Стартовая >> Архив >> Генерация >> Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов

Твэлы на основе смешанного керамического топлива - Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов

Оглавление
Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов
Принципы работы ядерных реакторов
Основы теплотехники ядерных реакторов
Требования к ТВС и твэлам
Твэлы на основе металлического урана
Использование тория и плутония в твэлах ядерных реакторов
Твэлы на основе компактной двуокиси урана
Твэлы на основе смешанного керамического топлива
Твэлы на основе уплотненного порошкообразного окисного топлива
Твэлы на основе карбидного и нитридного топлива
Тепловыделяющие элементы на основе дисперсионного ядерного топлива
Методы покрытия топливных частиц дисперсионных твэлов
Пластинчатые твэлы
Кольцевые твэлы
Стержневые твэлы
Сферические и другие твэлы
Методы соединения ядерного топлива с оболочкой твэла
Выдавливание заготовки твэла через фильеру
Обжатие порошкообразного топлива в оболочке давлением газа
Соединение топлива с оболочкой с помощью теплопроводящей металлической прослойки
Герметизация твэлов
Контроль качества и методы испытания твэлов
Дореакторные испытания твэлов
Реакторные испытания твэлов
Контроль облученных твэлов и ТВС
Требования к конструкционным материалам
Алюминий и его сплавы
Цирконий и его сплавы
Нержавеющие стали
Никель и его сплавы
Титан и его сплавы
Бериллий и его сплавы
Тугоплавкие металлы и их сплавы
Графит
Прямое преобразование тепловой энергии деления ядер в электрическую
Реакторы с термоэмиссионным преобразованием энергии
Реакторы с магнитогидродинамическим преобразованием энергии
Техника безопасности
Литература

  При разработке ядерного топлива из двуокиси плутония был использован многолетний опыт производства ядерного топлива из двуокиси урана, но в связи с высокой радиотоксичностью двуокиси плутония стоимость изготовления его дистанционным способом существенно дороже, чем UO2. Для оправдания значительных экономических затрат необходимо иметь высокопроизводительное масштабное производство твэлов с двуокисью плутония, так, например, производство смешанного окисного топлива (U, Pu)O2 оправдывается при производительности 30 т/год.
схема изготовления таблеток для твэлов
Рис. 3.21. Технологическая схема изготовления таблеток для твэлов реактора «Рапсодия»
Большое количество плутония, которое начинает накапливаться на АЭС, где на каждые 4            МВт мощности вырабатывается 1 кг плутония в год, позволит реализовать программу его эффективного использования в легководных реакторах; наиболее эффективное использование смешанного окисного топлива предполагается осуществить в реакторах на быстрых нейтронах.
Впервые таблеточное топливо 75% UO2 — 25% PuO2 успешно испытано в 1967 г. в реакторе «Рапсодия» (Франция); технология изготовления таблеток показана на рис. 3.21.
В настоящее время осуществляется программа использования смешанного окисного топлива UO2— 15—20% PuO2 в промышленных реакторах на быстрых нейтронах (табл. 3.9).
Двуокись плутония является конечным продуктом прокаливания перекиси и оксалатов плутония на воздухе. Сухие осадки вначале медленно нагревают до 700 °С, затем нагревают до получения двуокиси с выдержкой при температуре 1000—1200 °С.
Все технологические процессы из-за наличия прямого излучения и высокой радиотоксичности плутония осуществляют дистанционными методами. Смеси окислов получают осаждением из растворов смесей диураната аммония и гидроокиси плутония с последующей фильтрацией, сушкой, прокаливанием, восстановлением водородом при соотношении О/Ме—2.
Разработан непрерывный процесс разложения уран-плутониевых нитратов в кипящем слое, состоящий из двух этапов: денитрирование при 375 °С нитратных растворов с получением смеси порошков UO2—PuO2 и последующее восстановление водородом при 600 °С до Ш2—PuO2.
Таблетки, изготовленные прессованием и спеканием из смешанного окисного топлива, подвергают контролю на плотность, распределение окислов, отношение кислорода к металлу (О/Me), содержание влаги, газа, металлических и неметаллических примесей.

Таблица 3.9. Характеристики реакторов «Феникс» и PFR


Параметр

«Феникс»

PFR

Тепловая / электрическая мощность, МВт

563/250

600/250

Топливо

Таблетки

Виброуплотненное

 

UO2 — PuO2

UO2 — PuO2

Материал оболочки

Нержавеющая

Нержавеющая

 

сталь 316

сталь 316

Толщина оболочки, см

0,45

0,38

Температура теплоносителя в первом контуре, °С:

 

 

на входе

400

400

на выходе

560

562

Пар на входе в турбину:

 

 

давление, МПа

16,8

12,8

температура, °С

510

513

Средняя удельная мощность активной

406

500

зоны, кВт/л

 

 

Максимальная линейная мощность,

45

48

кВт/м

 

 

Таблица 3.10. Совместимость PuO2 с различными материалами


Материал

Температура, °С

Степень совместимости

Торий

800

Частичное восстановление до Р112О3; при 1000°С частичное восстановление до металлического Pu, образующего твердый раствор с торием

Уран

800

Частичное восстановление до PU2O3

Цирконий

1160

Частичное восстановление до PU2O3

Железо

1300

То же

Алюминий

600

Нет взаимодействия

Магний

500

Частичное восстановление до PU2O3; при 600 °С признаки восстановления до металлического Pu

Углерод

1000

Частичное восстановление до PU2O3; при 1200°С медленное образование монокарбида PuC; при 1850 °С образование PuC и PU2C3

Большое внимание уделяется контролю микроструктуры, от которой зависит радиационное поведение таблеток.
Характеристики двуокиси плутония указаны в табл. 3.1, совместимость двуокиси плутония с различными материалами показана в табл. 3.10.
Технологические процессы прессования таблеток из смешанного топлива UO2—PuO2 не имеют принципиальных отличий от аналогичных процессов для UO2.
Спекание таблеток проводится при температуре 1500—1700 °С в восстановительной среде из смеси газов Ar+Н2, Не+Н2 или N2+H2. В процессе спекания таблеток происходит улучшение гомогенности состава, удаление летучих примесей, адсорбированных газов и органического связующего. При спекании в восстановительной среде образуется двухфазная структура твердых растворов UO2— PuO2 с плотностью таблеток до 96 % теоретической.

Для получения правильной формы таблетки шлифуют; влагу из таблеток удаляют нагреванием в вакууме при 300—800 °С в течение 1 ч.
Чтобы ограничить взаимодействие смешанного топлива с оболочкой твэла в процессе облучения, отношение О/Me в исходных таблетках должно быть близко или равно 2, такое отношение обеспечивается условиями приготовления порошков, прессования таблеток и режимами спекания. Основное влияние на отношение О/Ме оказывают сорбированные порошками газы и влага, поэтому в цикл спекания таблеток включают их отгазовку путем охлаждения в вакууме.
При производстве твэлов с таблетками из смешанного окисного топлива осуществляется строгий контроль за перемещением и накоплением делящегося топлива на каждом рабочем месте во избежание достижения критических масс.
Все технологические операции в настоящее время проводятся в перчаточных боксах, в будущем все производство по изготовлению твэлов с таблетками из смешанного окисного топлива будет полностью механизировано и автоматизировано с автоматическим контролем как операций изготовления, так и готовой продукции.
Смешанное топливо и двуокись плутония претерпевают значительные изменения под облучением. Так, например, вследствие низкой теплопроводности градиент температуры в 5-миллиметровом стержне достигает значительной величины, около 1000 °С, с температурой в центре таблетки выше температуры плавления.


Рис. 3.22. Типичный профиль распределения концентрации плутония в смешанном окисном топливе   (360 Вт/см, выгорание 5 %)

Перераспределение урана и плутония в основном происходит в процессе перестройки структуры топлива, особенно в таблетках  с низкой плотностью; это явление связывают с процессом испарение — конденсация.
При наличии температурного градиента давление пара над топливом около центральной полости всегда будет больше, чем над топливом в более холодной периферийной области, что и приводит к радиальному изменению состава топлива (рис. 3.22). На рисунке видно, что более летучий оксид урана конденсируется на холодной стороне, в то время как менее летучая двуокись плутония концентрируется в горячей зоне и, начиная с 1700°С, ее концентрация растет в направлении к более горячей зоне таблетки. Минимальная концентрация плутония наблюдается около «холодной» границы столбчатых кристаллов.
Двуокись тория. Двуокись тория имеет некоторые преимущества в качестве ядерного топлива перед двуокисью урана; так, например, температура плавления ThO2 выше, не образуется высших окислов, кислород практически не растворяется в двуокиси тория, ее можно обжигать на воздухе.
Двуокись тория в виде порошка получают, например, из оксалата, осажденного из раствора нитрата тория и обожженного при температуре 815 °С:
Таблетки из ThO2, спеченные при 1800 °С, имеют плотность 9,5ч-9,6-103 кг/м3. Двуокись тория устойчива в воде до температуры 315 °С в течение 400 ч и в CO2; предел прочности на сжатие при комнатной температуре 609 МПа; модуль упругости 24,5 МПа, среднее значение температурного коэффициента линейного расширения при температурах 20—800 °С—9,10-10~6 К-1 и при температурах 100— 1230 °С —9,67-10-6 К"1.
Смешанное топливо UO2—ThO2 применяют и изучают в реакторе с уран-ториевым циклом. АЭС «Индиан-Пойнт» (США) работает с 1962 г. на смешанном топливе UO2—ThO2, которое имеет вид таблеток диаметром 6,6 и высотой 19,8 мм, с обогащением 93 % 235U; плотность таблеток 9,13 * 103 кг/м3. Таблетки находятся в оболочках из нержавеющей стали 304. Концы твэла герметизируют колпачками, которые привариваются после того, как оболочка заполнена гелием.
В кипящем реакторе ERR (США) с естественной циркуляцией теплоносителя (мощность 72,2 МВт) применяют стержневые твэлы, подобные твэлам реактора «Индиан-Пойнт», диаметр 12,4 мм; топливо UO2—ThO2 находится в оболочках из нержавеющей стали. В твэле размещают 85 таблеток диаметром 10,4 и высотой 18 мм каждая. Общая загрузка на активную зону составляет 185 кг урана (обогащение'93,1 %) и 3815 кг Th.
Реактор АЭС CETR (США) с обычной водой под давлением (мощность 585 МВт) работает на топливе UO2 (обогащение 93 ,%) в смеси с природным ThO2 в оболочках из нержавеющей стали.
В настоящее время в указанных реакторах со смешанным компактным окисным уран-ториевым топливом отрабатывают эксплуатационные условия, технику безопасности, а также параллельно рассматривают и ведут поиски оптимальной конструкции твэлов и ТВС.



 
« Температурный режим мембранных поверхностей нагрева мощного котла   Теплозащитные конструкции оборудования ТЭС »
электрические сети