Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 209
Скачиваний: 1
§ 7.10. Тепловыделяю щ ие элементы |
215 |
иметь достаточную прочность, равномерно |
распределяться в |
матрице. |
|
Материал матрицы должен обладать высокой прочностью п пластичностью, чтобы противостоять распуханию диспергиро ванных частиц горючего при накоплении в них твердых продук тов деления и сдерживать давление газообразных продуктов деления без разрушения, хорошей теплопроводностью, не иметь структурных превращений во всем диапазоне рабочих темпера тур, быть коррозионностойким к теплоносителю и совместимым с материалом оболочки твэла.
Дисперсная система с 30% UO2 в матрице из аустенитной нержавеющей стали при выгорании до 15% урана и температуре в центре твэла 427—87Г обладает высокой радиационной стой костью.
Матрица воспринимает напряжения, возникающие под дейст вием облучения в полости, занятой горючим, до тех пор, пока эти напряжения по величине не превзойдут максимальную проч ность материала матрицы. Следует заметить, что матрица, ос лабленная хрупкими керамическими включениями, будет иметь пониженную прочность. Определение прочности такой системы является весьма сложной задачей.
В дисперсной системе двуокись урана — алюминий материа лы при температуре 600° взаимодействуют с образованием ин терметаллических соединений урана и алюминия и окиси алю миния. При этом происходит изменение объема на 20—30%. При замене двуокиси урана на закись-окись урана изменение объема в этих же условиях составило только 4%. В качестве дисперсной системы применяют стеклянное волокно, содержа щее закись-окись урана; система монокарбид урана — алюминий применяется до 500° (при 600° карбид несовместим с алюминием и полностью распадается). Хорошо зарекомендовала себя систе ма, состоящая из интерметаллидов урана и алюминия в матрице из алюминиевого сплава или порошка алюминия.
§ 7. 10
Т е п л о в ы д е л я ю щ и е э л е м е н т ы я д е р н ы х р е а к т о р о в
П о в р е ж д е н и я . К числу основных причин повреждений твэлов в процессе эксплуатации следует отнести изменение формы и размеров сердечника вследствие радиационного роста и распу хания, термических циклов и аллотропических превращений, а также разрушение оболочки вследствие протекания коррозион ных и эрозионных процессов, диффузионного взаимодействия ма териала горючего и оболочки, перегрева отдельных участков оболочки вследствие образования отложений. Надежная работа
216 , Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы
твэлов обеспечивается правильным выбором материалов тепло носителя, поддержанием в процессе эксплуатации заданного со става теплоносителя и температурного режима, а также выбором рациональной конструкции элемента и способов его крепления. Важными требованиями являются простота конструкции и низ кая стоимость твэла, а также возможность и простота регенера ции ядерного горючего.
Тепловой контакт. Местный перегрев может произойти вслед ствие нарушения контакта (сцепления) между сердечником и оболочкой. Создание надежного контакта между сердечником и оболочкой, особенной случае соединения керамики с металли ческими материалами, встречает серьезные трудности. Однако в некоторых случаях целесообразно оставлять зазор между сер дечником и оболочкой, заложив его теплопроводящей прослой кой. Сцепление между сердечником и оболочкой можно осущест вить «металлургической связью». Такое соединение получают при нагреве контактирующих поверхностей. Под металлургиче ской связью понимают все виды соединения в металлических си стемах, в том числе за счет химического взаимодействия, диф фузии и т. д. Если сердечник и оболочка сделаны из одного ме талла, например, дисперсная фаза двуокиси урана в матрице из нержавеющей стали и оболочка из нержавеющей стали, то для образования металлургической связи достаточно создать контакт сердечника и оболочки и осуществить нагрев до определенной температуры.
В других случаях совмещаемые материалы, например уран и алюминий, при нагревании образуют интерметаллиды, объем продуктов коррозии которых больше объема урана и алюминия, затраченных на их образование. Изменение объема в промежу точном слое и образование хрупких соединений может привести к разрушению всего элемента. Поэтому создают промежуточный диффузионный барьер, препятствующий образованию хрупких интерметаллидов. Для создания диффузионного барьера на по верхность сердечника наносят слой Ni, Nb, Si и других метал лов толщиной 8—20 мкм. При нагревании прослойка образует диффузионные пары со стороны сердечника и оболочки. Алю миний из оболочки может продиффундировать сквозь никелевую прослойку, но для этого потребуется значительное время. При чисто механическом контакте сердечника и оболочки необходима тщательная подгонка деталей топлива и оболочки, что требует прецизионной механической обработки или обжатия. Необходи мо учитывать коэффициенты теплового расширения материалов.
Как уже указывалось, в ряде случаев целесообразно созда вать зазор между сердечником и оболочкой, так как объем го рючего во время эксплуатации увеличивается. Зазор заполняется веществом с хорошей теплопроводностью. В качестве газовой
§ 7.10. Тепловыделяю щ ие элементы |
217 |
прослойки обычно применяют гелий, имеющий хорошую тепло проводность. В этом случае не возникает проблема смачивания металлов. В качестве жидкометаллической теплопроводящей прослойки обычно применяют Na, Pb, сплавы Na—К, Pb—Bi. Сцепление между сердечником и оболочкой создается совмест ной прокаткой, прессованием, выдавливанием, ротационной ков кой (обжатием со всех сторон) и т. д. Важное значение имеет герметизация твэла. Наиболее распространенным способом гер
метизации является |
дуговая сварка в защитной атмосфере. |
В последнее время |
широко применяют электроннолучевую |
■сварку. |
|
Контроль. После изготовления твэла необходимо проверить правильность расположения сердечника внутри оболочки, каче ство самой оболочки, герметичность, связь оболочки с сердечни ком, правильность размера, качество отделки поверхности.
В реакторах для |
производства плутония применяют твэлы |
из природного урана |
в алюминиевых оболочках, охлаждаемые |
водой, и твэлы из природного урана в оболочках из магниевых ■сплавов, охлаждаемые углекислым газом. Тепловыделяющие элементы первого типа служат для производства плутония в уран-графитовых реакторах (например, в Ханфорде, СаваннаРивер и др.). Тепловыделяющие элементы второго типа приме няют в двухцелевых (производство плутония и электроэнергии) реакторах в Колдер-Холле, Беркли и т. д.
Тепловыделяющие элементы ханфордского реактора. На рис. 7.12 приведена схема тепловыделяющего элемента ханфордского реактора с природным ураном. Урановый сердечник диа метром 34,5 мм и длиной 204 мм помещают в оболочку из алю миния, которую припаивают к сердечнику силуминовым при поем. Толщина оболочки, включая слой припоя в 0,25 мм, со ставляет 1,05 мм. На торцах оболочка утолщена до 8,9 мм (глу хой торец) и 8,4 мм (торец, закрываемый привариваемым диском).
Для изготовления сердечника обточенный слиток природного нелегированного урана (динготметалл) куют на прокатную за готовку. При этом разбивается литая структура. Заготовка под
прокатку |
может быть получена также прессованием в области |
;у-фазы. |
Прокатку на прутки диаметром 37—38 мм производят |
в a -фазе |
с нагревом. Прутки выпрямляют, обтачивают, разре |
зают и после закалки из ß-фазы сердечники доводят до заданных размеров. Контролируют величину зерна и поверхностные де фекты (трещины, раковины, рифленость, заусенцы, герметич ность, газовые пузыри, неспаи, проедание алюминиевой оболоч ки припоем, хрупкость слоя припоя).
В твэлах для газоохлаждаемых реакторов используют метал лический уран в виде стержней диаметром 29,2 мм и длиной
218 |
Гл. 7. Ядерно-горю чие материалы |
1020 мм, толщина магноксовой оболочки 1,83 мм. Для улучше ния теплоотдачи оболочки делают с винтообразными ребрами высотой 10,4 мм. Концевые детали, приваренные к оболочке, служат для центровки твэла по оси канала. В процессе эксплуа тации наблюдается небольшое увеличение длины и диаметра твэлов. В целом же эти элементы надежны в эксплуатации да выгорания несколько килограммов на тонну урана.
1 с |
2 |
Рис. 7Л2. Схема твэла ханфордского реактора:
а |
— т вэл ; |
б — топливная |
сб о р к а; |
мм)/ —6кры ш ка; |
2 — |
сварной |
ш ов; |
|||
3 |
|
|||||||||
|
— ал ю м и ни евая обол очка; |
4 |
— урановы й блок; |
5 — кольцевая |
||||||
щ ель д л я |
теплоносителя |
(2,18 |
|
|
|
мм). — ал ю м и ни евая труба |
(б = |
|||
|
|
|
= 1,83 |
|
|
|
|
Тепловыделяющие элементы энергетических реакторов. Для реакторов с уровнем температуры 300—600° и выше наиболее устойчивыми при больших выгораниях являются твэлы на осно ве компактного керамического горючего. Твэлы первого блока Ново-Воронежской АЭС представляли собой стержни диаметром 10,2 мм с сердечником из выдавленной и спеченной двуокиси урана. Активная длина твэлов 2463 мм. В качестве оболочки использовали трубы 010,2X 0,6 из сплава с Z r — 1% Nb. Коэф фициент теплового расширения сплава циркония примерно вдвое меньше, чем двуокиси урана. В рабочих условиях температура сердечника выше температуры оболочки. Для того чтобы избе жать напряжений в оболочке, между ней и сердечником остав ляют зазор 0,1 мм по радиусу. (Диаметр сердечника из дву окиси урана равен 8,8 мм.) Наличие зазора при большой длине твэла облегчает сборку блоков сердечника в оболочке. Твэлы по 91 штуке объединяют в шестигранные кассеты. Дистанционирование осуществляется при помощи концевых и промежуток-
§ 7.10. Тепловыделяю щ ие элементы |
219 |
ных решеток. Кассеты выполняют из сплава |
2г — 2,5% Nb пу |
тем гибки и сварки одним продольным швом листа толщиной 2 мм. Во втором блоке Ново-Воронежской АЭС в каждой кас сете 127 цилиндрических твэлов с диаметром сердечника 7,7 мм и наружным диаметром оболочки 8,8 мм. Твэлы с сердечником из двуокиси урана используют на атомном ледоколе «Ленин» и Шиппингпортской АЭС. На Шиппингпортской АЭС твэлы со браны по 120 штук и вварены в две плиты. И оболочка элемен тов и плиты изготовлены из сплава Zr — 2,5% Nb. Для предот вращения искривления и изменения зазоров между стержнями сварка каждого из 120 элементов проводилась в строгой после довательности в соответствии с анализом возникающих напря жений. Для снятия напряжений сборка после сварки отжигалась в вакууме при 690° в течение 3 ч. Распорные стальные проклад ки при этом не вынимались. После отжига они растворялись в азотной кислоте.
Кроме твэлов с керамическим горючим применяют тепловы деляющие элементы дисперсионного типа. Твэлы этого типа изготавливают в основном методами порошковой металлургии, в частности, методом горячего прессования. Специальными ме тодами получают гладкие сферические частицы горючего, по
крытые материалом матрицы. |
Размер частиц |
~200 |
мкм, тол |
щина покрытия 25—100 мкм. |
Сцепление металлокерамического |
||
горючего, изготовленного из |
смеси порошков |
или |
покрытых |
сферических частиц с оболочкой, осуществляется методом диф фузии в горячем состоянии. При нагреве компоненты материа лов матрицы и оболочки диффундируют друг в друга, образуя неразрывное целое. В других случаях между сердечником и обо лочкой помещают металл с низкой температурой плавления. При нагреве он растекается и связывает сердечник и оболочку. Может быть использована горячая и холодная сварка под дав лением. Эти методы требуют высокой чистоты поверхности.
Заготовки из уран-алюминиевых сплавов производят либо прессованием порошков интерметаллида урана и алюминия и чистого алюминия, либо сплавлением алюминия высокой чисто ты и обогащенного урана. Полученную заготовку прокатывают в ленту, из которой вырубают пластины. Эти пластины покры вают сверху и снизу чистым алюминием и прокатывают. Пла стины из плакированного алюминием горючего с помощью, днстанционирующих устройств собирают в сборки. В случае гелие
вого теплоносителя |
оболочку |
можно изготовлять из |
малопро |
ницаемого графита. |
|
|
|
Т е п л о в ы д е л я ю щ и е |
э л е м е н т ы |
р е а к т о р о в н а б ы с т р ы х |
н е й т р о |
н а х . В реакторах на быстрых нейтронах твэлы работают в очень жестких условиях. Плотность потока здесь составляет 1015— ІО16 нейтрон/(см2 • сек) , а интегральный поток ІО23 нейтрон/см2.