Тепловыделяющий элемент
Тепловыделя́ющий элеме́нт (ТВЭЛ) — главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В ТВЭЛах происходит деление тяжёлых ядер 235U или 239Pu, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. ТВЭЛ должен обеспечить отвод тепла от топлива к теплоносителю и препятствовать распространению радиоактивных продуктов из топлива в теплоноситель.
ТВЭЛ состоит из топливного сердечника, оболочки и установочных деталей. Несколько ТВЭЛов и крепёжно-установочные элементы объединяются в единую конструкцию, которая называется тепловыделяющая сборка (ТВС). Конструкция и материалы ТВЭЛа определяются конструкцией реактора: гидродинамикой и химическим составом теплоносителя, температурными режимами, требованиями к нейтронному потоку. В большинстве реакторов ТВЭЛ представляет собой герметичную трубку из стали или циркониевых сплавов внешним диаметром около сантиметра и длиной десятки — сотни сантиметров, заполненную таблетками ядерного топлива.
Устройство
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).
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 диоксида 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 к 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 в активную зону и первый контур охлаждения реактора. Контроль герметичности оболочек на работающем реакторе производится по уровню этих элементов в первом контуре реактора. Также химическая реакция урана, плутония и их соединений с теплоносителем 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 алюминия используются в реакторах с температурой активной зоны менее 250—270 °C, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400 °C, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой более 400 °C. 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 диоксида урана UO2 и герметично уплотненную. Трубка твэла изготовлена из рекристализованного циркония, легированного 1 % ниобия (сплав Zr1Nb). Плотность сплава 6,55 г/см³, температура плавления 1860 °C. Для сплава Zr1Nb температура 350 °C является своеобразной критической точкой, после которой прочностные свойства сплава ухудшаются, а пластические увеличиваются. Наиболее резко свойства изменяются при температурах 400—500 °C. При температуре выше 1000 °C цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200 °C эта реакция протекает быстро (минуты) (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (1860 °C) и образуется водород).
Наружный диаметр трубки твэла 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 в диаметре помещены таблетки диоксида урана высотой 9-12 мм и диаметром 7,57−0,03 мм. В середине таблеток имеются отверстия диаметром 2,3 мм, а края скруглены фасками. В холодном состоянии общая длина столба таблеток в твэле составляет 3530 мм. Длина трубки твэла составляет 3800 мм, положение столба топливных таблеток зафиксировано разрезными втулками из нержавеющей стали и пружиной, не препятствующими тепловым перемещениям.
При герметизации твэла его внутренняя полость заполняется гелием под давлением 20—25 атм. Внутренний объём твэла (в холодном состоянии 181 см³) на 70 % заполнен таблетками топлива. Длина твэла 3837 мм, масса топлива 0.93-1.52 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) образуют оболочку, а таблетки диоксида урана — топливный сердечник.
Цирконий удачно сочетает ядерные и физические характеристики с механическими свойствами, коррозионностоек в большинстве сред, применяемых в качестве теплоносителей ядерных реакторов и достаточно технологичен.
Таблетки диоксида урана имеют высокую температуру плавления (около 2800 °C), не взаимодействуют с водой и паром даже при высоких температурах, совместимы с материалом оболочки твэла.
Диоксид урана имеет низкую теплопроводность (в 40 раз меньше, чем у стали). Плотность диоксида урана 10,4—10,7 г/см³. При протекании цепной реакции в объёме топливных таблеток равномерно выделяется энергия до 0,45 кВт/см³ (450 кВт/л).
Это тепло отводится из объёма таблеток к поверхности трубок (оболочек), охлаждаемых водой, поэтому наибольшая температура устанавливается на оси симметрии таблеток.
При номинальной мощности реактора температура на оси твэла составляет около 1600 °C, а на поверхности таблеток — около 470 °C. Максимальная температура достигает соответственно 1940 и 900 °C. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °C, на оболочке — 23 °C. Температура наружной поверхности трубки твэла составляет около 350 °C. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м², а линейный тепловой поток — 17 кВт/м 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 до 5 % в начале кампании и всего лишь 3 % урана может быть израсходовано от этой доли.
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. В современных ВВЭР глубина выгорания достигает 50-60 МВт·сут/кг за 4,5—5 лет (3 кампании по 1,5 года или 5 по году).[источник не указан 3538 дней]
См. также
- Отработавшее ядерное топливо
- Пьюрекс-процесс
Примечания
- Стержневой тепловыделяющий элемент водоводяного энергетического реактора. Дата обращения: 8 ноября 2015. Архивировано 24 апреля 2016 года.
- Атомная энергетика в вопросах и ответах. Дата обращения: 8 ноября 2015. Архивировано 31 октября 2015 года.
Ссылки
- Обзор надежности топливных сборок энергетических реакторов, МАГАТЭ
- Топливная компания Росатома «ТВЭЛ»
- «Атомный путь» — видеофильм «mercatorstudio» про изготовление ТВЭЛ.
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Тепловыделяющий элемент, Что такое Тепловыделяющий элемент? Что означает Тепловыделяющий элемент?
Dlya etogo termina sushestvuet abbreviatura TVEL kotoraya imeet i drugie znacheniya sm TVEL Teplovydelya yushij eleme nt TVEL glavnyj konstruktivnyj element aktivnoj zony geterogennogo yadernogo reaktora soderzhashij yadernoe toplivo V TVELah proishodit delenie tyazhyolyh yader 235U ili 239Pu soprovozhdayusheesya vydeleniem teplovoj energii kotoraya zatem peredayotsya teplonositelyu TVEL dolzhen obespechit otvod tepla ot topliva k teplonositelyu i prepyatstvovat rasprostraneniyu radioaktivnyh produktov iz topliva v teplonositel Sprava TVS bolshinstvo ee trubok TVELy Sleva TVEL obolochka vskryta i vidny toplivnye tabletki TVEL sostoit iz toplivnogo serdechnika obolochki i ustanovochnyh detalej Neskolko TVELov i krepyozhno ustanovochnye elementy obedinyayutsya v edinuyu konstrukciyu kotoraya nazyvaetsya teplovydelyayushaya sborka TVS Konstrukciya i materialy TVELa opredelyayutsya konstrukciej reaktora gidrodinamikoj i himicheskim sostavom teplonositelya temperaturnymi rezhimami trebovaniyami k nejtronnomu potoku V bolshinstve reaktorov TVEL predstavlyaet soboj germetichnuyu trubku iz stali ili cirkonievyh splavov vneshnim diametrom okolo santimetra i dlinoj desyatki sotni santimetrov zapolnennuyu tabletkami yadernogo topliva UstrojstvoUstrojstvo tvela reaktora RBMK 1 zaglushka 2 tabletki dioksida urana 3 obolochka iz cirkoniya 4 pruzhina 5 vtulka 6 nakonechnik Vnutri TVELov proishodit vydelenie tepla za schyot yadernoj reakcii deleniya topliva i vzaimodejstviya nejtronov s veshestvom materialov aktivnoj zony i teplonositelya kotoroe peredayotsya teplonositelyu Konstruktivno kazhdyj tvel sostoit iz serdechnika i germetichnoj obolochki Pomimo delyashegosya veshestva 233U 235U 239Pu serdechnik mozhet soderzhat veshestvo obespechivayushee vosproizvodstvo yadernogo topliva 238U 232Th Serdechnik Serdechniki byvayut metallicheskimi metallokeramicheskimi ili keramicheskimi Dlya metallicheskih serdechnikov ispolzuyutsya chistye uran torij ili plutonij a takzhe ih splavy s alyuminiem cirkoniem hromom cinkom Materialom metallokeramicheskih serdechnikov sluzhat spressovannye smesi poroshkov urana i alyuminiya Dlya keramicheskih serdechnikov spekayut ili splavlyayut oksidy ili karbidy urana ili toriya UO2 ThC2 Vysokim trebovaniyam po mehanicheskoj prochnosti i ustojchivosti fizicheskih svojstv i geometricheskih razmerov v usloviyah intensivnogo nejtronnogo i g izlucheniya naibolee sootvetstvuyut keramicheskie i metallokeramicheskie serdechniki odnako iz za nalichiya napolnitelya dlya nih trebuetsya yadernoe toplivo povyshennogo obogasheniya s soderzhaniem 235U do 10 i bolee Dlya povysheniya stojkosti serdechnika v nego inogda dobavlyayut materialy intensivno pogloshayushie nejtrony naprimer molibden V bolshinstve energeticheskih reaktorov obychno primenyayut keramicheskie serdechniki iz dioksida urana UO2 kotorye ne deformiruyutsya v techenie rabochego cikla vygoraniya topliva Drugoe vazhnoe svojstvo etogo soedineniya otsutstvie reakcii s vodoj kotoraya mozhet privesti v sluchae razgermetizacii obolochki tvela k popadaniyu radioaktivnyh elementov v teplonositel Takzhe k dostoinstvam dioksida urana mozhno otnesti to chto ego plotnost blizka k plotnosti samogo urana chto obespechivaet nuzhnyj potok nejtronov v aktivnoj zone Sm takzhe Yadernoe toplivo Obolochka Horoshaya germetizaciya obolochki tvelov neobhodima dlya isklyucheniya popadaniya produktov deleniya topliva v teplonositel chto mozhet povlech rasprostranenie radioaktivnyh elementov v aktivnuyu zonu i pervyj kontur ohlazhdeniya reaktora Kontrol germetichnosti obolochek na rabotayushem reaktore proizvoditsya po urovnyu etih elementov v pervom konture reaktora Takzhe himicheskaya reakciya urana plutoniya i ih soedinenij s teplonositelem mozhet povlech deformaciyu tvela i drugie nezhelatelnye posledstviya Material obolochki tvelov dolzhen obladat sleduyushimi svojstvami vysokaya korrozionnaya erozionnaya i termicheskaya stojkost on ne dolzhen sushestvenno izmenyat harakter poglosheniya nejtronov v reaktore Obolochki tvelov v nastoyashee vremya izgotavlivayut iz splavov alyuminiya cirkoniya nerzhaveyushej stali Splavy alyuminiya ispolzuyutsya v reaktorah s temperaturoj aktivnoj zony menee 250 270 C splavy Zr v energeticheskih reaktorah pri temperaturah 350 400 C a nerzhaveyushaya stal kotoraya intensivno pogloshaet nejtrony v reaktorah s temperaturoj bolee 400 C Inogda ispolzuyut i drugie materialy naprimer grafit V sluchae ispolzovaniya keramicheskih serdechnikov mezhdu nimi i obolochkoj ostavlyayut nebolshoj zazor neobhodimyj dlya uchyota razlichnyh koefficientov teplovogo rasshireniya materialov a dlya uluchsheniya teploobmena obolochku tvela vmeste s serdechnikami zapolnyayut gazom kotoryj horosho provodit teplo chashe vsego dlya etih celej ispolzuyut gelij V processe raboty tvela ishodnyj zazor primerno 100 mkm po radiusu umenshaetsya vplot do polnogo ischeznoveniya Konstruktivnoe ispolnenieTvel reaktora VVER 1000 predstavlyaet soboj trubku zapolnennuyu tabletkami iz dioksida urana UO2 i germetichno uplotnennuyu Trubka tvela izgotovlena iz rekristalizovannogo cirkoniya legirovannogo 1 niobiya splav Zr1Nb Plotnost splava 6 55 g sm temperatura plavleniya 1860 C Dlya splava Zr1Nb temperatura 350 C yavlyaetsya svoeobraznoj kriticheskoj tochkoj posle kotoroj prochnostnye svojstva splava uhudshayutsya a plasticheskie uvelichivayutsya Naibolee rezko svojstva izmenyayutsya pri temperaturah 400 500 C Pri temperature vyshe 1000 C cirkonij vzaimodejstvuet s vodyanym parom pri 1200 C eta reakciya protekaet bystro minuty pri etom vydelyayusheesya teplo reakcii razogrevaet obolochku do temperatury plavleniya 1860 C i obrazuetsya vodorod Naruzhnyj diametr trubki tvela 9 1 0 05 mm tolshina 0 65 0 03 mm vnutrennij diametr 7 72 0 08 mm V trubku s zazorom 0 19 0 32 mm v diametre pomesheny tabletki dioksida urana vysotoj 9 12 mm i diametrom 7 57 0 03 mm V seredine tabletok imeyutsya otverstiya diametrom 2 3 mm a kraya skrugleny faskami V holodnom sostoyanii obshaya dlina stolba tabletok v tvele sostavlyaet 3530 mm Dlina trubki tvela sostavlyaet 3800 mm polozhenie stolba toplivnyh tabletok zafiksirovano razreznymi vtulkami iz nerzhaveyushej stali i pruzhinoj ne prepyatstvuyushimi teplovym peremesheniyam Pri germetizacii tvela ego vnutrennyaya polost zapolnyaetsya geliem pod davleniem 20 25 atm Vnutrennij obyom tvela v holodnom sostoyanii 181 sm na 70 zapolnen tabletkami topliva Dlina tvela 3837 mm massa topliva 0 93 1 52 kg na nizhnej koncevoj probke imeetsya poperechnoe otverstie dlya krepleniya k nizhnej opornoj reshetke teplovydelyayushej sborki Germetichnost kazhdogo tvela proveryaetsya gelievym techeiskatelem Germetiziruyushie elementy tvela trubka i koncevye detali obrazuyut obolochku a tabletki dioksida urana toplivnyj serdechnik Cirkonij udachno sochetaet yadernye i fizicheskie harakteristiki s mehanicheskimi svojstvami korrozionnostoek v bolshinstve sred primenyaemyh v kachestve teplonositelej yadernyh reaktorov i dostatochno tehnologichen Tabletki dioksida urana imeyut vysokuyu temperaturu plavleniya okolo 2800 C ne vzaimodejstvuyut s vodoj i parom dazhe pri vysokih temperaturah sovmestimy s materialom obolochki tvela Dioksid urana imeet nizkuyu teploprovodnost v 40 raz menshe chem u stali Plotnost dioksida urana 10 4 10 7 g sm Pri protekanii cepnoj reakcii v obyome toplivnyh tabletok ravnomerno vydelyaetsya energiya do 0 45 kVt sm 450 kVt l Eto teplo otvoditsya iz obyoma tabletok k poverhnosti trubok obolochek ohlazhdaemyh vodoj poetomu naibolshaya temperatura ustanavlivaetsya na osi simmetrii tabletok Pri nominalnoj moshnosti reaktora temperatura na osi tvela sostavlyaet okolo 1600 C a na poverhnosti tabletok okolo 470 C Maksimalnaya temperatura dostigaet sootvetstvenno 1940 i 900 C Perepad temperatury na gazovom zazore mezhdu tabletkami i trubkoj obolochkoj v srednem sostavlyaet 100 C na obolochke 23 C Temperatura naruzhnoj poverhnosti trubki tvela sostavlyaet okolo 350 C Udelnyj teplovoj potok sostavlyaet 0 6 MVt m a linejnyj teplovoj potok 17 kVt m trubki Pri nominalnoj moshnosti davlenie geliya dostigaet 80 100 atm a toplivnyj serdechnik tvela udlinyaetsya ot nagreva na 30 mm Soderzhanie delyashegosya 235U v masse toplivnyh tabletok sostavlyaet do 5 v nachale kampanii i vsego lish 3 urana mozhet byt izrashodovano ot etoj doli Dlya zagruzki v reaktor tvely obedinyayutsya v tak nazyvaemye teplovydelyayushie sborki TVS kotorye v sluchae tvyordogo zamedlitelya razmeshayut v specialnyh kanalah po kotorym protekaet teplonositel V reaktorah s zhidkim zamedlitelem sborki razmeshayutsya neposredstvenno v ego obyome HarakteristikiOsnovnoj parametr TVELa glubina vygoraniya topliva V sovremennyh VVER glubina vygoraniya dostigaet 50 60 MVt sut kg za 4 5 5 let 3 kampanii po 1 5 goda ili 5 po godu istochnik ne ukazan 3538 dnej Sm takzheOtrabotavshee yadernoe toplivo Pyureks processPrimechaniyaSterzhnevoj teplovydelyayushij element vodovodyanogo energeticheskogo reaktora neopr Data obrasheniya 8 noyabrya 2015 Arhivirovano 24 aprelya 2016 goda Atomnaya energetika v voprosah i otvetah neopr Data obrasheniya 8 noyabrya 2015 Arhivirovano 31 oktyabrya 2015 goda SsylkiObzor nadezhnosti toplivnyh sborok energeticheskih reaktorov MAGATE Toplivnaya kompaniya Rosatoma TVEL Atomnyj put videofilm mercatorstudio pro izgotovlenie TVEL
