Википедия

Тепловыделяющий элемент: различия между версиями

Интерактивная навигация по истории
(Показать все непатрулированные изменения)
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
м викификация
Нет описания правки
Строка 1:
'''Тепловыделя́ющий элеме́нт''' (твэл)  — главный конструктивный элемент [[активная зона|активной зоны]] [[гетерогенный ядерный реактор|гетерогенного ядерного реактора]], содержащий [[ядерное топливо]]. В твэлах происходит деление тяжелых ядер [[Уран-235|<sup>235</sup>U]], [[Плутоний-239|<sup>239</sup>Pu]] или [[Уран-233|<sup>233</sup>U]], сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся [[теплоноситель|теплоносителю]]. Твэлы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. Тип твэла определяется типом и назначением [[ядерный реактор|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 9.1-13,1—13,5  мм и длиной несколько метров.
 
== Устройство ==
[[Файл:Rbmk fuel rod.png|700px|center|thumb|'''Устройство твэла реактора [[РБМК]]:'''<br />1&nbsp; —&nbsp; заглушка; 2&nbsp; —&nbsp; таблетки [[диоксид урана|диоксида урана]]; 3&nbsp; —&nbsp; оболочка из [[цирконий|циркония]]; 4&nbsp; —&nbsp; пружина; 5&nbsp; —&nbsp; втулка; 6&nbsp; —&nbsp; наконечник.]]
Внутри твэлов происходит выделение тепла за счёт [[цепная ядерная реакция|ядерной реакции]] деления топлива и взаимодействия нейтронов с веществом материалов активной зоны и теплоносителя, которое передаётся [[теплоноситель|теплоносителю]]. Конструктивно, каждый твэл состоит из сердечника и герметичной оболочки.
 
Помимо делящегося вещества ([[Уран-233|<sup>233</sup>U]], [[Уран-235|<sup>235</sup>U]], [[Плутоний-239|<sup>239</sup>Pu]]), сердечник может содержать вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива ([[Уран-238|<sup>238</sup>U]], [[Торий-232|<sup>232</sup>Th]]).
 
[[Файл:Rbmk fuel rods holder.png|300px|right|thumb|'''Тепловыделяющая сборка реактора [[РБМК]]:'''<br />1  — дистанцирующая арматура;<br />2  — оболочка твэла;<br />3  — таблетки [[диоксид урана|диоксида урана]].]]▼
 
▲[[Файл:Rbmk fuel rods holder.png|300px|right|thumb|'''Тепловыделяющая сборка реактора [[РБМК]]:'''<br />1 — дистанцирующая арматура;<br />2 — оболочка твэла;<br />3 — таблетки [[диоксид урана|диоксида урана]].]]
=== Сердечник ===
Сердечники бывают металлическими, металлокерамическими или керамическими. Для металлических сердечников используются чистые [[Уран (элемент)|уран]], [[торий]] или [[плутоний]], а также их сплавы с [[алюминий|алюминием]], [[цирконий|цирконием]], [[хром]]ом, [[цинк]]ом. Материалом металлокерамических сердечников служат спрессованные смеси порошков [[Уран (элемент)|урана]] и [[алюминий|алюминия]]. Для керамических сердечников спекают или сплавляют оксиды или карбиды урана или тория (UO<sub>2</sub>, ThC<sub>2</sub>).
 
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 [[Уран-235|<sup>235</sup>U]] 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 (UO<sub>2</sub>), 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 ===
Строка 21 ⟶ 22 :
 
Материал оболочки твэлов должен обладать следующими свойствами:
* Высокаявысокая коррозионная, эрозионная и термическая стойкость;
* Онон не должен существенно изменять характер поглощения нейтронов в реакторе.
 
Оболочки твэлов в настоящее время изготавливают из сплавов [[алюминий|алюминия]], [[цирконий|циркония]], [[нержавеющая сталь|нержавеющей стали]]. Сплавы Al используются в реакторах с температурой активной зоны &lt;&nbsp;менее 250—270 °С, сплавы Zr  — в энергетических реакторах при температурах 350—400 °С, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны,  — в реакторах с температурой &gt;более 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 [[теплопроводность|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 UO<sub>2</sub> и герметично уплотненную. Трубка твэла изготовлена из рекристализованного циркония, легированного 1 % ниобия (сплав Н-1). Плотность сплава 6.,55 г/см<sup>3</sup>³, температура плавления 1860&nbsp; °C. Для сплава Н-1 температура 350&nbsp; °C является своеобразной критической точкой, после которой прочностные свойства сплава ухудшаются, а пластические увеличиваются. Наиболее резко свойства изменяются при температурах 400-500400—500 °С. При температуре выше 1000&nbsp; °C цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200&nbsp; °C эта реакция протекает быстро (минуты) (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (1860&nbsp; °C) и образуется водород).▼
▲Твэл реактора [[ВВЭР-1000]] представляет собой трубку, заполненную таблетками из двуокиси урана UO<sub>2</sub> и герметично уплотненную. Трубка твэла изготовлена из рекристализованного циркония, легированного 1% ниобия (сплав Н-1). Плотность сплава 6.55 г/см<sup>3</sup>, температура плавления 1860&nbsp;°C. Для сплава Н-1 температура 350&nbsp;°C является своеобразной критической точкой, после которой прочностные свойства сплава ухудшаются, а пластические увеличиваются. Наиболее резко свойства изменяются при температурах 400-500 °С. При температуре выше 1000&nbsp;°C цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200&nbsp;°C эта реакция протекает быстро (минуты) (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (1860&nbsp;°C) и образуется водород).
 
Наружный диаметр трубки твэла 9,1 ± 0,05  мм, толщина 0,65 ± 0,03  мм, внутренний диаметр - — 7,72 <sup>+ 0,08</sup> мм.
 
В трубку с зазором 0,19 - 019—0,32  мм на диаметр помещены таблетки двуокиси урана высотой 20  мм и диаметром 7,53 -0<sup>−0,05</sup> мм. В середине таблеток имеются отверстия диаметром 2,3  мм, а края скруглены фасками. В холодном состоянии общая длина столба таблеток в твэле составляет 3 530 3530 мм. Длина трубки твэла составляет 3 800 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 20-2520—25 атм. Внутренний объем твэла ( в холодном состоянии 181 см<sup>3</sup>³) на 70 % заполнен таблетками топлива. Длина твэла 3 837 3837 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) образуют оболочку, а таблетки двуокиси 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 двуокиси урана имеют высокую температуру плавления (около 2800&nbsp; °C), не взаимодействуют с водой и паром даже при высоких температурах, совместимы с материалом оболочки твэла.
 
Двуокись урана имеет низкую теплопроводность (в 40 раз меньше, чем у стали). Плотность двуокиси урана 10.4 - 10.,4—10,8 г/см<sup>3</sup>³. При протекании цепной реакции в объеме топливных таблеток равномерно выделяется энергия до 0.,45 кВт/см<sup>3</sup>³ (450 кВт/литрл).
 
Это тепло отводится из объема 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&nbsp; °C, а на поверхности таблеток - — около 470&nbsp; °C. Максимальная температура достигает соответственно 1940 и 900&nbsp; °C. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100&nbsp; °C, на оболочке - — 23&nbsp; °C. Температура наружной поверхности трубки твэла составляет около 350&nbsp; °C. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м<sup>2</sup>², а линейный тепловой поток - — 17 кВт/метрм трубки.
 
При номинальной мощности давление гелия достигает 80-10080—100 атм, а топливный сердечник твэла удлиняется от нагрева на 30  мм.
 
Содержание делящегося <sup>235</sup>U в массе топливных таблеток составляет 4,4 % в начале кампании и 0,8 - 18—1 % при выгрузке из реактора. Около 5 % продуктов деления урана являются газообразными веществами, увеличивающими давление внутри оболочки твэла на 80 атмосфератм в конце кампании в горячем состоянии (давление теплоносителя в активной зоне 160 атм). После охлаждения парциальное давление газообразных продуктов деления в оболочке твэла составляет около 20 атм.
 
Для загрузки в реактор твэлы объединяются в так называемые [[тепловыделяющая сборка|тепловыделяющие сборки]] (ТВС), которые в случае твёрдого [[Замедлитель|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&nbsp; МВт&nbsp;·сут/кг, а время работы составляет до 3-43—4 лет. В современных ВВЭР выгорание топлива твэлов достигает более 65 МВт·сут/кгUкг U за 6-летнюю (по примерно 320 сутоксут.) [[кампанияКампания ядерного реактора|кампанию]].
 
Использованные твэлы подвергаются переработке с целью извлечения неиспользованного в данной кампании или вновь накопленного ядерного топлива.
Строка 64:
* [[Облучённое ядерное топливо]]
* [[Пьюрекс-процесс]]
 
== Ссылки ==
* [http://www.tvel.ru/ Корпорация «ТВЭЛ»]
 
Источник — https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловыделяющий_элемент