Nem is olyan régen a blogomon már elmondtam, hogyan és hol gyártják a világ legdrágább fémét, a California-252-t. De ennek a szuperdrága anyagnak a gyártása nem az egyetlen foglalkozása a dimitrovgradi Atomreaktorok Tudományos Kutatóintézetének (NIIAR). Az 1970-es évektől a tudományos központban működik az Üzemanyagtechnológiai Tanszék, ahol környezetbarát módszereket fejlesztenek szemcsés urán-oxid előállítására és a már besugárzott nukleáris üzemanyag (beleértve a fegyveres plutóniumot is) feldolgozására.

Ezen kívül fűtőelem-kazettákat (FA) is gyártanak ott - olyan eszközöket, amelyek egy reaktorban szabályozott nukleáris reakció következtében hőenergiát termelnek. Valójában ezek a reaktor akkumulátorai. Arról, hogyan és miből készülnek, ebben a cikkben szeretnék elmondani. Belenézünk egy magas sugárzású "forró" kamra belsejébe, megnézzük, hogyan néz ki az urán-oxid nukleáris üzemanyag, és megtudjuk, mennyibe kerülhet egy dupla üvegezésű ablak egy szokatlan ablakban.

Nem részletezem az atomreaktor berendezését és működési elvét, de a könnyebb érthetőség kedvéért képzeljünk el egy háztartási vízmelegítőt, amelybe hideg víz lép be és meleg víz folyik ki, és elektromos fűti. tekercs (fűtő). Az atomreaktorban nincs elektromos spirál, hanem vannak fűtőelemek - hosszú hatszögek, amelyek sok vékony fémcsőből állnak - fűtőelemek (fűtőelemek), amelyekben sűrített urán-oxid pelletek vannak.

(a kép forrása - sdelanounas.ru)

Az uránmagok állandó hasadása következtében nagy mennyiségű hő szabadul fel, ami a vizet vagy más hűtőközeget magas hőmérsékletre melegíti fel. És akkor a séma szerint:

(forrás - lab-37.com)

A tüzelőanyag-kazetta jellemzően 2,5-3,5 m hosszú, hatszögletű fűtőelem-köteg, amely megközelítőleg megfelel a reaktormag magasságának. Az üzemanyag-egységek rozsdamentes acélból vagy cirkóniumötvözetből készülnek (a neutronelnyelés csökkentése érdekében). A tüzelőanyag-elemeket (vékony csöveket) fűtőelem-kazettákba szerelik össze, hogy leegyszerűsítsék a nukleáris üzemanyag elszámolását és mozgatását a reaktorban. Egy üzemanyag-kazetta általában 18-350 fűtőelemet tartalmaz. A reaktor zónájában általában 200-1600 fűtőelem kazettát helyeznek el (a reaktor típusától függően).

Így néz ki a reaktor (kazán) fedele, amely alatt a fűtőelemek függőleges helyzetben vannak. Egy négyzet - egy szerelvény. Egy szerelvény - körülbelül 36 cső (az RBMK reaktorhoz, amely az alábbi képen látható, a többi reaktorban több cső van, de kevesebb szerelvény).

(fotó forrása - visualrian.ru)

És így vannak elrendezve az üzemanyagcsövek, amelyek az üzemanyag-kazettákat alkotják:

Az RBMK reaktor fűtőelemének berendezése: 1 - dugó; 2 - urán-dioxid tabletta; 3 - cirkónium héj; 4 - rugó; 5 - hüvely; 6 - tipp.

Üzemanyag-rudak (csövek) és üzemanyag-kazetta ház:

És minden rendben lenne, ha az urán-oxid varázslatos tablettái nem bomlanak le más elemekre a nukleáris reakció során. Amikor ez megtörténik, a reaktor reakcióképessége gyengül, és a láncreakció magától leáll. Csak a zónában (tüzelőanyag-rudak) lévő urán cseréje után folytatható. Mindent, ami felgyülemlett a csövekben, ki kell rakni a reaktorból és el kell temetni. Vagy hasznosítsa újra újrafelhasználás, ami vonzóbb, hiszen a nukleáris iparban mindenki a hulladékmentes termelésre, regenerációra törekszik.
kézi adóvevő. Miért költsünk pénzt nukleáris hulladék tárolására, ha éppen ellenkezőleg, meg lehet szerezni ezt a pénzt?

A RIAR ezen részlegében foglalkoznak a kiégett nukleáris fűtőelemek regenerálására szolgáló technológiákkal, amelyek a radioaktív trágyát hasznos elemekre osztják szét, és olyasvalamivé, ami máshol soha nem lesz hasznos.

Ehhez leggyakrabban kémiai elválasztási módszereket alkalmaznak. A legegyszerűbb megoldás az oldatos feldolgozás, de ez a módszer termeli a legtöbb folyékony radioaktív hulladékot, így ez a technológia csak az atomkorszak legelején volt népszerű. A RIAR jelenleg az úgynevezett "száraz" módszereket fejleszti, amelyek során sokkal kevesebb szilárd hulladék keletkezik, amelyet sokkal könnyebben ártalmatlanítanak, üveges masszává alakítva.

A kiégett fűtőelemek feldolgozásának minden modern technológiai sémája középpontjában a Purex-eljárásnak nevezett extrakciós eljárások állnak (az angolból Pu U Recovery EXtraction), amely a plutónium reduktív eltávolításából áll az urán és hasadási termékei keverékéből. . Az újrafeldolgozás során leválasztott plutónium üzemanyagként használható fel urán-oxiddal keverve. Ezt az üzemanyagot MOX-nak (Mixed-Oxide üzemanyag, MOX) hívják. Azt is beszerzik a RIAR-nál, az Üzemanyagtechnológiai Tanszéken. Ez egy ígéretes üzemanyag.

Minden kutatást és gyártási folyamatot a kezelők távolról, zárt kamrákban és védődobozokban végeznek.

Valahogy így néz ki:

Az ilyen elektromechanikus manipulátorok segítségével a kezelők speciális berendezéseket vezérelnek a "forró" cellákban. A nagy radioaktivitástól csak egy méter vastag ólomüveg választja el, amely 9-10 különálló, 10 cm vastag lemezből áll.

Csak egy pohár ára összehasonlítható egy Uljanovszki lakás árával, és a teljes kamera becsült értéke csaknem 100 millió rubel. A sugárzás hatására a szemüveg fokozatosan elveszíti átlátszóságát, és cserére szorul. Látod a képen a manipulátor "kezét"?

Évek képzése és tapasztalata szükséges ahhoz, hogy megtanulják, hogyan kell mesterien irányítani a manipulátort. De segítségükkel néha meg kell végezni a kis anyák lecsavarásának és meghúzásának kategóriáját a kamrában.

Az asztalon, a "forró" cellák csarnokában üvegkapszulákban nukleáris üzemanyag minták láthatók. Sok laboratóriumi vendég folyamatosan oldalra néz erre a bőröndre, és fél közelebb jönni. De ez csak egy próbababa, bár nagyon reális. Így néz ki az urán-dioxid, amelyből varázslatos tüzelőanyag-pellet készül - fényes fekete por.

Az urán-dioxidnak nincs fázisátalakulása, kevésbé érzékeny azokra a nemkívánatos fizikai folyamatokra, amelyek a fémuránnal magas maghőmérsékleten fordulnak elő. Az urán-dioxid nem lép kölcsönhatásba cirkóniummal, nióbiummal, rozsdamentes acéllal és más olyan anyagokkal, amelyekből tüzelőanyag-kazettákat és üzemanyagrúd-csöveket készítenek. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik a nukleáris reaktorokban való alkalmazását, magas hőmérséklet elérése és ennek következtében a reaktor nagy hatásfoka.

A manipulátor vezérlőpultja egy kissé eltérő módosítás. Ebben a cellában nincs szemüveg, így a megfigyelést a belsejében elhelyezett kamerák segítségével végzik.

Mi az?! A férfi a "forró" cellában?! De...

Nem baj, ez egy "tiszta" kamera. Alatt Karbantartás a benne lévő sugárzás mértéke nem haladja meg a megengedett értékeket, így anélkül is lehet benne dolgozni speciális eszközök rádióvédelem. Nyilvánvalóan ebben a kamrában végzik el az üzemanyag-kazetták végső összeszerelését uránpellettel már megrakott fűtőelemekből.

Egy ilyen nem túl hangulatos, nyitott nukleáris üzemanyaggal rendelkező környéken a laboratórium sugárzási szintje nem haladja meg a természetes értékeket. Mindezt szigorú sugárbiztonsági technikákkal érik el. Az emberek évtizedek óta dolgoznak kezelőként egészségkárosodás nélkül.

A találmány a területre vonatkozik atomenergiaés teljesítményreaktorok fűtőelemeinek gyártására használható. A jelen találmány műszaki célja olyan fűtőelem-konstrukció megalkotása, amelyben a plutónium vagy a nagymértékben dúsított urán ötvözetek vagy dioxidok formájában felhasználható anélkül, hogy azokat szegényített vagy természetes uránnal vagy tóriummal hígítanák, miközben biztosítják a szükséges terhelést, hasadó és termékeny nuklidok, az erőforrások növelése és a működés megbízhatóságának növelése, beleértve a vészhelyzeteket is. A fűtőelemben a mag egy 200-100%-os hasadó nuklid tömeghányadú része egy vagy több különböző geometriai alakú, lezárt ampullába van zárva, amelyek a fűtőelem burkolatával azonos vagy eltérő szerkezeti anyagból készülnek. Az ampullák szabad térfogattal rendelkeznek a nukleáris üzemanyag duzzadásának kompenzálására és a gáznemű hasadási töredékek összegyűjtésére. Az üzemanyagmag többi része olyan nukleáris üzemanyagot tartalmaz, amelynek a hasadó nuklidok tömeghányada 0,715%, a termékeny nuklidok pedig 0,01-100%. 5 z.p.f-ly, 4 ill.

A találmány nukleáris technikára vonatkozik, és felhasználható fűtőelemek (fűtőelemek) előállítására plutóniumból vagy nagymértékben dúsított uránból nukleáris üzemanyaggal termikus neutronos erőreaktorokhoz. Termikus és gyorsreaktorok működnek a világ atomenergia-iparában, ugyanakkor az összes atomerőmű villamos energiájának 85%-a könnyűvizes termikus neutronreaktorokban keletkezik, amelyek többsége konténer típusú fűtőelem-rudat használ. Ilyen fűtőelemek egy 7-15 mm átmérőjű, zárókupakokkal ellátott, hengeres fémhéj, amelynek belsejében urán-dioxid vagy urán-plutónium-dioxid keverék tabletta vagy vibrokompaktált granulátum formájú mag van elhelyezve, míg az urán-235, a plutónium-239 és a plutónium-241 hasadó nuklidok tömeghányada általában kevesebb, mint a nukleáris üzemanyag teljes urán- és plutóniumtartalmának 6%-a. A fűtőelemek szabad térfogattal rendelkeznek a nukleáris üzemanyag térfogatváltozásának kompenzálására és a gáznemű hasadási töredékek összegyűjtésére. A tüzelőanyag-rúdmagok hőmérsékleti szintjének csökkentésére esetenként lyukakat készítenek a tablettákba, a szabad térfogatokat héliummal vagy alacsony olvadáspontú anyagokkal töltik meg, mint például nátrium, nátrium-kálium ötvözet, ólom-bizmut ötvözet stb. /1/. A konténeres fűtőelemrudak mellett atomerőművi reaktorokban, és még nagyobb mértékben ben kutatóreaktorok Diszperziós típusú fűtőelemeket alkalmaznak, amelyek magjukat inert mátrixban egyenletesen eloszlatott nukleáris üzemanyag részecskék alkotják. A fűtőelemrúd-mag ilyen szerkezete a nukleáris üzemanyag részecskéiben és a velük szomszédos vékony mátrixrétegekben lokalizálja a hasadási töredékeket, ezért a fűtőelemrudakban nincs szabad térfogat a gáznemű hasadási töredékek összegyűjtésére /2/. A konténer típusú fűtőelemrudak könnyen gyárthatók és megbízhatóan üzemelhetők 2, 3, ritkábban 4 éves kampány során az új nukleáris üzemanyag magas konverziós tényezőjével (legfeljebb 0,5-ig) álló reaktorteljesítmény mellett. Az ilyen fűtőelemek energiatermelését korlátozzák a nukleáris tüzelőanyag térfogati változásai a felhalmozódott hasadási töredékekből, a nukleáris fűtőanyag tömeges átvitele forró (2000 o C-ig) hideg zónába (kb. 300 o C), agresszív korrozív hatása. hasadási töredékek a burkolaton, és a reaktor teljesítményének manőverezése - a héjban és a zónában jelentkező termomechanikus feszültségek hatására, amelyek a hőmérsékleti szintjük és az anyagok hőtágulási együtthatóinak különbségéből adódnak. Ezen túlmenően a tüzelőanyag-rúdmag magas hőmérséklete, a benne felgyülemlett hőenergia, valamint a vészhelyzetekben felszabaduló maradékhő a burkolat átégéséhez vezethet. Az üzemanyagrúd nyomáscsökkenésének okától, véletlenül, a fűtőelem-erőforrás kimerülésétől vagy vészhelyzettől függetlenül a nukleáris üzemanyagból felszabaduló hasadási töredékek a hűtőközegbe kerülnek, miközben radioaktivitása meghaladhatja a megengedett legnagyobb értékeket. A diszperziós fűtőelemeknél, a mátrix jó hővezető képességével, amely megbízható hőkapcsolatot biztosít a nukleáris üzemanyag és a burkolat között, a tüzelőanyag-mag hőmérséklete jelentősen csökken, például alumíniumötvözet mátrix esetén a mag hőmérséklete csökken. a VVER-1000 reaktor fűtőeleme mintegy másfél nagyságrenddel csökkenthető (1500 o C-ról 100 o C-ra). Ez lehetővé teszi a fűtőelemrudak sikeres kezelését manőverezési módokban, vészhelyzetekben kevésbé biztonságossá teszi őket, és a fűtőelemrúd nyomáscsökkenése esetén csökkenti a hűtőközeg szennyezettségének mértékét, mivel az csak a nukleáris üzemanyaggal kerül érintkezésbe a hiba helye. Ezenkívül alacsony hőmérsékleten a nukleáris üzemanyag kevésbé van kitéve a felhalmozódott hasadási töredékek térfogatváltozásának, és lehetővé válik más típusú nukleáris üzemanyagok, például urán-szilicid, urán-molibdén ötvözet stb. alkalmazása. A nukleáris fűtőanyag diszperzív fűtőelem-rúdjának magjában való koncentráció megköveteli a hasadó nuklid tömeghányadának növelését, ami ennek megfelelően csökkenti az új nukleáris üzemanyag konverziós tényezőjét. A diszperzív fűtőelemek teljesítményét korlátozza a fűtőelem átmérőjének megengedett növekedése vagy a burkolat anyagának megengedett deformációja. A világ atomenergetikai iparának a konténeres fűtőelemekkel és dioxid fűtőanyaggal működő könnyűvizes reaktorok felé orientálódása következtében több száz tonna plutónium halmozódott fel, amelynek poliizotópos összetétele 238, 239, 240, 241 és 241 tömegszámú. 242. Felmerült a plutónium tárolásának és további felhasználásának problémája. A plutónium nukleáris fűtőanyagként való felhasználása a leghatékonyabb a gyorsneutronos reaktorokban, de számuk a világon korlátozott, az új reaktorok építésének programja pedig több évtizedet csúszik. A poliizotópos plutónium felhasználásának problémájához hozzáadódott a felszabaduló urán és plutónium leszerelés eredményeként történő azonnali megsemmisülésének problémája. A plutónium termikus reaktorokban való felhasználására a leggyakoribb megoldás a szegényített vagy természetes uránnal való hígítás, mivel a termikus reaktorokban a plutónium tömeghányadának körülbelül 5%-nak kell lennie. Az ilyen üzemanyagot urán-plutóniumnak vagy vegyes üzemanyagnak nevezik. Meg kell jegyezni, hogy a termikus neutronreaktorokban a plutóniumnak csak páratlan izotópjai hasadók. A plutónium-241 izotóp, amelynek koncentrációja a poliizotópos plutóniumban eléri a 14 tömeg%-ot, felezési ideje körülbelül 14 év, kemény gamma-sugárzással amerícium 241-et képez, ami megnehezíti a poliizotóp plutóniummal való munkát annak hosszú távú tárolása során. Emellett az energiaminőségű plutónium veszteségei is jelentkeznek (körülbelül 9% 10 év alatt). A poliizotópos plutóniummal ellentétben a fegyveres minőségű plutónium főként a 239-es izotópot tartalmazza, és monoizotópnak tekinthető. A vegyes dioxid nukleáris üzemanyag előállításának fő nehézsége a plutónium és urán-dioxid homogén keverékének létrehozása, amelyből pelletet préselnek. Szintén mérlegelik a vegyes mikrogömb-dioxid tüzelőanyag felhasználásának lehetőségét és célszerűségét akár közvetlenül vibrotömörített maggal rendelkező fűtőelemek gyártásához, akár azokból pellet gyártásához. A mikrogömbök használatának előnye a porokkal szemben a kényelmesebb kezelési forma a technológiai folyamat minden szakaszában és lényegesen kevesebb porképződés, ami több lehetőséget biztosít. biztonságos munkavégzés operátorok. A kb. 5% plutónium-dioxidot tartalmazó porokból pelletgyártás technológiája, az üzemanyagrudak pelletekkel vagy mikrogömbökkel való felszerelése vegyes dioxid-üzemanyagból, valamint az üzemanyagrudak kialakítása hasonló az uránüzemanyaghoz használthoz. Alapvető különbség van azonban magában a termelés megszervezésében a vegyes dioxid nukleáris tüzelőanyaggal történő fűtőelemek gyártásához, különösen a poliizotóp plutónium felhasználása esetén. Normál sugárzási környezet létrehozásához ipari helyiségek minden berendezést biztonságosan lezárt kamrákba kell helyezni, és minden technológiai folyamat lehetőleg automatizáltnak kell lennie, beleértve a vezérlési műveleteket is. Mindez az üzemanyag-elemek gyártási költségeinek növekedéséhez vezet. A tüzelőanyag-elem igényelt kialakításához legközelebb a tartály típusú tüzelőanyag-elem kialakítása áll. A fűtőelem hengeres héjból és cirkónium alapú ötvözetből készült végsapkákból áll, amelyek belsejében egy mag van elhelyezve szinterezett urán-dioxid pellet vagy kevert üzemanyag formájában, körülbelül 5 tömegszázalék hasadó izotóp tartalommal. és szabad térfogata, hogy kompenzálja a duzzadását és a gáznemű hasadási töredékek összegyűjtését. A nukleáris üzemanyagból a héjba történő hőátadás javítása érdekében a belső szabad térfogatot héliummal töltik meg /1, 45. o./. Az ilyen vegyes tüzelőanyaggal működő fűtőelem hátránya, hogy a fűtőelem gyártási költsége 4-5-szörösére emelkedik az urán üzemanyagú fűtőelemhez képest, ami a dioxidok és a préselési pellet keverékének homogenitásának biztosításával jár. a sugárbiztonsági és higiéniai szabályok betartása mellett. Azt is meg kell jegyezni, hogy 20-szor több plutóniumtartalmú anyagot kell feldolgozni ahhoz, hogy 5% plutónium-dioxidot tartalmazó keveréket készítsenek. A jelen találmány fő műszaki célja egy olyan fűtőelem-konstrukció létrehozása termikus neutronos erőreaktorokhoz, amelyben poli- vagy monoizotóp plutónium vagy urán, amelynek hasadó nuklidjainak tömeghányada 100%-ig terjed, nukleáris üzemanyagként használható fel. A jól ismert konténer típusú fűtőelem kialakításától eltérően, amelynek magja urán és plutónium-dioxid homogén keverékéből áll, a kitűzött műszaki probléma megoldását a fűtőelemmag egy részének tömeggel történő lezárásával érik el. hasadó nuklidok frakciója 20-100%-ban egy vagy több különböző geometriai formájú lezárt ampullában, amelyek azonos vagy eltérő szerkezeti anyagból készülnek a fűtőelem burkolatával. Az ampullák szabad térfogattal rendelkeznek, hogy kompenzálják az ampullamag nukleáris üzemanyagának duzzadását, és összegyűjtsék a gáznemű hasadási töredékeket. Az üzemanyagmag többi része nukleáris üzemanyagot tartalmaz, amelynek a hasadó nuklidok tömeghányada legfeljebb 0,715%, a termékeny nuklidok pedig 0,01-100%. Az ampullákból és a fűtőelemrúd magjának nukleáris fűtőanyagából történő hőelvonás érdekében az ampullák és a nukleáris üzemanyag által a fűtőelemrúd burkolatán belüli üregeket érintkező anyaggal töltik fel. Az igényelt találmánnyal elért műszaki eredmény az, hogy a feldolgozott plutónium tartalmú anyagok bonyolultságának és térfogatának csökkentése mellett ampullák bevezetése a fűtőelemrúd magba, amelyben a hasadási töredékek több mint 70%-a koncentrálódik, és érintkezőanyag, amely csökkenti a fűtőelemrúd magjának hőmérsékleti szintjét, megbízható működést biztosít. fűtőelem a reaktor manőverezhető üzemmódjában, további két védelmi fokozatot hoz létre a fő radioaktivitás-forrás számára a fűtőelem nyomáscsökkenése esetén, ami vészhelyzetekben kevésbé veszélyessé teszi a fűtőelemet. A fűtőelem javasolt kialakítása lehetővé teszi energiatermelésének növelését, mivel a fűtőelemmag termékeny nuklidokkal rendelkező részének térfogatváltozásának sebessége és nagysága jelentősen csökken a régi kialakítású fűtőelemmaghoz képest. vegyes tüzelőanyag, mivel az ampullák magjában bekövetkező térfogatváltozásokat, amelyekben a hasadási töredékek nagy része felhalmozódik, ampullákban kompenzálják, emellett az üzemanyagrúd magja lényegesen alacsonyabb üzemi hőmérsékletű. A javasolt műszaki megoldás lehetővé teszi az ampullák kialakításának és anyagának, az ampullák és fűtőrudak magjainak nukleáris üzemanyagának anyagának és formájának, a hasadó és reprodukálódó nuklidok számának arányának, azonos vagy eltérő felhasználásának variálását. érintkező anyagok ampullák és üzemanyagrudak magjában, szükség esetén ampulla- és üzemanyagrudak magjában, valamint éghető abszorberek ampullák szerkezeti anyagában történő felhasználása, ampullákban getterek alkalmazása. Az ampullák tüzelőanyag-magjában a nukleáris üzemanyagot a legcélszerűbb plutónium-dioxid tetszőleges (szemcsés) vagy ismétlődő (granulátum) formájú részecskék formájában, vagy plutónium-gallium ötvözetből drót, szalag vagy granulátum formájában használni, ha monoizotóp plutónium felhasználásával, és az üzemanyagrúd magjában - urán vagy tórium kémiai vegyületek vagy ötvözetei, például dioxidok, szilicidek, nitridek, urán ötvözete 9% molibdénnel stb., míg a nukleáris geometriai alakja és méretei az ampullák magjában és az üzemanyagrúd magjában lévő üzemanyag lehet azonos, például szemcsék, szemcsék, granulátumok vagy különbözőek, például búzadara-granulátum, granulátum-tömb stb. Szerkezetileg az ampullák készülhetnek golyók, korongok, gyűrűk, poliéder vagy formázott lemezek formájában, egyenesek, a hossztengely körül csavart, vagy különféle szalagok vagy rudak spirálok formájában feltekerve kerek, ovális, háromszög alakú, négyzet alakú, téglalap alakú, poliéderes, három- vagy többkaréjos vagy más keresztmetszetű, beleértve azokat is, amelyeken öntávtartó bordák vannak a tüzelőanyag-magban. Az ampullák tüzelőanyag-magjának hossza megfelelhet a tüzelőanyag-rúdmag hosszának vagy többszöröse is lehet. Az ampullák kompenzációs térfogata teljesen elhelyezhető a fűtőelem magjában, vagy részben eltávolítható onnan az ampulla azonos vagy módosított geometriájával. Ezenkívül a kompenzációs térfogatban getter is elhelyezhető. Ha a hasadó izotópok egyenlőtlen terhelése szükséges a fűtőelemrúd magjának hossza mentén, az az ampullák számával és távolságával biztosítható, nukleáris fűtőanyag töltésével olyan ampullákba, amelyek maghossza többszöröse a fűtőelem hosszának. a tüzelőanyag-rúdmag és egy változó keresztmetszet, egy spirál csavarási vagy tekercselési menete, amelynek hossza a tüzelőanyag-rúd magjának megfelelő ampullamagot tartalmaz. A fűtőelem magjában és az ampullák magjában érintkező anyagokként olyan anyagok, amelyek a fűtőelem működési körülményei között szilárd halmazállapotúak, például magnézium, alumíniumötvözetek stb., vagy folyékony halmazállapotúak ( ólom ötvözete bizmuttal, nátriummal stb.) és az állapotok (folyadék-folyadék, szilárd-folyékony, szilárd-szilárd, folyékony-szilárd) és kémiai összetétel bármilyen kombinációjában használható. Az üzemanyagrúd és az ampulla héjának anyaga lehet azonos, például cirkóniumötvözet E-110 - cirkóniumötvözet E-110, rozsdamentes acél EI-847 - rozsdamentes acél EI-847 vagy eltérő, például cirkónium ötvözet E-110 - rozsdamentes acél EI-847 , cirkónium ötvözet E-110 - cirkónium ötvözet E-125, rozsdamentes acél EI-844BU-ID rozsdamentes acél EI-852 és mások éghető abszorber részecskéi nukleáris üzemanyag részecskéivel üzemanyagból rudak és ampullák, és/vagy ampullák szerkezeti anyagába, míg kémiai összetételés/vagy az abszorbeáló izotóp koncentrációja azonos vagy eltérő. Például egy üzemanyagrúd magjában gadolínium-oxid található nukleáris üzemanyag-részecskék összetételében, az ampullamagban - gadolínium-oxid részecskék formájában nukleáris üzemanyag-részecskékkel keverve, az ampulla anyagában - bór cirkóniumötvözetben . A javasolt műszaki megoldás és az ismert összehasonlító elemzése lehetővé teszi annak megállapítását, hogy a javasolt műszaki megoldás megfelel-e a találmányokra vonatkozó követelményeknek. A találmányt rajzok illusztrálják. Az 1. ábra egy tüzelőanyag-rudat mutat három hengeres ampullával, amelyek magjai a tüzelőanyag-rúdmag hosszának megfelelő hosszúságúak, érintkező anyag a tüzelőanyag-rúd magjában, amely szilárd állapotban van az üzemanyagrúd működési körülményei között. ábrán látható. A 2. ábra egy tüzelőanyag-rudat mutat hengeres ampullákkal, amelyek magjai hossza többszöröse az üzemanyagrúd mag hosszának, valamint az ampulla és az üzemanyagrúd magjainak érintkezési anyagai, amelyek működési körülmények között folyékony állapotban vannak. A 3. ábra egy tüzelőanyag-rudat mutat be egy ampullával, csavart szalag formájában, amelynek maghossza megfelel a tüzelőanyag-rúd magjának hosszának, és egy gázgyűjtő van elhelyezve az üzemanyagrúd tüzelőanyag-magján kívül. ábrán látható. A 4. ábra egy, a fűtőelem mag hosszának megfelelő maghosszúságú, profilszalag formájú, hengeres spirálba csavart, egy ampullával ellátott fűtőelemet, a fűtőelem magon kívül elhelyezett gázgyűjtőt ábrázol. Az üzemanyagrúd kialakítása (lásd az 1. ábrát) egy héj (1), amely a végein dugókkal (2) van lezárva, amelynek belsejében egy mag (3) található, amely nukleáris tüzelőanyag-pelletek vibrációval tömörített keverékéből áll. termékeny nuklidok (4), és égethető pellet abszorber (5), amelyek közötti résekben érintkező anyag (6) van, amely a fűtőelem üzemi körülményei között szilárd állapotban van. Az üzemanyagrúd magjában 120°-on keresztül három hengeres ampulla (7) található. Az ampullák és a héj között az ampullák átmérőjének legalább 0,1-es rés van, a szemcsék minimális átmérője pedig legalább a rés 1,2-szerese. Az ampulla egy hengeres vékonyfalú cső (8), melynek végei dugókkal (9) vannak lezárva, amely belsejében egy mag (10) található, amely osztható nuklidokat (11) tartalmazó porózus nukleáris üzemanyag-granulátumok vibrációval tömörített keverékéből áll. ) és egy getter (12). Maximális méret granulátum legfeljebb 0,3-a az ampulla belső átmérőjének. A 13 ampullában lévő kompenzációs térfogat szemcseközi és intragranuláris porozitás. A tüzelőanyag-rúdmag elejének és az ampullák egymáshoz igazításához az alsó dugóban van egy alátét (14) az ampullák számára kialakított nyílásokkal, amelyek vastagsága megegyezik az ampulla vége és az ampullamag kezdete közötti távolsággal. A tüzelőanyag-rúdmag rétege felett inert anyagból készült dugó (15) található, amelynek magassága nagyobb, mint az ampulla tüzelőanyag-rúdmag feletti kiálló része. A fűtőelem héjának és dugóinak anyaga cirkóniumötvözet, például E-110, az ampulla és a dugók anyaga pedig rozsdamentes acél, például EI-844BU-ID acél. A fűtőrúd magjának nukleáris üzemanyagaként a szegényített vagy természetes urán vagy tórium ötvözetei és vegyületei molibdénnel, cirkóniummal, nitrogénnel, szilíciummal, alumíniummal stb. használhatók, attól függően, hogy a fűtőelemrúdban milyen arányban szükséges a hasadó és termékeny nuklidok, nukleáris üzemanyagként pedig az ampullák magja plutónium-dioxid vagy erősen dúsított urán. Égehető abszorberként használható gadolinium-oxid, bór-karbid, gadolínium-titanát stb.. A fűtőelemrúd magjának érintkezési anyagaként magnézium vagy alumíniumötvözetek használhatók. Getter anyagként bárium tartalmú vegyületek cirkóniummal, alumíniummal, nikkellel. Parafaanyagként - szinterezett alumínium-oxid részecskék (őrlési szemcse). A fűtőelemrúd kialakítása (lásd a 2. ábrát) egy héj (1), amely a végein dugókkal (2) van lezárva, amely belsejében egy mag (3) található, amely termékeny nuklidokat (4) tartalmazó nukleáris üzemanyagból áll, és amely hengeres blokkok formájúak, amelyek a henger generátorai mentén hat, 60 o-os hornyot tartalmaznak, és a tömbök és a fűtőelem héja közötti résekben elhelyezett érintkezőanyag (6) a fűtőelem folyékony halmazállapotú üzemi körülményei között van. . Az érintkező anyag szintje 3-5 mm-rel magasabb, mint az utolsó blokk szintje. A tömbök hornyaiban hengeres ampullák (7) helyezkednek el. Az ampulla egy hengeres vékonyfalú cső (8), amely a végein dugókkal (9) van lezárva, amely belsejében egy mag (10) található, amely hasadó nuklidokat (11) tartalmazó nukleáris üzemanyagból áll, granulátum formájában. legfeljebb 0,3 átmérőjű, vagy az ampulla belső átmérőjének legfeljebb 0,7-ét átmérőjű huzal és érintkezőanyag (16), amely a fűtőelem működési körülményei között folyékony állapotban van. Az érintkező anyag szintje 2-3 mm-rel magasabb, mint az ampulla nukleáris üzemanyagának szintje. Az ampullában (13) lévő kompenzációs térfogat az érintkező anyag szintje felett elhelyezkedő szabad térfogat. A tüzelőanyag-rúdmag elejének és az ampullák egymáshoz igazításához az üzemanyagrúd alsó dugóján egy alátét (14) található, amely megismétli a blokkok profilját, amelynek vastagsága megegyezik a tömbök végétől való távolsággal. ampullát az ampullamag elejéig. Az ampullák a tüzelőanyag-rúd hosszában úgy helyezkednek el, hogy az első kivételével minden blokk hornyában 60 o után váltakoznak az ampullák magjai és kompenzációs térfogatai. Ezt úgy érjük el, hogy az ampullák hossza egyenlő páros számú blokk magasságával (1. ábrán két blokk), a tüzelőanyag-rúd magtömbök hossza megegyezik a tömbök hosszával. az ampulla mag, és az első blokkban három horonyban ampulla szimulátorok (17) vannak, amelyek hossza megegyezik az ampullák hosszúságának felével. Az ampullák és tömbök egymás és a héj közötti távolságtartására az ampullák külső felületén az ampulla átmérőjének legalább 0,1-e átmérőjű spirálba (18) feltekercselt drót található, amelynek végei az ampulla átmérőjének legalább 0,1-e. az ampullák végeit. Az üzemanyagrúd magjában bekövetkező térfogatváltozások kompenzálására és a benne felszabaduló gáznemű hasadási töredékek összegyűjtésére az érintkező anyag (19) szintje felett van egy szabad térfogat. Az üzemanyagrúd és az ampullák héjának és dugóinak anyagai megegyezhetnek az 1. ábrán látható üzemanyagrúddal. Az üzemanyagrúd magjának nukleáris fűtőanyaga lehet szegényített vagy természetes urán vagy tórium ötvözete és vegyületei molibdénnel, cirkóniummal, szilíciummal, alumíniummal stb., az ampullamag nukleáris fűtőanyaga pedig plutónium és gallium ötvözete lehet. vagy erősen dúsított urán ötvözete molibdénnel. Az üzemanyagrúd magjának érintkezési anyaga lehet ólom-bizmut ötvözet, az ampullamag érintkező anyaga pedig ólom-bizmut ötvözet vagy nátrium is lehet. A fűtőelemrúd kialakítása (lásd a 3. ábrát) egy héj (1), amelynek végei dugókkal (2) vannak lezárva, amely belsejében egy mag (3) található, amely nukleáris üzemanyag-pelletek vibrációval tömörített keverékéből áll (4). ) termékeny nuklidokat tartalmazó, éghető abszorberrel (5), amelyek közötti résekben egy érintkező anyag (6) található, amely üzemi körülmények között szilárd állapotban van. Az üzemanyagrúd magjának közepén egy ampulla (7) található. Az ampulla egy üreges szalag (8), amely az alsó végén egy dugóval (9) van lezárva, és a hosszanti tengely körül csavarodott, és benne van egy mag (10), amely termékeny nuklidokat tartalmazó nukleáris üzemanyag vibrációval tömörített szemcséiből áll (10). 11) legfeljebb 0 3 magvastagságú granulátum átmérőjű, és az ampulla felső részében, az üzemanyagrúd magon kívül getter (12) van elhelyezve. A tüzelőanyag-elem és az ampulla magjai elejének egy vonalba hozásához van egy alátét (14) az ampulla számára nyílással, amelynek vastagsága megegyezik az ampulla vége és az ampulla kezdete közötti távolsággal. mag. A tüzelőanyag-rúdmag rétege felett inert anyagból készült dugó (15) található, melynek magassága megegyezik a tüzelőanyag-rúdmag és a gázgyűjtő (20) távolságával. Az ampulla (13) kompenzációs térfogata a szemcseközi porozitás és a gázgyűjtő (20). Az ampulla tüzelőanyag-magját egy gázáteresztő vatta (21) választja el a gázgyűjtőtől. Ennek az üzemanyagrúd-konstrukciónak az összes anyaga hasonló az ábrán látható tüzelőanyag-rúd-kialakításhoz. 1. Ennek a fűtőelemnek az ampullahéj anyagaként azonban alumíniumötvözetek is használhatók. Az üzemanyagrúd kialakítása (lásd a 4. ábrát) egy héj (1), amely a végein dugókkal (2) van lezárva, amely belsejében egy mag (3) található, amely nukleáris üzemanyagot és termékeny nuklidokat tartalmazó vibrotömörített granulátumokból áll. (4) és éghető abszorber (5), amelyek közötti résekben egy érintkező anyag (6) található, amely üzemi körülmények között szilárd állapotban van. Az üzemanyagrúd magjában egy ampulla (7) található. Az ampulla egy hengeres spirálra tekercselt profilszalag, amelynek külső felületén borda van kialakítva, amely az ampulla hengeres része és a burkolat között legalább 0,15 mm-es rést és a minimális átmérőt biztosít. az üzemanyagmag granulátuma 1,2-szer nagyobb, mint a hézag. Az alsó részen az ampulla egy dugóval (9) van lezárva. Az ampulla belsejében van egy mag (10), amelynek hossza megfelel a fűtőelemrúd magjának hosszának, és amely hasadó nuklidokat (11) tartalmazó nukleáris üzemanyagból áll. A tüzelőanyag-elem és az ampulla magjai elejének egy vonalba hozásához van egy alátét (14) az ampulla számára nyílással, amelynek vastagsága megegyezik az ampulla vége és az ampulla kezdete közötti távolsággal. mag. A tüzelőanyag-rúdmag rétege felett inert anyagból készült dugó (15) található, melynek magassága megegyezik a tüzelőanyag-rúdmag és a gázgyűjtő (20) távolságával. Az ampulla (13) kompenzációs térfogata a szemcseközi porozitás és a gázgyűjtő (20). Az ampulla tüzelőanyag-magját egy gázáteresztő vatta (21) választja el a gázgyűjtőtől. Az üzemanyagrúd minden anyaga hasonló az ábrán látható üzemanyagrúd szerkezetéhez. 1. ábrán látható, figyelembe véve, hogy a tüzelőanyag-elem ilyen kialakításánál az ampullahéj anyaga alumíniumötvözet lehet. ábrán látható tüzelőanyag-rúd gyártása. 1, laboratóriumi körülmények között tesztelve. A 9,15 x 7,72 mm átmérőjű és 950 mm hosszúságú héj (1) és a dugók E-110 cirkóniumötvözetből készültek. A 7 ampullákat 1,5 x 1,26 mm átmérőjű kapilláris csövekből (8) készítettük. Az ampullák és dugóik anyagaként EI-844BU-ID acélt használtak. Az ampullák 98 tömeg%-os urán-dioxid granulátum vibrokompaktált keverékéből álló magot (10) tartalmaztak. és bárium ötvözete 2 tömeg% cirkóniummal. Az urán-dioxid granulátumok belső porozitása 12-15% volt. A granulátumkeverék frakcionált összetétele -0,4+0,08 mm volt. A teljes intragranuláris és intergranuláris porozitás, ami a kompenzációs térfogat (13), a számítás szerint - 50 - 55%. Az ampullamag hossza 900-5 mm volt. Az ampullák (10) magjainak és a tüzelőanyag-rúd (3) egymáshoz igazításához 4 mm vastag alátétet (14) szereltek be, amely E-110 cirkóniumötvözetből készült. A fűtőelemrúd magjának (3) anyagaként 95 tömegszázalékos urán-dioxid granulátum (4) vibrokompaktált keverékét használtuk. és gadolínium-oxid (5) 5 tömeg%. frakcionált összetétel -0,5 + 0,315 mm, érintkező anyaggal impregnálva (7) - 12 tömeg%-os alumíniumötvözet. szilícium. A tüzelőanyag-rúdmag hossza 900 - 5 mm, a granulátum térfogati kitöltése 60 - 65% volt. A tüzelőanyag-rúdmag rétege felett 0,5-0,6 mm-es frakcionált összetételű, lekerekített zsugorított alumínium-oxid (csiszolószemcse) részecskéiből dugó (15) került kialakításra, amelyet szintén érintkező anyaggal impregnáltak. A tüzelőanyag-rúd magjában az ampullákat 120°-os távolságra helyeztük el úgy, hogy az ampullák és a burkolat közötti rés 0,2 mm volt. Az ampullák előállítását a következő sorrendben végeztük. A cső méretre vágása, az ampulla egyik végének lezárása, vibráció, az ampulla héliummal való feltöltése és az ampulla második végének lezárása, az ampulla tömítettségének és a nukleáris üzemanyag egyenletes eloszlásának ellenőrzése az ampulla hosszában. Az üzemanyagrudak gyártása a következőket foglalta magában technológiai műveletek. A cső méretre vágása és az egyik végének tömítése, alátét és ampullák beszerelése, az üzemanyagrúd vibrálása, a dugó feltöltése és az üzemanyagrúd magjának és dugójának impregnálása olvadt alumíniumötvözettel, az üzemanyagrúd második végének tömítése, az üzemanyagrúd nyomás alá helyezése hélium és a tömítettség ellenőrzése, a nukleáris üzemanyag eloszlásának ellenőrzése a fűtőelemrúdban, az impregnálás minőségi érintkezési anyaga és megjelenése. A fűtőelem-rudak laboratóriumi mintáinak gyártási eredményei azt mutatták, hogy a nukleáris üzemanyag egyenlőtlen eloszlása ​​az ampullákban nem haladja meg a 7% -ot, az üzemanyagrúdban pedig a 10% -ot. Az üzemanyag-rúdmagok impregnálásának minősége kielégítő és kinézet tüzelőanyag-rudak megfelelnek a kontroll mintáknak. Az üzemanyagrudak egyéb változatainak gyártási technológiája hasonló a fent leírtakhoz, csak a szalagos üzemanyagrudakkal ellátott változatoknál csőprofilozást is végeznek, és a megtöltött ampullák megkapják a kívánt formát. Így bemutatjuk a javasolt kialakítású fűtőelemek létrehozásának valódi lehetőségét, és a nukleáris üzemanyag kiválasztott összetételének, szerkezeti, érintkező és egyéb anyagoknak, valamint az ampullák kialakításának kombinációja biztosítja az erőforrás növekedését és az üzemanyag megbízhatóságának növekedését. elemek manőverezési módokban a reaktor meghatározott működési körülményei között. Az igényelt találmány szerinti fűtőelem megvalósítása során a szemcsék, szerkezeti, nukleáris, éghető anyagok és getterek más formái, méretei és geometriái is használhatók, valamint ezek elhelyezése a fűtőelemmagban, de ezekben a példákban nem vesszük figyelembe. Az igényelt találmány szerinti fűtőelem-rudak alkalmazása az erőművi reaktorokban gazdaságosabb, mint a vegyes tüzelőanyagot használó fűtőelemek, és nagyobb mértékben megfelel az ökológiai, higiéniai és sugárbiztonsági követelményeknek. Felhasznált információforrások 1. "Erőműves reaktorok fűtőelemeinek fejlesztése, gyártása és üzemeltetése", 1. könyv. Moszkva, Energoatomizdat, 1995 (Prototípus a 45. oldalon). 2. A. G. Samoilov, A. I. Kashtanov, V. S. Volkov. "Atomreaktorok diszperziós fűtőelemei", 1. kötet. Moszkva, Energoizdat, 1982

TVEL

(az "üzemanyag elemből") - a fő elem nukleáris reaktor, amelyben található, nukleáris üzemanyagés hőt termelnek nukleáris maghasadás. Naib. az üzemanyagrudak a reaktormag teljes magasságáig terjedő vékony (több mm átmérőjű) rudak formájában gyakoriak. Az aktív zóna több ezer azonos típusú üzemanyag-rudat tartalmaz, amelyek szabályos rácsot alkotnak. Közöttük energiát eltávolító hűtőfolyadékot (folyadékot vagy gázt) szivattyúznak. Az üzemanyagrudak fémes U-t (a stabilitás növelésére ötvözve) vagy kerámia formájában U-oxidokat használnak, néha Pu hozzáadásával. Szintén használt ún. diszperzív tüzelőanyag, amelyben az üzemanyagszemcsék nagy hővezető képességű és sugárzásállóságú, nem hasadó anyagból álló mátrixban vannak jelen (lásd az ábrát). Anyagok sugárzásállósága). A lezárt védi az üzemanyagot a hűtőfolyadékkal való érintkezéstől, és megadja a TVEL-nek a szükséges mechanikai tulajdonságokat. . A héj anyaga (cirkónium, rozsdamentes acél stb.) alacsony neutronbefogású ún. reaktor spektruma, jól kompatibilis az üzemanyaggal és a hűtőközeggel az üzemi hőmérséklet-tartományban, alig változik mechanikailag. tulajdonságai a neutronban. Nagy tisztasági követelményeket támasztanak minden fűtőelemrúd-anyagra, elsősorban a neutronokat erősen elnyelő szennyeződések hiányára.

TVEL paraméterek energia. reaktorok: üzemi felső hőmérséklet (héjhőmérséklet) vízhűtéses reaktoroknál 300 °C, folyékony Na reaktoroknál kb. 600-700 °С; úgynevezett. lineáris hőfeszültség 500-600 W-ig a rúdhossz 1 cm-ére; tüzelőanyag-égés (az üzemidő végére kiégett tüzelőanyag atomok aránya) termikus reaktorokban 3-5%, gyorsreaktorokban 7-10% (1% kiégés 104 MW. nap hőenergia termelésének felel meg per 1 tonna üzemanyag).

TVEL gyorsreaktor: 1 - magszakasz (nukleáris üzemanyag); 2, 3 - záróképernyők (kimerülturánium); 4 - gázgyűjtő; 5 - héj (rozsdamentesacél).

ábrán sematikusan látható. egy gyorsreaktor fűtőelemének metszete (lásd az ábrát). tenyésztő reaktor). A nukleáris fűtőanyagot tartalmazó aktív részen kívül szegényített uránból készült végvédő pajzsokkal rendelkezik a magból kilépő neutronok ártalmatlanítására, valamint egy üreggel, amely összegyűjti az üzemanyagukból kilépő gázdarabokat, hogy csökkentsék a belső szennyeződést. nyomás mély kiégésnél.

A névleges kiégés elérése és a kampány (munkaidőszak) végét követően a fűtőelem-rudakat kirakják a reaktorból és kicserélik. A kampány időtartamát a reaktor teljes üzemideje alapján számítják ki, és hónapok vagy évek. A kampány növekedését és ennek következtében az égést korlátozza a hasadási láncreakció fenntartásának képességének romlása az üzemanyag elégetése és a neutronelnyelő töredékek felhalmozódása miatt, valamint a fűtőelem tönkremenetelének kockázata az időtartamok hatására. . intenzív besugárzás és magas hőmérséklet a reaktorban. A TVEL-hiba száz (vagy ezredrésze) százaléka megengedett.

Megvilágított.: Olander D., Elméleti alap atomreaktorok fűtőelemei, M., 1982. O. D. Kazachkovszkij,

Fizikai enciklopédia. 5 kötetben. - M.: Szovjet Enciklopédia. A. M. Prokhorov főszerkesztő. 1988 .

Nézze meg, mi a "TVEL" más szótárakban:

Lásd: Üzemanyag-elem. * * * TVEL TVEL, lásd Üzemanyag-elem (lásd FŰTŐELEM) … enciklopédikus szótár

Üzemanyagrúd: A fűtőelem egy fűtőelem az atomreaktorokban. A TVEL egy orosz nukleáris üzemanyag-gyártó szövetség ... Wikipédia

Üzemanyag elem A heterogén reaktor aktív zónájának fő szerkezeti eleme, amelynek formájában üzemanyagot töltenek be. A fűtőelemekben az U 235, Pu 239 vagy U 233 nehéz atommagok hasadása következik be, amihez a ... ... Atomenergia-kifejezések

Lásd: Üzemanyag elem... Nagy enciklopédikus szótár

Kromban van nukleáris üzemanyag, nukleáris üzemanyagés hőt termelnek nukleáris maghasadás. Naib. A fűtőelemek gyakoriak vékony (több mm átmérőjű) rudak formájában, amelyek a reaktormag teljes magasságáig terjednek. Az aktív zóna több ezer azonos típusú üzemanyag-rudat tartalmaz, amelyek szabályos rácsot alkotnak. Közöttük energiát eltávolító hűtőfolyadékot (folyadékot vagy gázt) szivattyúznak. Az üzemanyagrudak fémes U-t (a stabilitás növelésére ötvözve) vagy kerámia formájában U-oxidokat használnak, néha Pu hozzáadásával. Szintén használt ún. diszperzív tüzelőanyag, amelyben az üzemanyagszemcsék nagy hővezető képességű és sugárzásállóságú, nem hasadó anyagból álló mátrixban vannak jelen (lásd az ábrát). anyagok sugárzásállósága). A hermetikus héj megvédi az üzemanyagot a hűtőfolyadékkal való érintkezéstől, és biztosítja a TVEL-nek a szükséges mechanikai tulajdonságokat. erő. A héj anyaga (cirkóniumötvözetek, rozsdamentes acél stb.) kis neutronbefogó keresztmetszetű, ún. reaktor spektruma, jól kompatibilis az üzemanyaggal és a hűtőközeggel az üzemi hőmérséklet-tartományban, alig változik mechanikailag. tulajdonságai a neutronmezőben. Nagy tisztasági követelményeket támasztanak minden fűtőelemrúd-anyagra, elsősorban a neutronokat erősen elnyelő szennyeződések hiányára.

TVEL paraméterek energia. reaktorok: üzemi felső hőmérséklet (héjhőmérséklet) vízhűtéses reaktoroknál 300 °C, folyékony Na reaktoroknál kb. 600-700 °С; úgynevezett. lineáris hőfeszültség 500-600 W-ig a rúdhossz 1 cm-ére; tüzelőanyag-égés (az üzemidő végére kiégett tüzelőanyag atomok aránya) termikus reaktorokban 3-5%, gyorsreaktorokban 7-10% (1% kiégés 104 MW. nap hőenergia termelésének felel meg per 1 tonna üzemanyag).

TVEL gyorsreaktor: 1 - magszakasz (nukleáris üzemanyag); 2, 3 - záróképernyők (kimerülturánium); 4 - gázgyűjtő; 5 - héj (rozsdamentesacél vágás).

ábrán sematikusan látható. egy gyorsreaktor fűtőelemének metszete (lásd az ábrát). Breeder reaktor A nukleáris fűtőanyagot tartalmazó aktív részen kívül szegényített uránnal rendelkező végszűrőkkel rendelkezik a magot elhagyó neutronok ártalmatlanítására, valamint egy üreggel, amely összegyűjti a tüzelőanyagból kilépő gázdarabokat, hogy csökkentsék a belső szennyeződést. nyomás mély kiégésnél.

A névleges kiégés elérése és a kampány (munkaidőszak) végét követően a fűtőelem-rudakat kirakják a reaktorból és kicserélik. A kampány időtartamát a reaktor teljes teljesítményben kifejezett üzemideje alapján számítják ki, és hónapok vagy évek. A kampány növekedését és ennek következtében az égést korlátozza a hasadási láncreakció fenntartásának képességének romlása az üzemanyag elégetése és a neutronelnyelő töredékek felhalmozódása miatt, valamint a fűtőelem tönkremenetelének kockázata az időtartamok hatására. . intenzív besugárzás és magas hőmérséklet a reaktorban. A TVEL meghibásodásának valószínűségének száza (vagy ezredrésze) megengedett.

Az előadás célja: Az üzemanyag-elemek és üzemanyag-kazetták ismerete

Kérdések a témához:

1 TVEL és TVS a VVER-hez

2 TVEL az RBMK-nak

3 fűtőelem kazetta gyorsneutron reaktorhoz, BN600

4 mikrogömb üzemanyag-rudakhoz

Az atomerőművi reaktor aktív zónájának fő alkotóelemei a fűtőelemek, amelyek fűtőelemekbe (FA) vannak összeszerelve, és bizonyos mennyiségű szilárd nukleáris fűtőanyagot tartalmaznak. Most a nukleáris összetételek fejlesztésével párhuzamosan javul a fűtőelemek, üzemanyag-pelletek tervezése is - a gyártási technológiák, szinterezés, hegesztés, vegyi és mechanikai feldolgozás révén. Mindez javítja a nukleáris üzemanyag üzemi tulajdonságait, növeli annak megbízhatóságát és biztonságát.

A fűtőelem az atomreaktor szerkezeti eleme, amelyben nukleáris üzemanyagot helyeznek el. Az üzemanyagrudak az atomreaktor zónájába vannak beépítve, és biztosítják a hőenergia fő részének előállítását és a hűtőközegbe történő átvitelét. Az atommaghasadás során a reaktorban felszabaduló összes energia több mint 90%-a a fűtőelemek belsejében szabadul fel, és a fűtőelem körül áramló hűtőközeg eltávolítja. A TVEL-ek nagyon nehéz körülmények között működnek: a TVEL-től a hűtőfolyadékig terjedő hőáram sűrűsége eléri az 1-2 MW/nm-t, a hőmérséklet pedig 3200 fokig ingadozik. A tüzelőanyag-rudak besugárzás alatti viselkedésének elemzése szempontjából a legfontosabb jelenségek a tüzelőanyag duzzadása és a gáznemű hasadási termékek felszabadulása, a belső nyomás változása stb.

A tüzelőanyag-elem általában egy tüzelőanyag-mag

lezárt hüvely. A burkolat megakadályozza a hasadási termékek szivárgását és az üzemanyag és a hűtőközeg kölcsönhatását. A héj anyagának gyengén kell elnyelnie a neutronokat, és elfogadható mechanikai, hidraulikus és hővezető tulajdonságokkal kell rendelkeznie. A fűtőelemek osztályozása a felhasznált fűtőelem jellege, a fűtőelem alakja, a fűtőanyag-burkolat érintkezésének jellege és az atomreaktor típusa szerint történik.

A fűtőelem alakja és geometriai méretei a reaktor típusától, valamint a gyártási technológiától függenek. A tüzelőanyag-rúd leggyakoribb formája egy hosszú, hengeres tüzelőanyag-rúd, amely fémburkolatba van zárva. Egyes reaktorok fűtőelemeket használnak lemezek (kutatóreaktorok), golyók (magas hőmérsékletű gáz-grafit reaktorok) vagy más konfigurációk formájában. A 2. ábrán a fűtőelemrúd-keresztmetszet egyes változatai és a reaktormagban való kölcsönös elrendezésük látható. Az üzemanyagrudak szerelvényekbe való elrendezése távtartók segítségével történik. A fűtőelem a reaktormag szerkezeti eleme, amely lehetővé teszi a nukleáris üzemanyag be- és kirakodását.

A tüzelőanyag és a burkolat jellege szerint fűtőelemeket különböztetünk meg: tüzelőanyag- és fémburkolattal rendelkező fűtőelemeket, kerámia tüzelőanyagból és fémburkolatból álló fűtőelemeket, valamint grafitban lévő pirokarbon filmekkel bevont teljesen kerámia fűtőelemeket. mátrix. A tüzelőanyag-elemeket csak az üzemanyag jellege különbözteti meg: fém fűtőelemek, amelyekben a fémes tüzelőanyag enyhén ötvözött, kerámia fűtőelemek kerámia tüzelőanyaggal hígító adalékanyagok nélkül, diszperziós fűtőelemek, amelyekben az üzemanyag erősen hígított ötvözet vagy teljesen kerámia, térfogategységenként alacsony üzemanyag-tartalommal. A TVEL alakja szerint megkülönböztetünk lamellást; tömör hengeres, drót, rúd, tabletta, egygyűrűs és többgyűrűs, cső alakú; labda; lamellás; monoblokk perforált. Az „üzemanyag-burkolat” érintkezés megvalósítási módja szerint a következőket különböztetjük meg: mechanikus érintkezéssel rendelkező üzemanyagrudak; TVEL kohászati ​​érintkezővel; Üzemanyag-rudak közbenső réteggel. A hőátadó felület növelésére különféle típusú bordák használhatók: hosszanti; átlós; hosszanti egyenes bordákkal és spirális válaszfalakkal; spirál; szarufa.

Az üzemanyag-elemek általában szinterezett urán-oxid pelletei alumínium-, cirkónium- vagy rozsdamentes acélcsövekben; uránötvözet cirkóniummal, molibdénnel és alumíniummal bevont pelletje cirkóniummal vagy alumíniummal bevonva (alumíniumötvözet esetén); grafit tabletták diszpergált urán-karbiddal, át nem eresztő grafittal bevonva.

2. ábra Az üzemanyagrudak metszete és távolságuk változatai.

A nyomás alatti vizes reaktorok esetében a rozsdamentes acélcsövekben lévő urán-oxid pellet a legelőnyösebb. Az urán-dioxid nem lép reakcióba vízzel, nagy a sugárzásállósága, és magas olvadáspontja jellemzi. A grafit üzemanyagcellák alkalmasak magas hőmérsékletű gázhűtéses reaktorokhoz, de van egy komoly hátrányuk - a burkolatukon a diffúzió vagy a grafit hibái miatt gáznemű hasadási termékek behatolhatnak. A szerves hűtőfolyadékok nem kompatibilisek a cirkónium üzemanyagrudakkal, ezért alumíniumötvözeteket kell használni. A szerves hűtőközeggel működő reaktorok kilátásai attól függnek, hogy alumíniumötvözetek vagy porkohászati ​​termékek jönnek-e létre, amelyek (üzemi hőmérsékleten) megfelelő szilárdsággal és hővezető képességgel rendelkeznek a hűtőközeg hőátadását növelő bordák használatához. Mivel a tüzelőanyag és a szerves hűtőközeg közötti hőátadás a hővezetés miatt kicsi, a hőátadás növelésére célszerű felületi forralást alkalmazni. A felületi forralással új problémák jelentkeznek, de ezeket meg kell oldani, ha a szerves hőhordozó folyadékok alkalmazása előnyösnek bizonyul.

A porok és granulátumok mellett egy új mikrogömb

szemcsés kerámia tüzelőanyag (a granulátum átmérője - néhány mikron), amely

nagy osztályú fémkerámia összetételű diszpergált fűtőelemek, grafitmátrix alapú fűtőelemek, mikro fűtőelemek gyártására használják különféle típusok magas hőmérsékletű gázhűtéses atomreaktorokban használt bevonatok, valamint vibrotömörített fűtőelemek. Az ilyen üzemanyagot valószínűleg egy gázturbinás moduláris reaktorban fogják használni.

A termikus reaktorban az üzemanyagrudak rácsot alkotnak, amelynek szabad tere

retarderrel töltve.

A tüzelőanyag és a burkolat jellege szerint fűtőelemeket különböztetünk meg, amelyekben az üzemanyag és a burkolat fémes; Kerámia tüzelőanyagból és fémburkolatból álló üzemanyagrudak; grafitmátrixba ágyazott pirolitikus szénfilmekkel bevont, teljesen kerámia fűtőelemek. Csak az üzemanyag jellege alapján különböztethetők meg a fém fűtőelemek, amelyekben a fém tüzelőanyag enyhén ötvözött; kerámia fűtőelemek kerámia tüzelőanyaggal hígító adalékok nélkül; diszperziós fűtőelemek, amelyekben a tüzelőanyag erősen híg ötvözet vagy teljesen kerámia, térfogategységenként alacsony tüzelőanyag-tartalommal. A TVEL-ek alakja: lamellás; tömör hengeres (tömb; rúd; huzal, rúd, tabletta; egygyűrűs és többgyűrűs; csőszerű); labda; monoblokk; TVEL egyéb formák. Az "üzemanyag-burkolat" érintkezés megvalósítási módja szerint megkülönböztetik a mechanikus érintkezéssel rendelkező TVEL-eket; TVEL kohászati ​​érintkezővel; Üzemanyag-rudak közbenső réteggel

A heterogén reaktorok fűtőelemei kis zárt térben biztosítják a nukleáris fűtőanyag és a keletkező töredékek megőrzését. A fűtőelemek általában Th, U, Pu öntött ötvözetei, vagy hasadóanyag préselt keveréke - kerámia vagy cermet - oxid, karbid stb. fémek, oxidok stb. mátrixával. A mátrix biztosítja a hasadó izotópok szükséges hígítását a fajlagos hőterhelések szempontjából megengedett koncentrációkra. A heterogén nukleáris üzemanyagot kívülről alumíniumból, cirkóniumból vagy rozsdamentes acélból készült hermetikus burkolat borítja. A lemezek, csövek, hengerek, rudak formájában lévő üzemanyagrudak készleteit gyakran egyesítik az atomreaktorok munkacelláiban elhelyezett szerelvényekké.

TVEL és TVS a VVER-hez

Egy VVER típusú reaktorban 2,4-4,4 tömeg% tartományban álló üzemmódban 2,4-4,4 tömeg% urán-235 kezdeti dúsítású szinterezett urán-dioxidot használnak nukleáris üzemanyagként. A reaktor üzemanyaggal való összterhelése 75 tonna.

A hatszögletű fűtőelemek (FA-k) rúd típusú fűtőelemeket (TVEL) tartalmaznak, amelyek magja urán-dioxidból áll, pellet formájában, cirkóniumötvözetbe burkolva. A TVEL cirkónium héján belül (belső átmérő 9,1 mm, falvastagság 0,65 mm, héj anyaga - ötvözet Zr + 1% Nb) 7,53 mm átmérőjű üzemanyag-pelletek találhatók urán-dioxidból. Az UO2 terhelés tömege egy fűtőelemben 1565. A garantált élettartam 4 év. A VVER-1000 tüzelőanyag-kazetta egy 12,76 mm-es osztástávolságú, háromszög alakú rácsban elhelyezett tüzelőanyag-rudak kötege (a köteg cirkóniumötvözet házba van zárva). Az üzemanyag-kazetták néhány jellemzőjét a 2. táblázat tartalmazza. Az üzemanyag-kazettákat viszont egy háromszög alakú rácsba is összeszerelik, 147 mm (VVER-440) és 241 mm (VVER-1000) osztásközzel.

Tab. 2. A VVER-1000 tüzelőanyag-rudak jellemzői

Az üzemanyag-kazetta magassága a vezérlőrudak kötegével együtt 4665 mm. Az üzemanyag-kazetta 317 tüzelőanyag-rudat, 12 vezetőcsatornát a vezérlőrudakhoz, egy csatornát az energiafelszabadulás-mérő érzékelőhöz és egy üreges központi csövet tartalmaz. A tüzelőanyag-kazetta hatszögletű fejének közepén egy hengeres persely található, melybe 12 vezetőcsatorna van beépítve az elnyelő elemekhez és egy csatorna az energialeadást mérő érzékelő számára. A kazettában lévő üzemanyag tömege 455,5 kg. A persely a tüzelőanyag-kazetta fejének hat sarkához bordákkal csatlakozik, amelyekben rugós csapok találhatók, amelyek a szerelvény reaktorban való rögzítésére, a hőtágulások és technológiai tűrések kompenzálására szolgálnak. A fej felületén ablakok találhatók a hűtőfolyadék FA-ból való kilépésére. Ellentétben a téglalap alakú tüzelőanyag-kazetták világméretű analógjaival, a VVER-1000 üzemanyag-kazetták hatszögletű keresztmetszettel és tüzelőanyag-elosztó mezővel rendelkeznek. A tüzelőanyag-elemek ilyen diszperziós rendszere biztosítja a hűtőfolyadék áramlásának nagy egyenletességét és kedvezőbb áramlását

víz-urán arány a magban. A hatszögletű forma garantálja a fűtőelemek biztonságát a szállítás és a technológiai műveletek során a termelésben és az atomerőművekben.

Az atomerőművek VVER-rel történt üzembe helyezése óta a fűtőelem-kazetták kialakítása jelentős változásokon ment keresztül. Az üzemanyag-kazetták tervezésének és üzemeltetésének kezdeti szakaszában védőhüvellyel, azaz motorháztetővel voltak ellátva, majd megjelentek a perforált burkolattal ellátott szerelvények. Jelenleg minden tervezett és építés alatt álló VVER-1000 típusú reaktorral rendelkező atomerőműben előnyben részesítik a fedetlen fűtőelemeket. A héj nélküli üzemanyag-kazetták javítják a hűtőfolyadék keveredését a magban; csökkenti a távolságot a szomszédos

FA, amely lehetővé teszi több fűtőelem-kazetta elhelyezését ugyanabban a tartálytérfogatban, és ezáltal növeli a reaktor teljesítményét; csökkenti az egyenetlen energiafelszabadulást az üzemanyagrudak sűrű csomagolása miatt; csökkenti az üzemanyag-kazetták hidraulikus ellenállását; növelje a hűtés megbízhatóságát vészhelyzeti üzemmódokban, amelyek a hűtőfolyadék szivárgásával kapcsolatosak a vészhűtési rendszerből származó keresztirányú vízáramlás miatt; növelje az állítható rudak számát FA-nként az egység teherhordó keretének szilárdsági tulajdonságainak növelése és a védelmi vezérlőrendszer hajtásainak csökkentése érdekében; csökkentse a tüzelőanyag-kazettákban használt drága anyag (cirkónium) mennyiségét.

TVEL az RBMK számára

A 235U urán-dioxidot üzemanyagként használják az RBMK reaktorokban. A reaktor méretének csökkentése érdekében a tüzelőanyag 235 U-tartalmát először 2,0 vagy 2,4%-ra növelik a dúsító üzemekben. A reaktor uránterhelése 200 tonna. Az átlagos tüzelőanyag-égetés 22,3 MWt/kg.

A TVEL egy 3,5 m magas, 0,9 mm falvastagságú cirkónium cső, amelybe 15 mm magas urán-dioxid pellet van bezárva. Két sorba kapcsolt, egyenként 18 fűtőrudat tartalmazó fűtőelem-kazetta egy üzemanyag-kazettát alkot, melynek hossza 7 m. Az üzemanyag-kazetta a folyamatcsatornába kerül beépítésre. A technológiai csatornák száma a reaktorban -1661. A vizet alulról táplálják a csatornákba, kimossa a fűtőelemeket és felmelegszik, egy része gőzzé alakul. A keletkező gőz-víz keveréket a csatorna felső részéből kivezetik.

A reaktor vezérlése a reaktoron belüli egyenletes elosztással történik

neutronelnyelő elemet - bórt - tartalmazó rudak. A rudak mozognak

egyedi szervohajtások speciális csatornákban, amelyek kialakítása hasonló a technológiaihoz. A rudak saját hűtővízkörrel rendelkeznek, melynek hőmérséklete 40 - 70°C. A különféle kivitelű rudak alkalmazása lehetővé teszi az energialeadás szabályozását a reaktor egészében, és szükség esetén gyorsan le is kapcsoljuk.

Üzemanyag-egységek gyorsneutronreaktorhoz, BN600

BN-600 - gyorsneutron reaktor nátrium hűtőközeggel. Elektromos

teljesítmény 600 MW. A tervezési mag, amely üzemanyag-kazettákból állt

235U 21%-ban és 33%-ban dúsított 1980-tól 1986-ig üzemelt. Az elért maximális tüzelőanyag-égetés a nehéz atomok 7%-a volt, pl. A következő két évben három dúsítási lehetőséggel (17%, 21% és 26% a 235U-nál) áttértek a magra, hogy csökkentsék a fűtőelemek fajlagos hőterhelését. A maximális tüzelőanyag-égetést 8,3%-ra emelték t.a. A következő korszerűsítésre 1991-1993 között került sor. A leginkább sugárzásálló és az ipar által jól elsajátított szerkezeti anyagok felhasználásán alapult. Ezt követően 10%-os t.a tüzelőanyag-elégést lehetett elérni.

A mag és a tenyésztési terület kazettás, hatszögletű, 96 mm-es kulcsrakész fűtőelemekből van összeállítva. A tüzelőanyag-kazetta tüzelőanyag-elemekből, burkolatból, az üzemanyag-kazetták tankolás közbeni rögzítésére szolgáló fejből és egy szárból áll, amellyel a tüzelőanyag-kazettákat a nyomófej foglalatába kell beszerelni és függőlegesen alátámasztani. A tüzelőanyag-rudak rögzítőelemekkel csatlakoznak egymáshoz, és egy burkolat védi, amely az üzemanyag-kazetta minden részét egyetlen egésszé köti össze. A fűtőelemek a mag hosszában dúsított urán-oxidból (vagy urán-oxid keverékéből) és plutónium-oxidból készült perselyekkel vannak feltöltve, a zóna felett és alatt pedig hulladékurán-oxid-brikettből készült végsziták találhatók. A tenyésztési zóna üzemanyagrudait is "hulladék" uránból származó briketttel töltik meg. A reaktorban a nátriumszint feletti gázüregek argonnal vannak kitöltve.

Mikrogömbök TVEL-ekhez

Jelenleg a mikrogömb alakú szemcsés anyagokat széles körben használják különféle iparágakban. Nagy érdeklődésre tart számot a mikrogömb alakú kerámia anyagok felhasználása különféle típusú fűtőelemek tüzelőanyagaként. A közelmúltban granulált kerámia nukleáris üzemanyagot használnak fémkerámia összetételű diszpergált fűtőelemek, grafitmátrix alapú fűtőelemek, magas hőmérsékletű gázhűtéses reaktorokban használt különféle bevonatú mikroüzemanyag-elemek előállítására, valamint vibrotömörített rúd-fűtőelemek. A granulált mikrogömb alakú tüzelőanyagok használatának fő előnyei:

a) automatizált, távirányítású technológiai eljárás létrehozásának lehetősége az aktinidákból újrahasznosított üzemanyag előállítására;

b) a hagyományos használathoz képest nincs porképző művelet

por technológia;

c) a poroknál kényelmesebb anyagforma a technológiai folyamat minden szakaszában, amely minimálisra csökkenti a vibrotömörítés időtartamát;

d) óvatosan néhány mikrontól 2…3 mm-ig mikrogömbök készíthetők

ellenőrizni kell őket a gél megszerzésének szakaszában;

e) a hibás, nem szabványos mikrogömb alakú részecskék visszakerülhetnek a folyamat elejére;

f) az aktinidák kevert oxidjainak mikrogömbjei nagy sűrűségre szinterezhetők (több mint az elméleti sűrűség 95%-a) 200°C-kal alacsonyabb hőmérsékleten, mint a pellet szinterezési hőmérséklete;

g) 10-30% porozitású, nagy mechanikai szilárdságú mikrogömbök előállításának és szabályozásának lehetősége, ami további technológiai előnyöket teremt.

Első technológiai sémák porkohászati ​​módszereken alapultak. A mikrogömb alakú kerámia tüzelőanyag előállítására szolgáló e módszerek megkülönböztető jellemzője a nukleáris tüzelőanyag-por kiindulási anyagként való felhasználása,

amelynek összetétele megfelel a végterméknek. Az elmúlt évtizedben intenzív

eljárásokat fejlesztenek ki mikrogömb alakú tüzelőanyagok előállítására, ahol a hasadó és termékeny anyagok sóinak vizes oldatait használják kiindulási termékként. A mikrogömb alakú kerámia tüzelőanyag előállításának egyik „vizes” módszere a szol-gél eljárás.

A szol-gél eljárásnak számos változata van az aktinidák gélesedésére:

1) Gélkicsapás - a folyamat egy aktinidgél képződésén alapul munkaoldatban, amelyben a lúgos közegben megkeményedő komponensek egyenletesen oszlanak el. A módszert tömegtranszfer is jellemzi.

2) Külső gélesedés - a fázishatáron áthaladó tömeg (gömbképző lúgos közeg - kicsapó komponenseket tartalmazó ammóniagáz-oldat) jellemzi. Megkülönböztetik a közvetlen külső gélesedést és a fordított külső gélesedést.

3) Belső gélesedés - azon alapul, hogy a munkaoldat gélesítő adalékokat (ammóniadonorokat) tartalmaz, amelyek gömbképző közegben megemelt hőmérsékleten lebomlanak. A folyamat jellegzetessége a fázishatáron keresztüli tömegátadás hiánya.

A külső és belső gélesedés során vízben oldhatatlan vagy kevéssé oldódó szerves folyadékokat használnak diszperziós közegként.

A magas hőmérsékletű hélium reaktorok üzemanyagcellás technológiájában széles körben kifejlesztették a tüzelőanyag-magok előállítására szolgáló poralapú eljárásokat, valamint a szol-gél eljárást. A legelterjedtebb módszer a termékek lágyított masszából történő előállítására. Ennek a módszernek egy változata a mért tüzelőanyag-nyersdarabok mechanikai szferoidizálásának módszere, amelyet az üzemanyag-mikrogömbök technológiájának kidolgozásának alapjául választottak. Az eljárás abból áll, hogy a tüzelőanyag-nyersanyagokat lágyított masszából tökéletes mikrogömbökké hengereljük.