Тепловыделяющий элемент

Тепловыделя́ющий элеме́нт (ТВЭЛ) — главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В ТВЭЛах происходит деление тяжелых ядер ²³⁵U, ²³⁹Pu или ²³³U, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. ТВЭЛы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. Тип ТВЭЛа определяется типом и назначением реактора, параметрами теплоносителя. ТВЭЛ должен обеспечить надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю.

В большинстве современных энергетических реакторов (ВВЭР, РБМК), ТВЭЛ представляет собой стержень диаметром 9.1-13,5 мм и длиной несколько метров.

Устройство

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

Внутри ТВЭЛов происходит выделение тепла за счёт ядерной реакции деления топлива и взаимодействия нейтронов с веществом материалов активной зоны и теплоносителя, которое передаётся теплоносителю. Конструктивно, каждый ТВЭЛ состоит из сердечника и герметичной оболочки.

Помимо делящегося вещества (²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu), сердечник может содержать вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива (²³⁸U, ²³²Th).

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

Сердечник

Сердечники бывают металлическими, металлокерамическими или керамическими. Для металлических сердечников используются чистые уран, торий или плутоний, а также их сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком. Материалом металлокерамических сердечников служат спрессованные смеси порошков урана и алюминия. Для керамических сердечников спекают или сплавляют оксиды или карбиды урана или тория (UO₂, ThC₂).

Высоким требованиям по механической прочности и устойчивости физических свойств и геометрических размеров в условиях интенсивного нейтронного и γ-излучения наиболее соответствуют керамические и металлокерамические сердечники, однако из-за наличия наполнителя для них требуется ядерное топливо повышенного обогащения (с содержанием ²³⁵U до 10% и более). Для повышения стойкости сердечника, в него иногда добавляют материалы, интенсивно поглощающие нейтроны (например, молибден).

В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из двуокиси урана (UO₂), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения — отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки ТВЭЛа к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.

Оболочка

Хорошая герметизация оболочки ТВЭЛов необходима для исключения попадания продуктов деления топлива в теплоноситель, что может повлечь распространение радиоактивных элементов за пределы активной зоны. Также, в связи с тем, что уран, плутоний и их соединения крайне химически активны, их химическая реакция с водой может повлечь деформацию ТВЭЛа и другие нежелательные последствия.

Материал оболочки ТВЭЛов должен обладать следующими свойствами:

• Высокая коррозионная, эрозионная и термическая стойкость;
• Он не должен существенно изменять характер поглощения нейтронов в реакторе.

Оболочки ТВЭЛов в настоящее время изготавливают из сплавов алюминия, циркония, нержавеющей стали. Сплавы Al используются в реакторах с температурой активной зоны < 250—270°С, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400°С, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой >400°С. Иногда используют и другие материалы, например, графит.

В случае использования керамических сердечников, между ними и оболочкой оставляют небольшой зазор, необходимый для учёта различных коэффициентов теплового расширения материалов, а для улучшения теплообмена оболочку ТВЭЛа вместе с сердечниками заполняют газом, который хорошо проводит тепло, чаще всего для этих целей используют гелий. В процессе работы ТВЭЛа исходный зазор (примерно 100 мкм по радиусу) уменьшается, вплоть до полного исчезновения.

Конструктивное исполнение

Твэл реактора ВВЭР-1000 представляет собой трубку, заполненную таблетками из двуокиси урана UO₂ и герметично уплотненную концевыми деталями на сварке. Трубка твэл изготовлена из рекристализованного циркония, легированного 1% ниобия (сплав Н-1). Плотность сплава 6.55 г/см³, температура плавления 1860 °С. Для сплава Н-1 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 около 1000 °С цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200 °С эта реакция протекает быстро (минуты) (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (1860 °С) и образуется много водорода).

Наружный диаметр трубки твэл 9,1 ± 0,05 мм, толщина 0,65 ± 0,03 мм, внутренний диаметр - 7,72 + 0,08 мм.

В трубку с зазором 0,19 - 0,32 мм на диаметр помещены таблетки двуокиси урана высотой 20 мм и диаметром 7,53 -0,05 мм. В середине таблеток имеются отверстия диаметром 2,3 мм, а края скруглены фасками. Общая длина столба таблеток в твэле составляет 3530 мм (размеры указаны для холодного состояния). Длина трубки твэл составляет 3800 мм, положение столба топливных таблеток зафиксировано разрезными втулками из нержавеющей стали и пружиной, не препятствующими тепловым перемещениям.

При герметизации концевых пробок твэла его внутренняя полость заполняется гелием под давлением 20-25 атм. Внутренний объем твэла в холодном состоянии 181 см³ на 70% заполнен таблетками топлива. Длина твэла 3 837 мм, вес - 21 кг, на нижней концевой пробке имеется поперечное отверстие для крепления к нижней опорной решетке тепловыделяющей сборки.

Герметичность каждого твэла проверяется гелиевым течеискателем. Герметизирующие элементы твэла (трубка и концевые детали) называют оболочкой, а таблетки двуокиси урана называют топливным сердечником.

Цирконий удачно сочетает ядерные и физические характеристики с механическими и коррозионными свойствами, коррозионностоек в большинстве сред, применяемых в качестве теплоносителей ядерных реакторов и достаточно технологичен.

Таблетки двуокиси урана имеют высокую температуру плавления (около 2800 °С), не взаимодействуют с водой и паром даже при высоких температурах, совместимы с материалом оболочки твэл.

Двуокись урана имеет низкую теплопроводность (в 40 раз меньше, чем у стали). Плотность двуокиси урана 10.4 - 10.8 г/см³. При осуществлении цепной реакции деления урана в объеме топливных таблеток равномерно выделяется энергия до 0.45 кВт/см³ (450 кВт/литр).

Это тепло отводится из объема таблеток к поверхности трубок (оболочек), охлаждаемых водой, поэтому наибольшая температура устанавливается в середине таблеток.

При номинальной мощности реактора температура в центре топливных таблеток составляет около 1600 °С, а на поверхности - около 470 °С. Максимальная температура соответственно достигает 1940 и 900 °С. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °С, на оболочке - 23 °С. Температура наружной поверхности трубки твэл при этом составляет около 350 °С. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м², а линейный тепловой поток - 17 кВт/метр трубки.

При номинальной мощности давление гелия достигает 80-100 атм, а топливный сердечник твэла удлиняется от нагрева на 30 мм.

Содержание делящегося ²³⁵U в массе топливных таблеток составляет 4,4% в начале кампании и 0,8 - 1% при выгрузке из реактора. Около 5% продуктов деления урана являются газообразными веществами, увеличивающими давление под оболочкой твэл на 80 атмосфер в конце кампании в горячем состоянии (давление теплоносителя в активной зоне 160 атм). После охлаждения парциальное давление газообразных продуктов деления в оболочке твэл составляет около 20 атм.

Для загрузки в реактор ТВЭЛы объединяются в так называемые тепловыделяющие сборки (ТВС), которые в случае твёрдого замедлителя размещают в специальных каналах, по которым протекает теплоноситель. В реакторах с жидким замедлителем сборки размещаются непосредственно в его объёме.

Характеристики

Основной параметр ТВЭЛа — глубина выгорания топлива, которая в энергетических реакторах достигает 40 МВт сут/кг, а время работы составляет до 3-4 лет. В современных ВВЭР выгорание топлива ТВЭЛов достигает более 65 МВт·сут/кгU за 6-летнюю (по примерно 320 суток) кампанию.

Использованные ТВЭЛы подвергаются переработке с целью извлечения неиспользованного в данной кампании или вновь накопленного ядерного топлива.

См. также

• Облучённое ядерное топливо
• Пьюрекс-процесс
• Корпорация «ТВЭЛ»