a fűtőelemek és a fűtőelemek követelmények - fűtőelemek atomreaktorok
4. oldal az 39
Típusú atomreaktor és a működési paraméterek, mint például a neutron energiaelosztó és intenzitása a neutron mező a magban térfogat, a hőmérséklet, a sebesség és összetétele a hűtőközeg nagymértékben meghatározzák a tartományban az anyag a tudomány és más problémák merülnek fel a tervezés és gyártás az üzemanyag rúd design technológia.
Táblázat. 1.1 egy működési hőmérséklet-tartománya az anyagok különböző típusú reaktorok. Nyilvánvaló, hogy attól függően, hogy a cél a reaktor és a hűtőközeg használt meredeken változó működési hőmérséklettel a nukleáris üzemanyag és a szerkezeti anyagok.
Táblázat 1.1. Működési hőmérséklet tartománya anyagok különböző típusú reaktorok
TVEL dolgozik nagyon nehéz körülmények között. Rajta vannak erős patakok gyors és termikus neutronok, egyenetlen; amikor át nagy hőáramlás a héjat vannak jelentős termikus feszültségek; víz magas paraméterekkel rendelkezik erozív és korrozív támadás a membrán, még korrozív vízben az forráspontú állapotban. üzemanyag letétbe a falakon a só, a hőmérséklet emelésével és felgyorsítja a korrózió; folyékony fémek és ötvözetek megfigyelt nemkívánatos jelenség - anyagátadó (ültetés fémek és vegyületeik hideg helyen); szerves hűtőfolyadékok, polimerizáció útján lerakódások az üzemanyag burkolat; duzzanat a fűtőelem ha vannak további tangenciális feszültségeket a héj; Mindez hátrányosan befolyásolja a működését a tüzelőanyag rúd folyamatos üzemben.
A hatékonyság a fűtőelem a reaktorban három tényező határozza meg: szerkezete, gyártási minőség és a működési mód a mag.
Jellemzően tervezési munka megkezdése után üzemanyag prereactor számítás meghatározva üzemanyag betöltése. A főbb jellemzői minden sokféleségét fűtőelemek, üzemanyag szerelvényt, és számuk aktívak által elfoglalt térfogat üzemanyag, és a felszínen a fűtőelem, amely lehetővé teszi betöltése a reaktor üzemanyag és a hőleadás. Ezek aránya értékeket úgy tűnik, hogy a leginkább hű kritériumának összehasonlítása különböző típusú szerkezetek a fűtőelemek és a fűtőelemeket. Ez kapcsolatban fűtőelemek és az üzemanyag-szerelvény kell lennie az optimális, mert a vágy, hogy dolgozzon hőelvezető felülete elkerülhetetlenül csökkenéséhez vezet az aktív térfogatát a tüzelőanyag-elemet, hogy növelje a dúsítási a tüzelőanyag és a tömeg növekedését szerkezeti anyagok és az üzemanyag az AZ; Ezzel szemben, a vágy, hogy növelje az aktív mennyiség csökkenéséhez vezet hőelvonás felszíni, jelentős növekedése a maximális tüzelőanyagcella hőmérsékleten, csökkentett megbízhatóságához az üzemanyag rudak előre megadott teljesítménynél.
A tervezési folyamat, figyelembe véve az üzemeltetési tapasztalatok technika állása úgy becsülhető, hogy meghatározzuk, közel a valós körülmények között az üzemi hőmérséklet üzemanyag, hő és egyéb feszültségek nekik erőt tartalékok az építési anyagok, termikus és hidraulikus jellemzői a tüzelőanyag összeszerelés és a lehető legnagyobb nagyságát hőelvezetést. A kapott adatokat használják, hogy készítsen részletes fizikai számítás, az ellenőrzött fizikai kísérlet, a végső kiválasztás az üzemanyag típusa, tisztázza tervezési és gyártási technológia.
A legnagyobb nehézséget a tervezés a tüzelőanyag szerelvény egy fűtőelemrúd térköz ott, ahol a tüzelőanyag-szerelvény egyidejűleg megfelel a mechanikai (szerkezeti szilárdság), hidrodinamikus (alacsony ellenállás és egyenletes hűtési a fűtőelemek), és egyéb hőtechnikai követelményeket. Ennek lehetővé kell tennie a szabad mozgását az üzemanyag rudak a fűtőelemek a hőtágulás, és hogy megakadályozzák mechanikai hatást gyakorol az üzemanyag rudak a fali oldalon és a kötőelemek FA.
Figyelembe véve a követelményeket a fűtőelemek, azonnal meg kell adnia a ketten, eredő feladat létrehozása adott AZ: először is, hogy a tüzelőanyag tartalmaznia kell annyi üzemanyagot, amennyi szükséges az egész település kampány, másrészt az üzemanyag rudak biztonságosan kell futtatni kampány
kiszámítani és kiégési kibírja anélkül, hogy elszakadna a héj. A neutron mező hosszú távú használatra lehet egy jelentős változás a fizikai-kémiai tulajdonságait az anyagok; kapcsolatban álló, kívánt finom metallográfiai vizsgálata besugárzott anyagok kompatibilitása, mivel az utóbbi lényegében meghatározza a korlátozó működési hőmérséklet és gyártási módszerek. Amellett, hogy az építési anyagok kell egy minimum keresztmetszet neutronbefogásos kell lenniük a korrózió és erózió; korróziós termékeket kell értékelni alapján nukleáris aktivitása és biztonságossága reaktor üzemeltetése során, mint például a jelenléte a kobalt és más elemek nagy-hosszú felezési nem kívánatos. A kialakítás és a kiválasztott anyagok mechanikailag elég erős ahhoz, hogy megőrizze alakját, méreteit és az integritás teljes időtartama alatt az a tüzelőanyag-elemet. Gyártási technikák mellett gazdaság kell, hogy magas színvonalú fűtőelem (a szükséges méretű és formájú, egyenletes eloszlását az üzemanyag, jó tömítés) és megbízható eszköz ellenőrzés. Emlékeztetni kell arra, és a regeneráció kiégett fűtőelemek a visszatérő nukleáris üzemanyag, így a fűtőelem meg kell felelniük a technológiai feltételei feldolgozási folyamatokat.
1.2. Kémiai vegyületek, amelyek lehet tekinteni, mint egy nukleáris üzemanyag
* A hőmérséklet a lágyító. ** Alacsony peritectic reakciót. *** A bomlási hőmérséklet. a
-
Létrehozása megbízható, hatékony zónák nagy energiasűrűség, magas szinten hő és hatékony felhasználása a nukleáris üzemanyag általában nagy nehézségbe ütközik. Egyrészt, fűtőanyag kell a lehető legmagasabb koncentrációban hasadó nuklid egységnyi térfogatra (1.2 táblázat.), A másik - a tüzelőanyag-mag kell fenntartani méretbeli stabilitás és kémiai összetétele besugárzás alatt, és a maximális üzemi hőmérséklete legyen jóval az olvadási hőmérséklet és a fázisátalakulás ha van ilyen. Ezek alapján a követelmények lehetetlen használni a tiszta plutónium fémet, nem is beszélve a magas toxicitása és kémiai aktivitást. Megelőzése nagy különbség a keresztmetszet a tüzelőanyag-elem hőmérsékletet elérjük anyagok használatával jó hővezető képességű; azonban más követelmények vezet a használata egy anyag hővezető képessége kisebb; így ha az elején használt reaktor urán fém vagy ezek ötvözetei, az elmúlt évtizedben minden típusú reaktorok széles körben használják szinterezett urán-dioxid, bár a hővezetés 5-8-szor kisebb, (ábra 1.13.); szinterezett urán-dioxid különbözik inaktivitás víz magas paraméterek és ellenállás a gázok (CO2, N2 stb), kompatibilis a legtöbb fém mátrixok, van egy magas olvadáspontú izomorfizmus rácsokkal UO2, PuO2-vé alakítják és ThO2 lehetővé teszi, hogy összekapcsolják a fűtőelemrúd gyorsreaktorok hasadó és szaporító anyagok .
Ábra. 1.13. A hőmérséklet-függősége a termikus vezetőképesség (térfogat frakciók):
A közelmúltban egyre több figyelmet fordítanak az üzemanyag-alapú karbidok és nitridek; igen, UC tartalmaz uránt egységnyi térfogatú 30% -kal magasabb, mint a UO2, valamint a hővezetés sokkal magasabb. urán-nitrid (UN) van továbbá uranoemkostyu, hővezető növekszik a hőmérséklettel, és eléri 21-26 W / (m-K) 800-1000 ° C-on; urán mononitride gyengén reagál a vízzel, nepiroforen, tárolható és feldolgozása még a párás levegő, az utóbbi tulajdonság különbözteti meg az urán-karbid.
Izomorfizmus rácsokkal UO, UC, UN, pUC Pun és ad reményt előállítására stabil komplex vegyületeket, például karbonitridek és oxycarbonitrides urán és a plutónium kell használni, mint a nukleáris üzemanyag.
Kémiai rezisztencia tekintetében levegő, vízgőz, shell anyagok, mátrix és a hűtőközeg az egyik legfontosabb követelmények a tüzelőanyag, mivel nincs jelentős kölcsönhatás határozza meg a leginkább üzemanyag-hatékonyság és az energia más reaktorok.
Ábra. 1.14. A hőmérséklet függése Gibbs energiája néhány reakció:
Kémiai ellenállás és az üzemanyag-összeférhetőség más anyagot, például egy shell, változása határozza meg a Gibbs energia a teljes rendszer, beleértve a lehetséges reakciótermékek. Az adatok néhány ilyen reakciók, az érdeklődés a szempontból a alkalmazhatóságát az anyagok ábrán látható. 1.14. Néha lehet használni a tüzelőanyag-összetevőket termodinamikailag nem stabil, például UO2 - Mg vagy UO2 - A1, de a stabilitása az ilyen készítmények a reakciókörülményekkel igényel különösen óvatos kísérleti igazolása, mivel a besugárzás felgyorsíthatja a diffúziós folyamatok az interakció.
Amikor szorítás tüzelőanyag kérdések válik különösen akut tüzelőanyag interakció hűtőközeg, amely lehet víz, folyékony fémek, gázok vagy szerves vegyületek.