RU1669308C - Rod-type fuel element - Google Patents

Abstract

FIELD: nuclear technology. SUBSTANCE: each face of fuel pellets has outer edges and conical protrusions with flat pads. Central parts of specified pads have conical, hemispheric or flat recession pads. As design version presence of through axial hole is envisaged. Geometrical parameters of pellet have following proportions: h_c.p= (0.005-0.009) H; H= 0.25-2.0 D; h_r= (1.1-2.5)x((h_o.e+h_c.p)), where H and D are correspondingly height and diameter of pellet; h_c.p, h_r and h_c.p are correspondingly heights of conical protrusions, recessions and outer edges. EFFECT: enhanced reliability of fuel element thanks to improved quality of pellets because of strengthening of their faces, reduced heat deformation of pellets and their thermal and mechanical interaction with shell. 5 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной энергетике, например к твэлам энергетических реакторов, и может применяться в химической промышленности, приборостроении и других отраслях народного хозяйства в устройствах, содержащих одну или несколько таблеток, помещенных внутрь элементов цилиндрической формы с различной толщиной стенок. Такие таблетки изготавливают из смеси порошка с пластификатором и другими добавками методом прессования, сушки при температуре до 1000^оС, в необходимых случаях спекания при температурах свыше 1000^оС, шлифования в размер по наружному диаметру для получения требуемых зазоров между таблеткой и стенками цилиндрических элементов.The invention relates to nuclear energy, for example, to fuel elements of energy reactors, and can be used in the chemical industry, instrumentation and other sectors of the economy in devices containing one or more tablets placed inside elements of a cylindrical shape with different wall thicknesses. Such tablets made from a powder mixture with a plasticizer and other additives by pressing, drying at temperatures up to 1000 ^{° C,} as appropriate sintering at temperatures above 1000 ^{° C,} grinding in size from the outside diameter to produce the required clearances between the tablet and the walls of cylindrical elements.

К элементам цилиндрической формы относятся и твэлы энергетических реакторов. В процессе эксплуатации твэлы работают в сложных условиях термомеханического взаимодействия оболочки с таблетками, обpазующими топливный столб. Это взаимодействие является следствием различных коэффициентов термического расширения материала таблеток и оболочки, эффекта "доспекания" таблеток в начале работы твэла, радиационного эффекта, приводящего к распуханию топлива при значительных выгораниях, начиная в оболочке крошки таблеток, возможного заклинивания таблеток в оболочке, зависит от конструкции таблеток и оказывает существенное влияние на работоспособность твэлов. При этом работоспособность твэлов тем выше, чем меньше термомеханическое взаимодействие таблеток с оболочкой. Elements of a cylindrical shape include fuel elements of energy reactors. During operation, fuel rods operate under difficult conditions of thermomechanical interaction of the cladding with tablets forming the fuel column. This interaction is a consequence of various coefficients of thermal expansion of the material of the tablets and the shell, the effect of “caking” of the tablets at the beginning of the operation of the fuel rod, the radiation effect, which leads to swelling of the fuel during significant burn-ups, starting in the shell of the crumb of tablets, possible jamming of the tablets in the shell, depends on the design of the tablets and has a significant impact on the performance of fuel rods. At the same time, the efficiency of fuel rods is higher, the smaller the thermomechanical interaction of the tablets with the shell.

Согласно заявкам N 1244632 от 19.09.60 (Франция), N 3148136 от 29.07.82 (ФРГ), N 3192621 от 06.07.65 (США), N 1185957 от 02.07.90 (ФРГ) и N 2754196 от 15.06.78 (ФРГ) конструкция таблеток направлена на увеличение их подвижности и прочности торцов, уменьшение тепловых деформаций, осевых усилий сдвига топливного столба внутри оболочки и нагрузки на оболочку твэлов. According to applications N 1244632 from 09.19.60 (France), N 3148136 from 07.29.82 (Germany), N 3192621 from 07.07.65 (USA), N 1185957 from 02.07.90 (Germany) and N 2754196 from 15.06.78 (Germany) ) the design of the tablets is aimed at increasing their mobility and strength of the ends, reducing thermal deformations, axial forces of the shift of the fuel column inside the shell and the load on the cladding of the fuel rods.

Наиболее близкой заявляемому решению по технической сущности является заявка N 2754196. Согласно ей таблетка содержит центрально расположенное отверстие, наружные фаски у каждого торца, выступ конической формы с плоской кольцевой площадкой на одном торце, равной 0,01-0,2 высоты таблетки, плоскую площадку выступа с площадью, равной 0,0004-0,5 площади поперечного сечения таблетки, углубление конической формы на другом торце высотой меньше высоты выступа. The closest to the claimed solution by technical nature is application N 2754196. According to it, the tablet contains a centrally located hole, external chamfers at each end, a protrusion of a conical shape with a flat annular area on one end equal to 0.01-0.2 tablet heights, a flat area protrusions with an area equal to 0.0004-0.5 of the cross-sectional area of the tablet, a conical depression on the other end with a height less than the height of the protrusion.

Такая конструкция не является оптимальной для формирования однородной структуры таблетки и ее околоторцевых частей в процессе прессования, сушки и спекания, приводит к неравномерной пористости таблетки и ее околоторцовых частей, уменьшению механической прочности торцов, к различным по объему таблетки тепловым деформациям ее формы. This design is not optimal for the formation of a homogeneous structure of the tablet and its near-face parts during pressing, drying and sintering, leads to uneven porosity of the tablet and its near-face parts, a decrease in the mechanical strength of the ends, and thermal deformations of its shape that are different in volume of the tablet.

Целью изобретения является повышение качества таблеток путем увеличения прочности торцов, равномерности структуры по объему, уменьшения тепловых деформаций таблеток за счет специфического распределения напряжений в таблетке и ее торцах вследствие создания на торце пуансона центрально расположенного выступа высотой больше суммарной высоты выступа и наружной фаски таблетки, а также воздушного амортизатора - объема воздуха в торцовой части материала таблетки, замкнутого формующей частью пуансона. The aim of the invention is to improve the quality of tablets by increasing the strength of the ends, the uniformity of the structure throughout the volume, reducing the thermal deformation of the tablets due to the specific distribution of stresses in the tablet and its ends due to the creation of a centrally located protrusion at the end of the punch that is higher than the total height of the protrusion and the external facet of the tablet, air shock absorber - the volume of air in the end part of the tablet material closed by the forming part of the punch.

Цель достигается тем, что на таблетке для столба стержневого типа, спрессованной из порошка с различной формовочной прочностью и имеющей на торцах наружные фаски, конусные с плоскими площадками выступы и углубления, центрально расположенные отверстия и без него, на каждом торце конусные с плоскими площадками выступы выполнены высотой h_B = (0,005-0,009) Н, где Н - высота таблетки, равная 0,25-2,0 диаметром таблетки, а конусные в виде полусфер или с плоскими площадками углубления выполнены высотой h_y = (1,1-2,5) (h_н.ф. + h_В), где h_н.ф. - высота наружной фаски.The goal is achieved by the fact that on a tablet for a rod-type pillar, pressed from powder with different molding strength and having external bevels on the ends, protrusions and recesses conical with flat areas, centrally located openings and without it, protrusions conical with flat areas are made on each end height h _B = (0.005-0.009) N, where N is the height of the tablet, equal to 0.25-2.0 diameter of the tablet, and conical in the form of hemispheres or with flat platforms of the recess are made of height h _y = (1.1-2, 5) (h _N.F. + h _B ), where h _N.F. - the height of the outer chamfer.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемая таблетка отличается от известной соотношением величин выступов и углублений с высотой и диаметром таблетки и с высотой наружной фаски. A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed tablet differs from the known ratio of the protrusions and recesses with the height and diameter of the tablet and with the height of the outer chamfer.

Анализ известных технических решений (аналогов) позволяет сделать вывод, что предложенные отличительные признаки проявляют новые качества: повышаются прочность торцов таблеток и равномерность микроструктуры (распределение пор по объему таблеток), вследствие чего выравнивается теплопроводность различных зон таблеток, уменьшаются скалываемость таблеток и количество крошки в твэле, "доспекаемость" таблеток (изменение их размеров при повторной термической обработке), термические напряжения, тепловые деформации и стабилизируются их размеры в процессе работы в реакторе. An analysis of the known technical solutions (analogues) allows us to conclude that the proposed distinguishing features exhibit new qualities: the strength of the ends of the tablets and the uniformity of the microstructure (the distribution of pores in the volume of tablets) increase, as a result of which the thermal conductivity of the different zones of the tablets is leveled, the chipability of the tablets and the amount of crumbs in the fuel rod are reduced , "caking" of the tablets (changing their size during repeated heat treatment), thermal stresses, thermal deformations and stabilize them once sphere in the course of work in the reactor.

Вышеперечисленные новые качества таблеток в процессе эксплуатации твэлов позволяют уменьшить нагрузку на оболочку, усилие сдвига топливного столба внутри оболочки и растяжение оболочки и тем самым повысить эксплуатационную надежность и работоспособность твэлов в целом. The above-mentioned new qualities of tablets during the operation of fuel rods can reduce the load on the cladding, the shear force of the fuel column inside the cladding and the tension of the cladding, and thereby increase the operational reliability and performance of the fuel rods as a whole.

На фиг. 1 таблетка выполнена в виде цилиндра 1 с центрально расположенным отверстием 2, на торцах которого выполнены конусные выступы 3, конусные углубления 4 с плоскими площадками и фаски 5. In FIG. 1 tablet is made in the form of a cylinder 1 with a centrally located hole 2, at the ends of which conical protrusions 3, conical recesses 4 with flat platforms and chamfers 5 are made.

На фиг. 2 таблетка выполнена в виде цилиндра 1, на торцах которого выполнены конусные выступы 2, конусные с плоскими площадками углубления 3 и фаски 4. In FIG. 2, the tablet is made in the form of a cylinder 1, at the ends of which conical protrusions 2 are made, conical with flat areas of the recess 3 and the chamfer 4.

На фиг. 3 таблетка выполнена в виде цилиндра 1 с центрально расположенным отверстием 2, на торцах которого выполнены конусные выступы 3, конусные, в нижней части в виде полусфер, углубления 4 и фаски 5. In FIG. 3, the tablet is made in the form of a cylinder 1 with a centrally located hole 2, on the ends of which there are conical protrusions 3, conical, in the lower part in the form of hemispheres, recesses 4 and chamfers 5.

На фиг. 4 таблетка выполнена в виде цилиндра 1, на торцах которого выполнены конусные выступы 2, конусные, в нижней части в виде полусфер, углубления 3 и фаски 4. In FIG. 4, the tablet is made in the form of a cylinder 1, at the ends of which there are conical protrusions 2, conical, in the lower part in the form of hemispheres, recesses 3 and chamfers 4.

На фиг. 5 представлены результаты исследований скалываемости таблеток. In FIG. 5 presents the results of studies of tablet spallability.

Изготовление таблеток осуществляется способом керамической технологии из порошка делящегося ядерного материала по единой технологической схеме с применением для формования таблеток роторных прессов с пуансонами, торцы которых выполнены согласно изобретению и прототипу. Необходимые размеры торцов таблеток и пуансонов определены опытным путем в зависимости от соотношения величин выступов и углублений с высотой и диаметром таблеток и с высотой наружной фаски. The manufacture of tablets is carried out by the method of ceramic technology from a powder of fissile nuclear material according to a single technological scheme using rotary presses with punches for molding tablets, the ends of which are made according to the invention and prototype. The required sizes of the ends of the tablets and punches are determined empirically, depending on the ratio of the values of the protrusions and recesses with the height and diameter of the tablets and with the height of the outer chamfer.

Как известно, в процессе прессования в пресс-форму вместе с порошком поступает ≈ 70% объема воздуха, из которого лишь половина вытесняется в момент прессования, а вторая половина остается в порах спрессованной таблетки. При этом равномерность и направление вытеснения воздуха оказывает влияние на такие свойства таблеток, как равномерность распределения пор по объему таблеток, отслоение торцов в момент прессования, спекания и шлифования, неравномерная усадка (включая и распухание) таблеток при их спекании и повторной термической обработке - "доспекании", имитирующем поведение таблеток в процессе их работы в реакторе, уровень термических напряжений, характер тепловых деформаций и взаимодействия с оболочкой в процессе работы в реакторе. As is known, during the pressing process, ≈ 70% of the air volume enters the mold together with the powder, from which only half is displaced at the time of pressing, and the other half remains in the pores of the compressed tablet. Moreover, the uniformity and direction of air displacement affects the properties of tablets, such as the uniform distribution of pores in the volume of tablets, delamination of the ends at the time of pressing, sintering and grinding, uneven shrinkage (including swelling) of the tablets during sintering and repeated heat treatment - "sintering ", simulating the behavior of tablets during their operation in the reactor, the level of thermal stresses, the nature of thermal deformation and interaction with the shell during operation in the reactor.

В предложенной конструкции замкнутый в торце воздух в момент прессования приобретает свойства характерного пневмоамортизатора и способствует формированию пор более правильной формы, равномерно расположенных по объему таблеток, за счет противодавления и более равномерного распределения воздуха от торца к средней части таблеток. Конусообразная кольцевая форма торцов способствует в конце процесса формования оттеснению и равномерному замыканию остатков воздуха в глубинных слоях таблеток. Кроме того, предложенная форма торцовой части пуансонов способствует реализации в таблетке специфического равномерного распределения напряжений, повышающего механические свойства таблеток (прочность, скалываемость и др. ). In the proposed design, the air closed in the end face at the time of pressing acquires the properties of a characteristic pneumatic shock absorber and promotes the formation of pores of a more regular shape, evenly spaced throughout the volume of tablets, due to counter-pressure and more uniform distribution of air from the end to the middle part of the tablets. The conical annular shape of the ends contributes to the displacement and uniform closure of air residues in the deeper layers of the tablets at the end of the molding process. In addition, the proposed shape of the end portion of the punches contributes to the implementation in the tablet of a specific uniform stress distribution that increases the mechanical properties of the tablets (strength, spallability, etc.).

По результатам испытаний наивысшее качество таблеток было достигнуто при их следующих размерах (после спекания): высота Н = 12-18 мм; диаметр D = 7,63-12,1 мм; высота фаски h_н.ф. = 0,3-0,4 мм; высота конического выступа h_В = 0,1-0,15 мм; высота углубления h_у = 0,7-1,5 мм; диаметр внутреннего отверстия d = 1,8-2,2 мм. Данные размеры таблеток следует считать оптимальными.According to the test results, the highest quality of the tablets was achieved with their following sizes (after sintering): height H = 12-18 mm; diameter D = 7.63-12.1 mm; chamfer height h _N.F. = 0.3-0.4 mm; the height of the conical protrusion h _In = 0.1 to 0.15 mm; the height of the recess h _y = 0.7-1.5 mm; the diameter of the inner hole d = 1.8-2.2 mm. These tablet sizes should be considered optimal.

В спеченных таблетках заявленной формы наивысшая пористость не превышает 4% и равномерно, в отличие от прототипа, распределена по объему таблеток. Кроме того, в процессе изготовления опытных партий таблеток предложенной формы и после их извлечения из оболочек при расснаряжении бракованных таблеток обнаружено не было. In sintered tablets of the claimed form, the highest porosity does not exceed 4% and evenly, in contrast to the prototype, is distributed over the volume of tablets. In addition, in the process of manufacturing experimental batches of tablets of the proposed form and after their removal from the shells during the discharging of defective tablets were not found.

При значениях геометрических параметров выступов и впадин таблеток, как больших, так и меньших оптимальных, качество таблеток снижается. With the values of the geometric parameters of the protrusions and depressions of the tablets, both large and lower than optimal, the quality of the tablets decreases.

Таким образом, по сравнению с используемыми в настоящее время конструкциями предложенная конструкция позволяет увеличить выход годных на операциях прессования, спекания, шлифования, извлечения годных таблеток из бракованных твэлов и тем самым сократить расходы на стадии производства таблеток и твэлов. (56) Заявка ФРГ N 3148136, кл. G 21 C 3/58, 1982. Thus, in comparison with the structures currently used, the proposed design allows to increase the yield on pressing, sintering, grinding, removing suitable tablets from defective fuel rods and thereby reduce costs at the stage of production of tablets and fuel rods. (56) Application of Germany N 3148136, CL G 21 C 3/58, 1982.

Заявка Великобритании N 1287250, кл. G 21 C 3/16, 1969. UK application N 1287250, CL G 21 C 3/16, 1969.

Заявка ФРГ N 2754196, кл. G 21 C 3/16, 1978. The application of Germany N 2754196, CL G 21 C 3/16, 1978.

Claims (1)

ТВЭЛ СТЕРЖНЕВОГО ТИПА ядерного реактора с цилиндрической трубчатой оболочкой, содержащий керамические топливные таблетки с наружными фасками и конусными с плоскими площадками выступами, имеющими углубления, с центрально расположенными отверстиями или без них, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем улучшения качества таблеток за счет увеличения прочности их торцов, а также уменьшения термических деформаций таблеток и их термомеханического взаимодействия с оболочкой, конусные с плоскими площадками выступы выполнены высотой h_в = (0,005 - 0,009)H, где H - высота таблетки, равная 0,25 - 2,0 ее диаметра, а конусные в виде полусфер или с плоскими площадками углубления выполнены высотой h_у = (1,1 - 2,5) (h_н.ф. + h_в), где h_н.ф - высота наружной фаски.A fuel rod of a rod type of a nuclear reactor with a cylindrical tubular shell, containing ceramic fuel pellets with external chamfers and conical projections with flat pads having recesses, with or without centrally located holes, characterized in that, in order to increase reliability by improving the quality of the tablets due to increasing the strength of their ends, as well as reducing thermal deformations of the tablets and their thermomechanical interaction with the shell, conical protrusions with flat areas _a height h = (0,005 - 0,009) H, where H - the height of the tablet, which is equal to 0.25 - 2.0 of the diameter, and tapered in the form of hemispherical depressions or flat pads are made _at a height of h = (1.1 - 2, 5) (h _N.F. + h _in ), where h _N.F. is the height of the outer chamfer.

Images