Материал: Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

ления за исключением крайних аварийных условий. Хотя в процессе деления в топливе образуются большие количества радиоактивности, топливные таблетки диоксида урана удерживают более 98 % этой радиоактивности.

Получение максимальной мощности, эффективность использования топлива, и, в конце концов, экономические показатели реакторной установки находятся в прямой зависимости от эксплуатационных характеристик и долговечности твэла. Твэлы работают в тяжелых тепловых режимах. Теплотворная способность 235U в 2,4 млн. раз превышает теплотворную способность органического топлива. Выделение большого количества тепла в небольшом объеме активной зоны приводит к большим тепловым потокам. Для сравнения, плотность теплового потока от твэла к теплоносителю дос-

тигает 1,57 103 кВт/м2, тогда как в паровых котлах она равна (2-3)×

×102 кВт/м2.

Материал оболочки твэла подвергается интенсивному радиационному воздействию нейтронов, γ-квантов, а материал топлива – и осколков деления. Радиационное воздействие приводит к «выбиванию» атомов из узлов решетки и к кратковременным (~10-10 с) локальным тепловым пикам. Образование тепловых пиков приводит к изменению размещения атомов внутри разогретой области и к пластическим деформациям в соседних «холодных» областях. Смещение атомов и пластические деформации приводят к радиационному распуханию – изменению объема и геометрической формы твэла. Помимо этого распухание топлива обусловлено ещё одним фактором – накоплением продуктов деления. Распухание топлива за счет накопления газообразных осколков деления с образованием газовых пор называют газовым распуханием или «свеллингом». С увеличением температуры топлива возрастает выход газообразных осколков деления из топлива, что приводит к нежелательному возрастанию давления под оболочкой.

Радиационные повреждения приводят не только к распуханию и деформации, но и к другим физическим (температура плавления, теплопроводность, электропроводность, теплоемкость и т.д.) и механическим (твердость, пластичность, ползучесть, и т.д.) изменениям свойств материалов. Способность материала сохранять свои свойства после облучения называют радиационной стойкостью.

156

Кроме вышеупомянутых факторов, оболочка твэла подвергается коррозионному воздействию со стороны топлива и теплоносителя,

атакже эррозионному воздействию со стороны теплоносителя.

Всвязи со сложными условиями работы твэла, его влиянием на безопасность и эффективность реакторной установки, к конструкции твэла предъявляются особенно высокие технические требования. Главным требованием к твэлам энергетических реакторов является достижение максимального выгорания при сохранении герметичности.

7.3. Конструкция и характеристики твэла

Твэл ядерного реактора ВВЭР-1000 представляет собой трубку, заполненную таблетками из двуокиси урана UO2 и герметично уплотненную концевыми деталями на сварке. Трубка твэла изготовлена из циркония, легированного 1 % ниобия. Наружный диаметр трубки твэла 9,1±0,05 мм, ее толщина 0,65±0,03 мм, а внутренний диаметр 7,72+0,08 мм.

В эту трубку с зазором 0,19–0,32 мм на диаметр помещены таблетки двуокиси урана высотой (длиной) 20 мм и диаметром 7,57±0,04 мм. В середине этих таблеток имеются отверстия диаметром 1,5 мм, а края таблеток скруглены фасками. Общая длина столба этих таблеток в твэле составляет 3530 мм. Все размеры указаны для холодного состояния. Длина трубки твэла составляет 3800 мм, поэтому положение столба топливных таблеток в твэле зафиксировано разрезными втулками из нержавеющей стали и пружиной, не препятствующими тепловым перемещениям. Вид твэла приведён на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Тепловыделяющий элемент:

1 – заглушка верхняя; 2 – оболочка; 3 – фиксатор; 4 – таблетка; 5 – заглушка нижняя

157

Между сердечником и оболочкой предусмотрен зазор. Этот зазор предназначен для компенсации распухания и температурной деформации топливного сердечника, температурный коэффициент расширения которого примерно в 2 раза больше аналогичного коэффициента циркониевого сплава. Кроме того, этот зазор является дополнительным компенсационным объемом для сбора газообразных продуктов деления. В табл. 7.2 приведены значения наиболее важных параметор конструкции твэла ВВЭР-1000.

При установке, приварке и герметизации концевых пробок твэла его внутренняя полость заполняется гелием до давления 20 атм. Внутренний объем твэла в холодном состоянии составляют 181 см3

158

ина 70 % заполнен таблетками топлива, а 30 % составляет газовый объем. Общая длина твэла 3837 мм, общий вес – 2,1 кг.

Вцелях улучшения теплопередачи между топливным сердечником и оболочкой компенсационный объем вначале вакуумируется,

азатем заполняется гелием при избыточном давлении 20 атм. Выбор гелия обусловлен тем, что у него достаточно высокая теплопроводность (в 4 раза выше, чем у воздуха). Наряду с улучшением теплопроводности, заполнение гелием с избыточным давлением повышает устойчивость оболочки, которая должна противостоять внешнему давлению теплоносителя. Заполнение внутренних полостей гелием позволяет организовать на стадии изготовления твэлов простой контроль (с помощью гелиевых течеискателей) течеискателем по самым высоким существующим требованиям за герметичностью оболочек. Для вакуумирования твэла и последующего заполнения его гелием используется осевое отверстие в верхней заглушке, которое затем заваривается, а к заглушке электроднолучевой сваркой приваривается наконечник.

Герметизирующие элементы твэла (трубка и концевые детали) называют оболочкой, а таблетки двуокиси урана называют топливным сердечником.

Как уже указывалось, в качестве материала для изготовления оболочек твэлов применяется рекристализованный сплав циркония. Преимущество циркония заключается в удачном сочетании ядерных и физических характеристик с механическими и коррозионными свойствами. Цирконий коррозионно стоек в большинстве сред, применяемых в качестве теплоносителей ядерных реакторов,

идостаточно технологичен. Наибольшее распространение в реак-

торах типа ВВЭР получил сплав циркония с одним весовым процентом ниобия. Плотность данного сплава 6,55 г/см3, температура плавления 1860 °С.

При исследовании свойств сплава было выявлено, что температура 350 °С является своеобразной критической точкой, после которой прочностные свойства сплава ухудшаются, а пластические увеличиваются. Наиболее резко свойства изменяются в интервале 400–500 °С. При температуре свыше 950 °С цирконий взаимодействует с водяным паром по реакции его окисления:

где Q = 6530 кДж/(кг град.).

159

При 1200 °С эта реакция может протекать достаточно быстро. При этом выделяется тепло реакции, которое далее может разогревать оболочку до плавления (1860 °С) с поверхности вглубь толщины трубки, при этом образуется много водорода. В настоящее время наибольшее распространение в качестве материала топлива получила двуокись урана UO2, хотя с точки зрения физики реакторов лучшим материалом является металлический уран. Однако у металлического урана низкая глубина выгорания топлива из-за сильного радиационного распухания. Кроме того, уран обладает низкой коррозионной стойкостью в воде и водяном паре. Поэтому в качестве материала топлива в реакторах ВВЭР-1000 применяется двуокись урана UO2, обладающая рядом важных преимуществ. Таблетки двуокиси урана имеют высокую температуру плавления (около 2800 °C), не взаимодействуют с водой и паром даже при высоких температурах, совместимы с материалом оболочки твэл.

Основные недостатки UO2 с нейтронно-физической и теплофизической точек зрения – низкие теплопроводность и плотность, а также высокая теплоемкость. Сравнительно низкая теплопроводность приводит к большому градиенту температуры по сечению топливного сердечника и, как следствие, к заметным термическим напряжениям. Высокая теплоемкость аккумулирует большое количество тепла, что требует надежной организации теплоотвода и при внезапном ухудшении последнего может привести к аварийной ситуации.

Двуокись урана UO2 имеет такую же плохую теплопроводность, как многие огнеупорные материалы (например, в 40 раз меньше, чем у стали). При осуществлении цепной ядерной реакции деления урана в объеме топливных таблеток равномерно выделяется тепло с интенсивностью до 0,45 кВт на 1 см3. Тепло это отводится из объема топливных таблеток к поверхности трубок (оболочек), охлаждаемых водой, поэтому наибольшая температура устанавливается в середине таблеток.

При номинальной мощности топлива средняя температура в центре топливных таблеток составляет около 1580 °С, а на поверхности этих таблеток – около 470 °С. Максимальная температура соответственно достигает 1940 и 900 градусов. При работе топлива на номинальной мощности перепад температуры на газовом зазоре

160