались топливные таблетки с обогащением 1,8% по ²³sU, затем для увеличения глубины выгорания обогащение подняли до 2,4%, при этом избыточная реактивность компенсировалась установкой дополнительного поглотителя в активную зону, который по мере выгорания извлекался оттуда. В настоящее время для компенсации избыточной реактивности в топливную композицию таблетки включают самовыгорающий поглотитель. Цель его использования заключается не только в компенсации начальной избыточной реактивности, увеличении начального обогащения и тем самым глубины выгорания ядерного топлива, но и в избавлении от установки дополнительного поглотителя, который в реакторе является источником образования ненужных радиоактивных отходов. Сейчас используется ядерное топливо с обогащением 2,6% по^sU с добавкой диоксида эрбия в количестве 0,41%.

При применении топлива с эрбием снижаются максимальные нагрузки на каналы с топливом и увеличиваются запасы по теплотехническим параметрам, что благоприятно сказывается на его надёжности. Эрбий обладает существенной поглощающей способностью для нейтронов с энергией Rbiiiip три покой и п случае перегрева ядерного топлива в аварийной.

ситуации он поглощает нейтроны, снижая тем самым энерговыделение. Это уменьшает паровой коэффициент реактивности и увеличивает тепловую мощность установки.

Рис. 5. Тепловыделяющая сборка реактора РБМК: 1 — дистанцирующая арматура; 2 — оболочка ТВЭЛа; з — таблетки диоксида урана.

В реакторах на быстрых нейтронах обычно используют высокообогащённое по 235U топливо в виде U0₂ или UN. В новом поколении реакторов на быстрых нейтронах предложено использовать как МОКСтопливо, так и нитридное топливо (UN-PuN).

В России производством ядерного топлива управляет Топливная компания «ТВЭЛ». Непосредственно изготовлением ядерного топлива заняты: Машиностроительный завод (г. Электросталь, МО) и Новосибирский завод химконцентратов (г. Новосибирск, Новосибирская область). Цирконий для изготовления ТВЭЛов производят на Чепецком механическом заводе (г. Глазов, Удмуртская Республика).