Тепловыделяющий элемент
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Тепловыделя́ющий элеме́нт (ТВЭЛ) — главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В ТВЭЛах происходит деление тяжелых ядер 235U, 239Pu или 233U, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. ТВЭЛы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. Тип ТВЭЛа определяется типом и назначением реактора, параметрами теплоносителя. ТВЭЛ должен обеспечить надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю.
В большинстве современных промышленных реакторов (ВВЭР, РБМК), ТВЭЛ представляет собой стержень диаметром около 2-х сантиметров и длиной несколько метров.
Содержание |
[править] Устройство
1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида урана; 3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.
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).
1 — дистанцирующая арматура;
2 — оболочка ТВЭЛа;
3 — таблетки диоксида урана.
[править] 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 окислы 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 двуокиси 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 плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.
[править] Оболочка
Хорошая герметизация оболочки ТВЭЛов необходима для исключения попадания продуктов деления топлива в теплоноситель, что может повлечь распространение радиоактивных элементов за пределы активной зоны. Также, в связи с тем, что уран, плутоний и их соединения крайне химически активны, их химическая реакция с водой может повлечь деформацию ТВЭЛа и другие неприятные 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 Al используются в реакторах с температурой активной зоны < 250—270°С, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400°С, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой >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 в оболочку ТВЭЛа вместе с сердечниками заполняют газом, который хорошо проводит тепло, чаще всего для этих целей используют гелий.
[править] Конструктивное исполнение
Наибольшее распространение получили цилиндрические ТВЭЛы, в которых сердечники представляют собой цилиндры диаметром несколько сантиметров и длиной до нескольких метров, внутри которых размещаются таблетки топлива, реже также применяются трубчатые и пластинчатые сердечники.
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 и направляют его поток.
[править] Характеристики
Основной параметр ТВЭЛа — глубина выгорания топлива, которая в энергетических реакторах достигает 40 МВт сут/кг, а время работы составляет до трёх лет.
Использованные ТВЭЛы подвергаются переработке с целью извлечения неиспользованного в данной кампании или вновь накопленного ядерного топлива.
