Yakıt elemanı bir yakıt elemanıdır. nükleer reaktör. Yakıt kaplama malzemeleri Bir nükleer reaktördeki yakıt elemanları nelerdir?

Dersin amacı: Step elemanları ve yakıt tertibatlarına aşinalık

Konuyla ilgili sorular:

VVER için 1 TVEL ve FA

RBMK için 2 TVEL

Hızlı nötron reaktörü için 3 yakıt grubu, BN600

Yakıt çubukları için 4 Mikroküre

Bir nükleer güç reaktörünün çekirdeğinin ana bileşeni, yakıt gruplarına (FA) monte edilmiş ve belirli miktarda katı nükleer yakıt içeren yakıt çubuklarıdır. Şimdi, nükleer bileşimlerin iyileştirilmesiyle birlikte, üretim teknolojileri, sinterleme, kaynak, kimyasal ve mekanik işleme kullanılarak yakıt elemanlarının ve yakıt peletlerinin tasarımı geliştirilmektedir. Bütün bunlar nükleer yakıtın operasyonel özelliklerini iyileştirir, güvenilirliğini ve güvenliğini arttırır.

Bir yakıt elemanı, nükleer yakıt barındıran bir nükleer reaktörün yapısal bir elemanıdır. Yakıt çubukları bir nükleer reaktörün çekirdeğine kurulur ve termal enerjinin ana kısmının üretilmesini ve soğutucuya aktarılmasını sağlar. Nükleer fisyon sırasında reaktörde açığa çıkan tüm enerjinin %90'ından fazlası yakıt çubuklarının içinde salınır ve yakıt çubuklarının etrafında akan soğutucu tarafından uzaklaştırılır. Yakıt çubukları çok zor koşullarda çalışır: yakıt çubuğundan soğutucuya giden ısı akışının yoğunluğu 1-2 MW / m2'ye ulaşır ve sıcaklık 3200 dereceye kadar dalgalanır. Işınlama sırasında yakıt elemanlarının davranışını analiz etme açısından en önemli fenomen, yakıtın şişmesi ve gaz fisyon ürünlerinin salınması, iç basınçtaki değişiklikler vb.

Yakıt hücresi genellikle bir yakıt çekirdeğidir.

hermetik olarak kapatılmış muhafaza. Kaplama, fisyon ürünlerinin sızmasını ve yakıtın soğutucu ile etkileşimini önler. Kaplama malzemesi nötronları zayıf bir şekilde emmeli ve kabul edilebilir mekanik, hidrolik ve ısı iletme özelliklerine sahip olmalıdır. Yakıt çubukları, kullanılan yakıtın doğasına, yakıt çubuğunun şekline, yakıt kaplama kontağının doğasına ve nükleer reaktör tipine göre sınıflandırılır.

Yakıt çubuğunun şekli ve geometrik boyutları, reaktör tipine ve üretim teknolojisine bağlıdır. Bir yakıt çubuğunun en yaygın şekli, metal bir kılıf içine alınmış uzun silindirik bir yakıt çubuğudur. Bazı reaktörler, plakalar (araştırma reaktörleri), küreler (yüksek sıcaklıklı gaz-grafit reaktörleri) veya diğer konfigürasyonlar şeklinde yakıt çubukları kullanır. Yakıt çubuklarının enine kesitlerinin bazı varyantları ve bunların reaktör çekirdeğindeki karşılıklı düzenlemeleri Şekil 2'de gösterilmektedir. Montajlardaki yakıt çubuklarının düzenlenmesi, ara parçalar kullanılarak gerçekleştirilir. Bir yakıt tertibatı, nükleer yakıtın yüklenmesine ve boşaltılmasına izin veren reaktör çekirdeğinin yapısal bir elemanıdır.

Yakıt ve kaplamanın doğası gereği, aşağıdakiler ayırt edilir: yakıt ve kaplamanın metalik olduğu yakıt çubukları, seramik yakıt ve metal kaplamadan oluşan yakıt çubukları ve aşağıdakilere dahil olan pirokarbon filmlerle kaplanmış tamamen seramik yakıt çubukları. bir grafit matrisi. Yakıt çubukları yalnızca yakıtın doğası ile ayırt edilir: metalik yakıtın zayıf alaşımlı olduğu metal yakıt çubukları, seyreltici katkı maddeleri içermeyen seramik yakıtlı seramik yakıt çubukları, yakıtın yüksek oranda seyreltilmiş bir alaşım veya tamamen seramik olduğu dispersiyon yakıt çubukları. birim hacim başına düşük yakıt içeriği. TVEL'in şekline göre plaka benzeri olanlar ayırt edilir; katı silindirik, tel, çubuk, tablet, tek halkalı ve çok halkalı, boru şeklinde; top; katmanlı; monoblok delikli. “Yakıt kaplama” temasının gerçekleştirilme yöntemine göre, aşağıdakiler ayırt edilir: mekanik temaslı yakıt çubukları; Metalurjik temaslı yakıt çubukları; Ara katmana sahip yakıt çubukları. Isı transfer yüzeyini arttırmak için çeşitli kanatçık türleri kullanılabilir: uzunlamasına; enine; düz nervürlü ve spiral bölmeli uzunlamasına; sarmal; şerit.

Yakıt elemanları genellikle alüminyum, zirkonyum veya paslanmaz çelik borularda sinterlenmiş uranyum oksit peletleridir; zirkonyum, molibden ve alüminyum ile uranyum alaşımlarının zirkonyum veya alüminyum ile kaplanmış tabletleri (alüminyum alaşımı durumunda); geçirimsiz grafit ile kaplanmış dağılmış uranyum karbürlü grafit tabletler.

Şekil 2 Yakıt çubukları bölümünün çeşitleri ve aralıkları.

Basınçlı su reaktörleri için en çok paslanmaz çelik borulardaki uranyum oksit peletleri tercih edilir. Uranyum dioksit suyla reaksiyona girmez, radyasyona karşı oldukça dirençlidir ve yüksek bir erime noktasına sahiptir. Grafit yakıt hücreleri, yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörler için uygundur, ancak ciddi bir dezavantajı vardır - difüzyon veya grafitteki kusurlar nedeniyle gaz halinde fisyon ürünleri kabuklarından geçebilir. Organik soğutucular, zirkonyum yakıt elemanlarıyla uyumlu değildir ve bu nedenle alüminyum alaşımlarının kullanılmasını gerektirir. Organik soğutuculara sahip reaktörler için beklentiler, soğutucuya ısı transferini artıran kanatçıkların kullanımı için gerekli (çalışma sıcaklıklarında) ve termal iletkenliğe sahip olacak alüminyum alaşımlarının veya toz metalurjisi ürünlerinin oluşturulup oluşturulmamasına bağlıdır. Termal iletkenlik nedeniyle yakıt ve organik ısı taşıyıcı arasındaki ısı transferi küçük olduğundan, ısı transferini arttırmak için yüzey kaynatma kullanılması tercih edilir. Yüzey kaynaması ile ilgili yeni problemler olacaktır, ancak organik ısı transfer akışkanlarının kullanılması faydalı ise bunlar çözülmelidir.

Tozlara ve granüllere ek olarak, yakın zamanda yeni bir mikro küre

granül seramik yakıt (granül çapı - birkaç mikron),

Sermet bileşimine sahip geniş bir dağılmış yakıt çubukları sınıfı, grafit matrisine dayalı yakıt çubukları, yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı nükleer reaktörlerde kullanılan çeşitli kaplama tiplerine sahip mikro yakıt çubuklarının yanı sıra vibro üretimi için kullanılır. - sıkıştırılmış yakıt çubukları. Görünüşe göre bu yakıt, bir gaz türbini modüler reaktöründe kullanılacak.

Bir termal reaktörde, yakıt çubukları, boş alanı olan bir kafes oluşturur.

geciktirici ile doldurulur.

Yakıtın ve kaplamanın doğası gereği, yakıtın ve kaplamanın metalik olduğu yakıt çubukları ayırt edilir; Seramik yakıt ve metal kaplamadan oluşan yakıt çubukları; bir grafit matris içine gömülü, pirokarbon filmlerle kaplı tam seramik yakıt çubukları. Metal yakıt çubukları, yalnızca metal yakıtın hafif katkılı olduğu yakıtın doğası ile ayırt edilir; seyreltici içermeyen seramik yakıtlı seramik yakıt çubukları; Yakıtın yüksek oranda seyreltilmiş bir alaşım veya birim hacim başına düşük yakıt içeriğine sahip tam seramik olduğu dağınık yakıt çubukları. Yakıt çubukları aşağıdaki şekle sahiptir: katmanlı silindirik (blok; çubuk; tel, çubuk, tablet; tek ve çok halkalı; boru şeklinde); top; monoblok; Diğer formların TVEL'i. "Yakıt kaplama" temasının gerçekleştirilme yöntemine göre, mekanik temaslı yakıt çubukları ayırt edilir; Metalurjik temaslı yakıt çubukları; Ara katmana sahip yakıt çubukları

Heterojen reaktörlerin yakıt elemanları, nükleer yakıtın ve ortaya çıkan döküntülerin küçük bir kapalı alanda depolanmasını sağlar. Yakıt çubukları genellikle Th, U, Pu, alaşımları veya preslenmiş bir karışım - seramik veya sermetler - oksit, karbür vb. bir metal, oksit vb. matrisi ile Matris, bölünebilir izotopların belirli ısı yükleri açısından izin verilen konsantrasyonlara gerekli seyreltmesini sağlar. Heterojen nükleer yakıt, dıştan sızdırmaz bir alüminyum, zirkonyum veya paslanmaz çelik kabuk ile kapatılmıştır. Plakalar, tüpler, silindirler, çubuklar şeklindeki yakıt çubukları setleri genellikle nükleer reaktörlerin çalışma hücrelerine yerleştirilen tertibatlar halinde birleştirilir.

VVER için TVEL ve yakıt grupları

VVER tipi bir reaktörde, nükleer yakıt olarak sabit modda uranyum-235'te başlangıçtaki zenginleştirilmiş sinterlenmiş uranyum dioksit, ağırlıkça %2,4 ila 4,4 aralığında kullanılır. Reaktörün yakıtla tam yükü 75 tondur.

Altıgen yakıt düzenekleri (FA), zirkonyum alaşımından yapılmış bir kaplamada olan pelet şeklinde uranyum dioksit çekirdekli çubuk tipi yakıt elemanları (yakıt çubukları) içerir. Yakıt çubuğunun zirkonyum kaplamasının içinde (iç çap 9,1 mm, duvar kalınlığı 0,65 mm, kaplama malzemesi - alaşım Zr + %1 Nb) uranyum dioksitten yapılmış 7,53 mm çapında yakıt peletleri vardır. Bir yakıt elemanındaki UO2 yükünün ağırlığı 1565 g'dır.Garanti edilen hizmet ömrü 4 yıldır. VVER-1000 yakıt tertibatları, 12,76 mm aralıklı üçgen bir kafes üzerine yerleştirilmiş bir dizi yakıt çubuğudur (demet bir zirkonyum alaşımlı kaplama içine alınmıştır). Yakıt gruplarının bazı özellikleri Tablo 2'de verilmiştir. Buna karşılık, yakıt grupları da 147 mm (VVER-440) ve 241 mm (VVER-1000) adımlı üçgen bir kafese monte edilir.

Sekme. 2. VVER-1000 yakıt çubuklarının özellikleri

Yakıt tertibatının bir grup kontrol çubuğu ile yüksekliği 4665 mm'dir. Yakıt düzeneği 317 yakıt çubuğu, kontrol çubukları için 12 kılavuz kanalı, enerji salınımını ölçmek için bir sensör için bir kanal ve içi boş bir merkezi boru içerir. Yakıt tertibatının altıgen başının merkezinde, emme elemanları için 12 kılavuz kanalın ve enerji salınımını ölçmek için bir sensör için bir kanalın takıldığı silindirik bir burç vardır. Kasetteki yakıt kütlesi 455,5 kg'dır. Burç, yakıt grubu kafasının altı köşesine, düzeneği reaktöre sıkıştırmaya, sıcaklık genleşmelerini ve teknolojik toleransları telafi etmeye yarayan yay pimlerinin yerleştirildiği nervürlerle bağlanır. Yakıt tertibatından soğutma sıvısı çıkışı için pencereler, kafanın kenarları boyunca bulunur. Dikdörtgen şekle dayalı yakıt tertibatı tasarımlarının dünya analoglarının aksine, VVER-1000 yakıt tertibatları altıgen bir kesite ve bir yakıt çubuğu dağıtım alanına sahiptir. Bu tür bir yakıt elemanı saçılma şeması, soğutma sıvısı akışının yüksek bir homojenliğini ve daha uygun bir akış sağlar.

çekirdekteki su-uranyum oranı. Altıgen şekil, üretimde ve nükleer santrallerde nakliye ve teknolojik işlemler sırasında yakıt gruplarının güvenliğini garanti eder.

VVER reaktörlü nükleer santrallerin devreye alınmasından bu yana, yakıt gruplarının tasarımları önemli değişiklikler geçirdi. Tasarım ve operasyonun ilk aşamasında, yakıt tertibatları koruyucu bir kabuğa, yani örtüye sahipti, daha sonra delikli örtülü tertibatlar ortaya çıktı. Şu anda, VVER-1000 reaktörleri ile tasarlanan ve yapım aşamasında olan tüm NGS'lerde, kasasız yakıt tertibatları tercih edilmektedir. Kapaksız yakıt grupları, çekirdekteki soğutucunun karışmasını iyileştirir; bitişik arasındaki boşluğu azaltmak

Geminin aynı hacmine daha fazla sayıda yakıt düzeneği yerleştirmeyi mümkün kılan ve böylece reaktör gücünü artıran yakıt düzenekleri; yakıt çubuklarının yoğun bir şekilde paketlenmesinden kaynaklanan eşit olmayan enerji salınımını azaltmak; yakıt gruplarının hidrolik direncini azaltmak; acil soğutma sisteminden enine su akışı nedeniyle bir soğutucu sızıntısı ile ilişkili acil durum modlarında soğutmanın güvenilirliğini artırmak; düzeneğin yük taşıyıcı çerçevesinin mukavemet özelliklerini artırmak ve koruma kontrol sisteminin tahrik sayısını azaltmak için yakıt düzeneği başına ayarlanabilir çubuk sayısını artırmak; yakıt tertibatlarında kullanılan pahalı malzeme (zirkonyum) miktarını azaltın.

RBMK için TVEL

Uranyum dioksit 235U, RBMK reaktörlerinde yakıt olarak kullanılır. Reaktörün boyutunu küçültmek için, zenginleştirme tesislerinde yakıttaki 235U içeriği önceden %2,0 veya %2,4'e yükseltilir. Reaktöre uranyum - 200 ton yüklenmiştir. Ortalama yakıt tüketimi 22,3 MWd / kg.

TVEL, 3,5 m yüksekliğinde ve 0,9 mm duvar kalınlığında, 15 mm yüksekliğinde kapalı uranyum dioksit tabletleri olan bir zirkonyum tüptür. Her biri 18 yakıt çubuğu içeren seri bağlı iki yakıt grubu, uzunluğu 7 m olan bir yakıt kartuşu oluşturur.Yakıt kartuşu teknolojik kanala monte edilir. Reaktördeki teknolojik kanal sayısı 1661'dir. Alttan kanallara su verilir, yakıt çubuklarını yıkayıp ısınır ve bir kısmı buhara dönüşür. Oluşan buhar-su karışımı kanalın üst kısmından boşaltılır.

Reaktör kontrolü, reaktör boyunca eşit olarak dağıtılır

bir nötron emici eleman içeren çubuklar - bor. Çubuklar hareket eder

tasarımı teknolojik olanlara benzeyen özel kanallarda bireysel servo sürücüler. Çubuklar, 40 - 70 ° C sıcaklıkta kendi su soğutma devresine sahiptir. Çeşitli tasarımlarda çubukların kullanılması, reaktörün tüm hacmi boyunca enerji salınımını düzenlemeyi ve gerekirse hızlı bir şekilde kapatmayı mümkün kılar.

Hızlı nötron reaktörü için yakıt tertibatları, BN600

BN-600, sodyum soğutmalı hızlı bir reaktördür. Elektrik

güç 600 MW. Yakıt gruplarından oluşan tasarım çekirdeği

%21 ve %33'lük 235U zenginleştirme ile 1980'den 1986'ya kadar çalıştırıldı. İçinde elde edilen maksimum yakıt yanması, ağır atomların %7'siydi, yani. Önümüzdeki iki yıl boyunca, yakıt çubuklarındaki belirli termal yükleri azaltmak için üç zenginleştirme seçeneğiyle (235U'da %17, %21 ve %26) çekirdeğe geçiş yapıldı. Maksimum yakıt yanması %8.3 h.a'ya yükseltildi. Bir sonraki modernizasyon 1991-1993 yıllarında gerçekleştirildi. Endüstrideki radyasyona en dayanıklı ve iyi gelişmiş yapı malzemelerinin kullanımına dayanıyordu. Bundan sonra, %10 h.a'lık bir yakıt yanması elde etmek mümkün oldu.

Çekirdek ve üreme bölgesi, anahtar teslimi boyutları 96 mm olan kaset tipi altıgen yakıt tertibatlarından monte edilir. Yakıt tertibatı, yakıt çubukları, bir mahfaza, aşırı yükler sırasında yakıt tertibatlarını kavramak için bir başlık ve yakıt tertibatının basınç başlığı yuvasına monte edildiği ve dikey olarak desteklendiği bir astardan oluşur. Yakıt çubukları, tespit elemanları ile birbirine bağlıdır ve yakıt gruplarının tüm parçalarını tek bir bütün halinde birleştiren bir kapakla çevrelenmiştir. Yakıt çubukları, çekirdeğin uzunluğu boyunca zenginleştirilmiş uranyum oksit (veya bir uranyum oksit karışımı) ve plütonyum oksitten yapılmış burçlarla doldurulur ve çekirdeğin üstünde ve altında "atık" uranyum oksit briketlerinden yapılmış uç ekranlar vardır. Üreme bölgesinin yakıt çubukları da "atık" uranyumdan briketlerle doldurulur. Reaktördeki sodyum seviyesinin üzerindeki gaz boşlukları argon ile doldurulur.

Yakıt çubukları için mikro küreler

Şu anda, mikroküresel granül malzemeler çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Çeşitli yakıt elemanlarının yakıt bileşeni olarak mikroküresel seramik malzemelerin kullanımı büyük ilgi görmektedir. Son zamanlarda, granüler seramik nükleer yakıt, sermet bileşimine sahip geniş bir dağılmış yakıt çubukları sınıfının, bir grafit matrisine dayalı yakıt çubuklarının, yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı reaktörlerde kullanılan çeşitli kaplama tiplerine sahip mikro yakıt çubuklarının üretimi için kullanılmıştır. , yanı sıra vibro-sıkıştırılmış çubuk yakıt çubukları. Granül mikro küre yakıt kullanmanın başlıca avantajları:

a) aktinitlerden geri dönüştürülebilir yakıtın hazırlanması için otomatik bir uzaktan kumandalı teknolojik süreç oluşturma olasılığı;

b) geleneksel olarak kullanılanlara kıyasla toz oluşturan işlemlerin olmaması

toz teknolojisi;

c) Titreşim sıkıştırma süresini en aza indiren teknolojik sürecin tüm aşamalarında malzemenin tozlardan daha uygun bir şekli;

d) mikroküreler dikkatli bir şekilde birkaç mikrondan 2 ... 3 mm'ye kadar yapılabilir.

jel elde etme aşamasında onları kontrol edin;

e) kusurlu standart altı mikroküresel parçacıklar işlemin başına döndürülebilir;

f) karışık aktinit oksitlerin mikroküreleri, tabletlerin sinterleme sıcaklığından 200 °C daha düşük bir sıcaklıkta yüksek bir yoğunluğa (teorik yoğunluğun %95'inden fazlası) sinterlenebilir;

g) Ek teknolojik avantajlar yaratan, yüksek mekanik dayanıma sahip %10'dan %30'a kadar gözenekli mikro küreler elde etme ve kontrol etme imkanı.

İlk teknolojik şemalar, toz metalurjisi yöntemlerine dayanıyordu. Mikroküresel seramik yakıt üretmek için bu yöntemlerin ayırt edici bir özelliği, başlangıç ​​malzemesi olarak bir nükleer yakıt tozunun kullanılmasıdır.

bileşimi nihai ürüne karşılık gelir. Son on yılda,

İlk ürünler olarak bölünebilir ve verimli malzemelerin tuzlarının sulu çözeltilerinin kullanıldığı mikroküresel yakıt üretimi için yöntemler geliştirilmektedir. Mikroküresel seramik yakıt elde etmek için "su" yöntemlerinden biri sol-jel işlemidir.

Sol-jel işlemi, aktinit jelleşmesi için birkaç seçeneğe sahiptir:

1) Jellerin biriktirilmesi - işlem, alkali bir ortamda katılaşan bileşenlerin eşit olarak dağıldığı bir çalışma çözeltisinde bir aktinit jeli oluşumuna dayanır. Yöntem ayrıca kütle transferi ile karakterize edilir.

2) Dış jelleşme - arayüz boyunca kütle transferi ile karakterize edilir (küresel alkali ortam - çökeltici bileşenler içeren amonyak çözeltisi gazı). Doğrudan harici jelleşme ve ters harici jelleşme arasında bir ayrım yapılır.

3) Dahili jelleşme - çalışma çözeltisinin, küresel bir ortamda yüksek sıcaklıklarda ayrışan jelleştirici katkı maddeleri (amonyak donörleri) içermesi gerçeğine dayanır. Prosesin karakteristik bir özelliği, faz arayüzü boyunca kütle transferinin olmamasıdır.

Dış ve iç jelleşme sürecinde, suda çözünmeyen veya az çözünür olan organik sıvılar bir dispersiyon ortamı olarak kullanılır.

Sol-jel süreci ile birlikte yakıt çekirdekleri yapmak için toz yöntemleri, yüksek sıcaklık helyum reaktörleri için yakıt hücreleri teknolojisinde yaygın olarak geliştirilmiştir. Plastikleştirilmiş kütlelerden ürün üretmenin en yaygın kullanılan yöntemi. Bu yöntemin bir varyasyonu, yakıt mikro küreleri teknolojisinin geliştirilmesi için temel olarak seçilen boyutlu yakıt boşluklarının mekanik küreselleştirme yöntemidir. Yöntem, plastikleştirilmiş kütlelerden mükemmel mikro kürelere yakıt boşluklarının yuvarlanmasından oluşur.

Nükleer enerji bugün tamamen güvenli olmasa da, dünya çapında kapatılmaktan daha fazla reaktör ve enerji santrali inşa ediliyor. Böylece, Amerika Birleşik Devletleri'nde, Fransa'da (gezegendeki en büyük ikinci nükleer atom) çalışan reaktörlerin sayısı yüzü aştı - yaklaşık 60 ve ülkede üretilen elektriğin yaklaşık% 80'ini sağlıyorlar.

Nükleer reaktörün yakıtı TVEL'dir. Bu, kontrollü bir zincirleme reaksiyonun doğrudan gerçekleştiği bir elementtir. Bir nükleer kazanın “yakacak odunu” nasıl düzenlenir, nasıl yapılır ve santralin kalbindeki yakıta ne olur?

nükleer zincir reaksiyonu nedir

Atom çekirdeğinin proton ve nötronlardan oluştuğu bilinmektedir. Örneğin, bir uranyum atomunun çekirdeği 92 proton ve 143 veya 146 nötron içerir. Uranyum çekirdeğindeki pozitif yüklü protonlar arasındaki itme kuvveti çok büyüktür, tek bir (!) Atomda yaklaşık 100 kgf. Bununla birlikte, intranükleer kuvvetler, çekirdeğin saçılmasını önler. Bir serbest nötron uranyum çekirdeğine girdiğinde (sadece bir nötr parçacık çekirdeğe yaklaşabilir), ikincisi deforme olur ve iki yarıya artı iki veya üç serbest nötrona saçılır.

Bu en serbest nötronlar, diğer atomların çekirdeklerine vb. saldırır. Böylece, çarpışmaların sayısı katlanarak artar ve bir saniyede radyoaktif metalin tüm kütlesi bozulur. Bu bozunmaya, parçaların her yöne ışık hızına yakın saçılmaları eşlik eder, bunların ortamdaki moleküllerle çarpışmaları birkaç milyon dereceye kadar ısınmaya neden olur. Bu sıradan bir nükleer patlamanın resmi. TVEL bu fenomeni barışçıl bir kanala yönlendiriyor. Bu nasıl olur?

Kontrollü nükleer reaksiyon

Bir nükleer reaksiyonun kendini koruyabilmesi, zincirleme reaksiyona dönüşmesi için yeterli miktarda radyoaktif yakıt ("kritik kütle" olarak adlandırılır) gereklidir. Nükleer silahlarda, bu sorun basitçe çözülür: her biri kritik olandan biraz daha az kütleye sahip iki silah sınıfı metal külçesi (uranyum 235, plütonyum 239, vb.), bir konvansiyonel patlama yoluyla bir bütün halinde birleştirilir. TNT.

Bu yöntem atomun barışçıl kullanımına uygun değildir. Şekil, en basit nükleer reaktörün cihazını şematik olarak göstermektedir. Her bir yakıt elemanı (yakıt elemanı - uranyum yakıtı) kütle olarak kritikten daha azdır, toplam ağırlıkları ise bu işareti aşmaktadır. Birbirine yakın olan yakıt çubukları, serbest nötronları "değiştirir". Bu karşılıklı nötron bombardımanı sayesinde reaktörde bir nükleer zincirleme reaksiyon sağlanır. Grafit çubuklar, nükleer sürecin bir tür "fren" rolünü oynar. Grafit iyi bir nötron emicidir, bu malzemeden yapılmış çubuklar yakıt çubukları arasına yerleştirildiğinde reaksiyon sona erer. Bu, serbest nötronların değişimini tamamen durdurur.

Böylece reaksiyon otomasyon tarafından sürekli izlenir. Çürümeye, soğutucu ortamdaki uranyum çekirdeği parçalarının hareketi eşlik eder ve bu onu gerekli sıcaklığa kadar ısıtır.

Elektrik nasıl üretilir

Bir nükleer santralin diğer tasarımı, gaz, akaryakıt veya kömürle çalışan geleneksel bir termik santralden çok farklı değildir. Fark, bir CHP tesisinde ısının fosil hidrokarbonların yakılmasıyla elde edilirken, bir nükleer santralde soğutucunun nükleer reaktörlerin yakıt çubukları tarafından ısıtılmasıdır.

Özel bir ısı eşanjöründe 500-800 ° C sıcaklığa getirilen bir soğutucu (kızgın su, erimiş tuzlar ve hatta sıvı metaller rol oynayabilir) suyu ısıtır ve kuru buhara dönüştürür. Buhar, elektrik akımının üretildiği bir jeneratör ile aynı şaft üzerine monte edilmiş bir türbini döndürür.

Onlar neler

İlk nükleer reaktörler homojen cihazlardı. Nükleer yakıt içeren kazanlardı (daha sık sıvı, daha az sıklıkla gaz). Bu, uranyum tuzları veya zayıf zenginleştirilmiş uranyum, bazen bir uranyum tozu süspansiyonu vb.'nin bir eriyiğidir. İşlem, serbest nötronları çekirdeğe iyi yavaşlatan bir malzemeden yapılmış plakalar veya çubuklar biçiminde bir moderatör yerleştirilerek düzenlenir. Isı, bir kömür ocağındaki ızgaralar gibi, doğrudan çekirdekte bulunan ısı eşanjörleri aracılığıyla suya aktarıldı.

Rakamımız, şu anda dünyanın mutlak çoğunluğu olan heterojen bir nükleer reaktörü göstermektedir. Bu tür "nükleer kazanların" bakımı daha kolaydır, içlerindeki yakıtı değiştirir, onarır, eski homojen olanlardan daha güvenli ve daha güvenilirdir.

Uranyum yakıt çubukları kullanmanın bir başka avantajı, uranyum çekirdeklerinin nötronlar tarafından ışınlanmasının bir sonucu olarak plütonyum 239 gibi bir elementin üretilmesidir, bu daha sonra küçük nükleer reaktörler için yakıt olarak ve bir silah metali olarak kullanılır.

Nükleer santraller için yakıt nereden geliyor?

Uranyum, dünyanın birçok ülkesinde açık kesim (açık ocak) veya madencilik yöntemleriyle çıkarılmaktadır. Başlangıçta, cevher uranyumun kendisini bile değil, oksitini içerir. Bir metalin bir oksitten ayrılması, çok karmaşık bir kimyasal dönüşüm zinciridir. Dünyadaki her ülke nükleer yakıt üretimi için işletmeler satın almayı göze alamaz.

Bir sonraki görev, mayınlı uranyumu zenginleştirmek. Uranyum 235'in %1'den azı doğal malzemede bulunur, geri kalanı izotop 238'dir. Bu iki elementi ayırmak son derece zordur. Uranyum zenginleştirme santrifüjleri gelişmiş cihazlardır.

Uranyumun yüksek oranda zenginleşmesi için (izotop 235'in içeriği %20'ye yükseltilmiştir), gaza dönüşmesi ve bin kadar işlem aşamasından geçmesi gerekecektir.

TVEL nasıl çalışır?

Zenginleştirilmiş uranyum mühendislerin eline düşüyor, ancak bu hala nükleer yakıt için. Bu yakıtın üretimi toz metalurjisine benzer. Toz metal (veya kimyasal bileşikleri), yaklaşık bir santimetre çapında küçük tabletler halinde preslenir.

Uranyum metal ürünleri, bir reaktör içindeki cehennem koşullarına dayanmak için daha uygundur, ancak saf elementin üretilmesi çok pahalıdır. Uranyum dioksit çok daha ucuzdur, ancak muazzam basınç ve ısıdan parçalanmaması için 1000 ° C'nin üzerindeki bir sıcaklıkta muazzam basınç altında pişirmeniz gerekir.

TVEL, çelik veya demir-molibden alaşımlarından yapılmış bir tüpe yerleştirilmiş, yaklaşık 2-4 metre uzunluğunda bir dizi rondeladır. Yakıt çubuklarının kendileri, onlarca, hatta yüzlerce demet halinde birleştirilir. Böyle bir kümeye yakıt grubu (FA) denir.

Yakıt düzenekleri doğrudan bir nükleer reaktörün kalbine kurulur. Bir reaktörde sayıları birkaç yüze ulaşabilir. Uranyum bozundukça, yakıt elementleri ısı üretme yeteneklerini kaybederler ve sonra değiştirilirler. Ancak %4'lük 235 izotop içeriğiyle zenginleştirilmiş bir kilogram teknik uranyum, ömrü boyunca bir nükleer reaktörde 300 standart iki yüz litrelik akaryakıtın yakılmasıyla elde edilebilecek kadar enerji üretmeyi başarır.

Buluş, atom enerjisi alanı ile ilgilidir ve güç reaktörleri için yakıt elemanlarının imalatı için kullanılabilir. Bu buluşun teknik amacı, plütonyum veya yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyumun, tükenmiş veya doğal uranyum veya toryum ile seyreltilmeden alaşım veya dioksit formunda kullanılabileceği, gerekli yükleme, bölünebilir ve verimli nüklidler, acil durumlar da dahil olmak üzere kaynağı artırmak ve operasyonun güvenilirliğini artırmak. Bir yakıt elemanında, kütle fraksiyonu %200'den %100'e kadar olan bölünebilir nüklidlere sahip çekirdeğin bir kısmı, yakıt elemanı kaplaması ile aynı veya farklı yapısal malzemeden yapılmış, çeşitli geometrik şekillerdeki bir veya birkaç sızdırmaz ampul içine alınır. Ampuller, nükleer yakıtın şişmesini telafi etmek ve gaz halindeki fisyon parçalarını toplamak için serbest bir hacme sahiptir. Yakıt elementi çekirdeğinin geri kalanı, kütle fraksiyonu %0.715'ten bölünebilir nüklidlere ve %0.01'den %100'e kadar verimli nüklidlere sahip nükleer yakıt içerir. 5 C.p. f-kristalleri, 4 hasta.

Buluş nükleer teknoloji ile ilgilidir ve termik nötronlar üzerinde güç reaktörleri için plütonyumdan veya yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyumdan nükleer yakıt içeren yakıt elemanlarının (yakıt elemanları) imalatında kullanılabilir. Termal ve hızlı nötron reaktörleri dünya nükleer enerji endüstrisinde çalışır, ancak tüm nükleer santrallerin elektriğinin %85'i, çoğu konteyner tipi yakıt çubukları kullanan hafif su termal nötron reaktörlerinde üretilir. Bu tür yakıt çubukları, 7 - 15 mm çapında, uç kapaklı, içine bir çekirdeğin pelet veya vibro-sıkıştırılmış uranyum dioksit granülleri veya bir uranyum ve plütonyum dioksit karışımı şeklinde yerleştirildiği silindirik bir metal kaplamadır; kural olarak, bölünebilir nüklidler uranyum-235, plütonyum-239 ve plütonyum-241'in kütle oranı, nükleer yakıttaki toplam uranyum ve plütonyum içeriğinin %6'sından daha azını oluşturur. Yakıt çubukları, nükleer yakıttaki hacimsel değişiklikleri telafi etmek ve gaz halindeki fisyon parçalarını toplamak için serbest bir hacme sahiptir. Yakıt elemanı çekirdeklerinin sıcaklık seviyesini azaltmak için, bazen peletlerde delikler açılır, serbest hacimler helyum veya düşük erime noktalı malzemelerle doldurulur, örneğin sodyum, sodyum-potasyum alaşımı, kurşun-bizmut alaşımı vb. / 1 /. Konteyner tipi yakıt elemanlarına ek olarak, nükleer güç reaktörlerinde ve daha da büyük ölçüde araştırma reaktörlerinde, çekirdeklerinin bir atıl matriste eşit olarak dağılmış nükleer yakıt parçacıklarından oluşmasıyla karakterize edilen dağılım tipi yakıt elemanları kullanılır. . Yakıt elemanı çekirdeğinin böyle bir yapısı, nükleer yakıt parçacıklarındaki ve matrisin bitişik ince tabakalarındaki fisyon parçalarını lokalize eder, bu nedenle, gaz halindeki fisyon parçalarını toplamak için yakıt elemanlarında serbest hacim yoktur / 2 /. Konteyner tipi yakıt çubuklarının üretimi kolaydır ve yeni nükleer yakıtın yüksek dönüşüm oranı (0,5'e kadar) ile 2, 3 ve daha az sıklıkla 4 yıllık kampanyalar sırasında sabit reaktör güç seviyelerinde güvenilir bir şekilde çalıştırılır. Bu tür yakıt elemanlarının enerji üretimi, nükleer yakıttaki birikmiş fisyon parçalarından hacimsel değişiklikler, nükleer yakıtın sıcaktan (2000 o C'ye kadar) soğuk bir bölgeye (yaklaşık 300 o C) kütle transferi, aşındırıcı etki ile sınırlıdır. agresif fisyon parçalarının kaplamaya yerleştirilmesi ve reaktör gücü ile manevra, sıcaklık seviyelerindeki ve malzemelerin termal genleşme katsayılarındaki farkla bağlantılı olarak kabuk ve çekirdekteki termomekanik streslerle yapılır. Ayrıca yakıt elemanı çekirdeğinin yüksek sıcaklık seviyesi, içinde biriken ısı enerjisi ve acil durumlarda kalan ısı salınımı kaplamanın yanmasına neden olabilir. Yakıt elemanının basıncının düşmesi, kazara, yakıt elemanı kaynağının tükenmesi veya acil bir durum ne olursa olsun, nükleer yakıttan salınan fisyon parçaları soğutucuya girerken, radyoaktivitesi izin verilen maksimum değerleri aşabilir. Nükleer yakıt ve kaplama arasında güvenilir termal temas sağlayan matrisin iyi termal iletkenliğine sahip dağıtıcı yakıt elemanları için, yakıt elemanı çekirdeğinin sıcaklık seviyesi, örneğin bir alüminyum alaşımlı çekirdekteki sıcaklık farkı gibi önemli ölçüde azalır. bir VVER-1000 reaktörünün yakıt elemanındaki matris, yaklaşık bir buçuk büyüklük mertebesi kadar azaltılabilir (1500 o C'den 100 o C'ye). Bu, yakıt elemanlarını manevra kabiliyetine sahip modlarda başarılı bir şekilde çalıştırmayı, acil durumlarda daha az güvenli hale getirmeyi ve yakıt elemanının basınçsız hale gelmesi durumunda, nükleer ile temas edeceği için soğutucunun kirlenme derecesini azaltmayı mümkün kılar. yakıtı yalnızca kusurun olduğu yerde kullanın. Ek olarak, düşük sıcaklıklarda, nükleer yakıt birikmiş fisyon parçalarından daha az hacimsel değişikliklere uğrar ve örneğin uranyum silisit, uranyum-molibden alaşımı vb. nüklid gibi diğer nükleer yakıt türlerinin kullanılması mümkün hale gelir, bu da buna bağlı olarak dönüşüm oranını azaltır. yeni nükleer yakıt. Dağıtıcı yakıt elemanlarının enerji üretimi, yakıt elemanının çapında izin verilen artış veya kaplama malzemesinin izin verilen deformasyonu ile sınırlıdır. Dünya nükleer enerji endüstrisinin konteyner tipi yakıt elemanları ve dioksit yakıtlı hafif su reaktörlerine yönelmesinin bir sonucu olarak, 238, 239, 240, 241 ve 242 kütle numaralarına sahip poliizotopik bir bileşime sahip birkaç yüz ton plütonyum birikmiştir. Plütonyum depolama sorunu ve daha fazla kullanımı ortaya çıkmıştır. Hızlı reaktörlerde nükleer yakıt olarak plütonyumun en etkili kullanımı, ancak dünyadaki sayıları sınırlıdır ve yeni reaktörlerin inşası için program birkaç on yıl ertelenmiştir. Poliizotopik plütonyum kullanma sorununa, silahsızlanma sonucunda salınan uranyum ve plütonyumun en erken imhası sorunu eklendi. Termal reaktörlerde plütonyum kullanmak için en yaygın çözüm, onu tükenmiş veya doğal uranyum ile seyreltmektir, çünkü termal reaktörler için plütonyumun kütle oranı yaklaşık %5 olmalıdır. Bu yakıta uranyum-plütonyum veya karışık yakıt denir. Termal reaktörlerde yalnızca plütonyumun tek izotoplarının bölündüğüne dikkat edilmelidir. Poliizotopik plütonyumdaki konsantrasyonu ağırlıkça% 14'e ulaşan plütonyum-241 izotopunun yarı ömrü yaklaşık 14 yıldır, sert gama radyasyonu ile americium 241'i oluşturur, bu da uzun süre boyunca poliizotopik plütonyum ile çalışmayı zorlaştırır. vadeli depolama Ek olarak, bir enerji plütonyum kaybı vardır (10 yıl boyunca yaklaşık %9). Poliizotopik plütonyumdan farklı olarak, silah sınıfı plütonyum esas olarak izotop-239'u içerir ve monoizotopik olarak kabul edilebilir. Karışık dioksit nükleer yakıt üretimindeki ana zorluk, tabletlerin preslendiği homojen bir plütonyum ve uranyum dioksit karışımının oluşturulmasıdır. Doğrudan vibro-sıkıştırılmış çekirdekli yakıt elemanlarının üretimi için veya bunlardan pelet üretimi için mikroküresel dioksit karışımlı yakıt kullanma olasılığı ve uygunluğu da değerlendirilmektedir. Tozlara göre mikro küre kullanmanın avantajı, teknolojik sürecin tüm aşamalarında kullanım için daha uygun bir biçimde ve operatörler için daha güvenli çalışma sağlayan önemli ölçüde daha az toz oluşumunda yatmaktadır. Yaklaşık %5 plütonyum dioksit içeren tozlardan pelet yapma, yakıt elemanlarını karışık dioksit yakıtından pelet veya mikro kürelerle donatma teknolojisi ve yakıt elemanlarının tasarımı uranyum yakıtı için kullanılanlara benzer. Bununla birlikte, özellikle poliizotop plütonyum kullanıldığında, karışık dioksit nükleer yakıtlı yakıt elemanlarının üretimi için üretimin organizasyonunda temel bir fark vardır. Endüstriyel tesislerde normal bir radyasyon ortamı yaratmak için, tüm ekipman güvenilir bir şekilde kapatılmış odalara yerleştirilmeli ve kontrol işlemleri de dahil olmak üzere tüm teknolojik süreç mümkün olduğunca otomatikleştirilmelidir. Bütün bunlar, yakıt elemanlarının üretim maliyetinde bir artışa yol açar. İddia edilen yakıt elemanı tasarımına en yakın olanı, konteyner tipi yakıt elemanı tasarımıdır. Yakıt elemanı silindirik bir kabuktan ve zirkonyum bazlı bir alaşımdan yapılmış uç kapaklardan oluşur, bunun içine sinterlenmiş uranyum dioksit peletleri veya ağırlıkça yaklaşık %5 oranında bölünebilir izotop içeriğine sahip karışık yakıt şeklinde bir çekirdek yerleştirilir. ve şişmesini ve gaz halindeki fisyon parçalarının toplanmasını telafi edecek bir serbest hacim. Nükleer yakıttan kaplamaya ısı transferini iyileştirmek için, iç serbest hacim helyum / 1, s ile doldurulur. 45 /. Karışık yakıtlı böyle bir yakıt elemanının dezavantajı, bir yakıt elemanının üretim maliyetindeki uranyum yakıtlı bir yakıt elemanına kıyasla 4-5 kat artış, gözlemlenirken dioksit karışımının homojenliğinin sağlanması ve peletlerin preslenmesi ile bağlantılıdır. radyasyon güvenliği ve sanitasyon kuralları için gereklilikler. Ayrıca %5 plütonyum dioksit ile bir karışım hazırlamak için 20 kat daha fazla plütonyum içeren materyalin işlenmesi gerektiğini de belirtmek gerekir. Mevcut buluşun ana teknik amacı, %100'e kadar bölünebilir nüklidlerin kütle fraksiyonuna sahip poli- veya monoizotopik plütonyum veya uranyum'un nükleer olarak kullanılabileceği, termal nötronlar üzerindeki güç reaktörleri için bir yakıt elemanı tasarımı yaratmaktır. yakıt. Çekirdeği homojen bir uranyum ve plütonyum dioksit karışımından oluşan iyi bilinen konteyner tipi yakıt elemanı tasarımının aksine, teknik problemin çözümü, yakıt elemanı çekirdeğinin bir kısmını kütle fraksiyonu ile çevreleyerek elde edilir. yakıt elemanı kaplaması ile aynı veya farklı yapı malzemesinden yapılmış çeşitli geometrik şekillerdeki bir veya birkaç sızdırmaz ampulde %20 ila %100 bölünebilir nüklidlerin. Ampuller, ampul çekirdeğindeki nükleer yakıtın şişmesini telafi etmek ve gaz halindeki fisyon parçalarını toplamak için serbest bir hacme sahiptir. Yakıt elemanı çekirdeğinin geri kalanı, %0.715'e kadar bölünebilir nüklidlerin kütle fraksiyonuna ve %0.01 ila %100'e varan verimli nüklidlere sahip nükleer yakıt içerir. Yakıt elemanı göbeğinin ampullerinden ve nükleer yakıtından ısının uzaklaştırılmasını sağlamak için, yakıt elemanı kaplaması içinde ampullerin ve nükleer yakıtın oluşturduğu boşluklar bir kontak malzemesi ile doldurulur. Talep edilen buluşla elde edilen teknik sonuç, iş yoğunluğunun ve işlenmiş plütonyum içeren malzemelerin hacminin azaltılmasına ek olarak, içinde fisyon parçalarının %70'inden fazlasının yoğunlaştığı yakıt elemanı çekirdeğine ampullerin sokulması ve yakıt elemanı göbeğinin sıcaklık seviyesini düşüren, güvenilir çalışmayı sağlayan, manevra kabiliyetine sahip reaktör çalışma modlarında bir yakıt elemanı, yakıt elemanının basınçsız hale gelmesi durumunda ana radyoaktivite kaynağı için ek iki koruma aşaması oluşturur. yakıt elemanı acil durumlarda daha az tehlikelidir. Bir yakıt elemanının önerilen tasarımı, güç üretimini arttırmayı mümkün kılar, çünkü yakıt elemanı çekirdeğinin verimli nüklidlere sahip kısmının oranı ve hacimsel değişiklikleri, eski tasarımın bir yakıt elemanının çekirdeği ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde azaltılacaktır. karışık yakıttan yapılmıştır, çünkü içinde fisyon parçalarının biriktiği ampullerin çekirdeklerindeki hacimsel değişiklikler ampullerde telafi edilir; ayrıca, yakıt elemanı çekirdeği önemli ölçüde daha düşük bir çalışma sıcaklığına sahiptir. Önerilen teknik çözüm, ampullerin tasarımlarını ve malzemelerini, ampullerin çekirdeklerinin ve yakıt elemanlarının nükleer yakıtının malzemelerini ve şeklini, bölünebilir ve verimli nüklidlerin miktarının oranını, kullanımı mümkün kılar. ampullerin göbeklerinde ve yakıt elemanlarında aynı veya farklı kontak malzemeleri kullanılması, gerekirse ampullerin göbeklerinde ve yakıt elemanlarında ve yanıcı emici ampullerin yapısal malzemesinde kullanılması, ampullerde alıcıların kullanılması . Ampullerin yakıt çekirdeklerinde, plütonyum dioksitin keyfi (taneler) veya tekrarlayan (granüller) şeklindeki partiküller veya plütonyum-galyum alaşımlarından teller, şeritler veya granüller şeklinde nükleer yakıtın kullanılması en uygundur. monoizotopik plütonyum ve yakıt elementi çekirdeğindeki kimyasal bileşikler veya uranyum veya toryum alaşımları, örneğin, dioksitler, silisitler, nitrürler, %9 molibden içeren bir uranyum alaşımı, vb. nükleer yakıtın geometrik şekli ve boyutları ise ampullerin çekirdeklerinde ve yakıt elemanının çekirdeğinde aynı olabilir, örneğin kum, granül granüller veya farklı, örneğin kum-granüller, granül-bloklar vb. Yapısal olarak, ampuller toplar, diskler, halkalar, çokyüzlü veya figürlü plakalar şeklinde, düz, uzunlamasına eksen etrafında bükülmüş veya yuvarlak, oval, üçgen, kare, dikdörtgen olan çeşitli şerit veya çubuk spiralleri şeklinde sarılabilir. , çokyüzlü, üç veya çok loblu veya yakıt elemanı göbeğinde kendi kendine mesafe için nervürler dahil olmak üzere diğer enine kesit. Ampullerin yakıt göbeğinin uzunluğu, yakıt elemanı göbeğinin uzunluğunun bir katına karşılık gelebilir veya bunun bir katı olabilir. Ampullerin telafi hacmi, tamamen yakıt elemanının çekirdeğinde olabilir veya ampulün aynı veya değiştirilmiş geometrisi ile kısmen ondan çıkarılabilir. Ek olarak, kompanzasyon hacmine bir alıcı yerleştirilebilir. Yakıt elemanı çekirdeğinin uzunluğu boyunca bölünebilir izotopların eşit olmayan bir şekilde yüklenmesi gerekiyorsa, çekirdek uzunluğu yakıt elemanının uzunluğunun katı olan ampullere nükleer yakıt yüklenerek, ampullerin sayısı ve aralığı ile donatılabilir. çekirdek ve değişken bir enine kesit, yakıt çubuğu çekirdeği uzunluğuna karşılık gelen ampul çekirdeklerinin uzunluğu ile bir spirali bükme veya sarma adımı. Yakıt elemanının çekirdeğindeki ve ampullerin çekirdeğindeki kontak malzemeleri olarak, yakıt elemanının çalışma koşulları altında katı halde olan malzemeler, örneğin magnezyum, alüminyum alaşımları, vb. veya içinde bulunan malzemeler kullanılabilir. sıvı (kurşun-bizmut alaşımı, sodyum vb.) halde ve herhangi bir durum kombinasyonunda (sıvı-sıvı, katı-sıvı, katı-katı, sıvı-katı) ve kimyasal bileşimlerde. Yakıt elemanı kaplamasının ve ampulün malzemesi aynı olabilir, örneğin zirkonyum alaşımı E-110 - zirkonyum alaşımı E-110, paslanmaz çelik EI-847 - paslanmaz çelik EI-847 veya farklı, örneğin zirkonyum alaşımı E -110 - paslanmaz çelik EI-847 , zirkonyum alaşımı E-110 - zirkonyum alaşımı E-125, paslanmaz çelik EI-844BU-ID paslanmaz çelik EI-852, vb. nükleer yakıtın yakıt elemanı ve ampulleri ve/veya bir yakıt elemanının nükleer yakıt parçacıkları ve ampulleri ile bir karışım halinde yanabilir emici parçacıklar ve/veya ampullerin yapısal malzemesine, kimyasal bileşimi ve/veya emici izotopun konsantrasyonu aynı veya farklıdır. Örneğin, bir yakıt çubuğunun çekirdeğinde, nükleer yakıt parçacıklarının bileşiminde gadolinyum oksit, ampulün çekirdeğinde, nükleer yakıt parçacıkları ile karıştırılmış parçacıklar biçiminde gadolinyum oksit, ampulün malzemesinde, boron bir zirkonyum alaşımı. Önerilen teknik çözümün bilinen çözümle karşılaştırmalı analizi, önerilen teknik çözümün buluş gerekliliklerine uygunluğunu belirlemenizi sağlar. Buluş çizimlerle gösterilmiştir. Şekil 1, yakıt elemanı çekirdeğinin uzunluğuna karşılık gelen bir uzunluğa sahip çekirdeklere sahip üç silindirik ampule sahip bir yakıt elemanını, yakıt elemanının çalışma koşulları altında katı halde olan yakıt elemanı çekirdeğindeki bir kontak malzemesini göstermektedir. İNCİR. Şekil 2, yakıt elemanı çekirdeğinin uzunluğunun katları olan bir uzunluğa sahip çekirdekleri olan silindirik ampullere sahip bir yakıt elemanını ve çalışma koşulları altında sıvı halde olan ampullerin ve yakıt elemanlarının çekirdeklerinin temas malzemelerini göstermektedir. Şekil 3, yakıt elemanının yakıt göbeğinin dışına yerleştirilmiş bir gaz toplayıcı ile, yakıt elemanı göbeğinin uzunluğuna karşılık gelen bir göbek uzunluğuna sahip bir bükülü bant şeklinde bir ampule sahip bir yakıt elemanını göstermektedir. İNCİR. Şekil 4, yakıt elemanı çekirdeğinin uzunluğuna karşılık gelen bir çekirdek uzunluğuna sahip, silindirik bir spiral şeklinde bükülmüş, profilli bir bant biçiminde bir ampule sahip bir yakıt elemanını ve yakıt elemanı çekirdeğinin dışına yerleştirilmiş bir gaz kolektörünü göstermektedir. Yakıt elemanının tasarımı (bkz. Şekil 1), içinde verimli yakıt içeren nükleer yakıt granüllerinin vibro-sıkıştırılmış bir karışımından oluşan bir çekirdek (3) bulunan, uçlarında tapalarla (2) kapatılmış bir kaplamadır (1). yakıt elemanının çalışma koşullarında katı halde bulunan bir temas malzemesinin (6) bulunduğu boşluklarda nüklidler (4) ve yanabilir granül emici (5). 120°'de yakıt elemanı göbeğinde üç adet silindirik ampul (7) bulunmaktadır. Ampuller ve mahfaza arasında, ampul çapının 0,1'inden az olmayan bir boşluk vardır ve minimum granül çapı, boşluğun 1,2 katından az değildir. Ampul, içinde bölünebilir nüklidler (11) içeren vibro-sıkıştırılmış gözenekli nükleer yakıt granülleri karışımından oluşan bir çekirdek (10) bulunan, uçlarında tapalar (9) ile kapatılmış silindirik ince duvarlı bir tüptür (8). , ve bir alıcı (12). Maksimum granül boyutu, ampulün iç çapının 0,3'ünden fazla değildir. Ampuldeki (13) telafi hacmi, taneler arası ve taneler arası gözenekliliktir. Yakıt elemanı çekirdeğinin başlangıcını ve alt tapadaki ampulleri hizalamak için, kalınlığı ampulün ucundan ampul çekirdeğinin başlangıcına kadar olan mesafeye eşit olan ampul yuvalarına sahip bir pul (14) vardır. . Yakıt elemanı çekirdek tabakasının üzerinde, yüksekliği, yakıt elemanı çekirdeğinin üzerindeki ampulün çıkıntılı kısmından daha büyük olan, atıl malzemeden yapılmış bir tıkaç (15) bulunmaktadır. Yakıt çubuğunun kaplamasının ve tapalarının malzemesi, örneğin E-110 gibi bir zirkonyum alaşımıdır ve ampul ve tapaların malzemesi paslanmaz çelik, örneğin çelik EI-844BU-ID'dir. Tüketilmiş veya doğal uranyum veya molibden, zirkonyum, nitrojen, silikon, alüminyum vb. ile toryum alaşımları ve bileşikleri, yakıt elemanındaki gerekli bölünebilir ve verimli nüklid oranına bağlı olarak yakıt elemanı çekirdeğinin nükleer yakıtı olarak kullanılabilir. ve nükleer yakıt olarak ampullerin çekirdeği plütonyum dioksit veya yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyumdur. Yanabilir bir emici olarak gadolinyum oksit, bor karbür, gadolinyum titanat vb kullanılabilir.Yakıt elemanı çekirdeğinin temas malzemesi olarak magnezyum veya alüminyum alaşımları kullanılabilir. Alıcının malzemesi, zirkonyum, alüminyum, nikel içeren baryum içeren bileşiklerdir. Tapa malzemesi sinterlenmiş alümina parçacıklarıdır (öğütme tanesi). Yakıt elemanının tasarımı (bkz. Şekil 2), verimli nüklidler (4) içeren nükleer yakıttan oluşan ve içinde bir çekirdek (3) bulunan, uçlarında tapalarla (2) kapatılmış bir kaplamadır (1). silindirin ana ekseni boyunca 60 o boyunca altı yivli silindirik bloklar ve bloklar ve yakıt elemanının kaplaması arasındaki boşluklara yerleştirilen ve çalışma koşullarında sıvı halde olan kontak malzemesi (6) yakıt elemanı. Temas malzemesinin seviyesi, son bloğun seviyesinden 3-5 mm daha yüksektir. Silindirik ampuller (7) blokların oluklarına yerleştirilmiştir. Ampul, uçlarında tapalarla (9) kapatılmış silindirik ince duvarlı bir tüptür (8), içinde bir çekirdek (10), bölünebilir nüklidler (11) içeren nükleer yakıttan oluşan, granüller şeklinde bir çekirdek bulunur. çapı 0,3'ten fazla olmayan veya çapı ampulün iç çapının 0,7'sinden fazla olmayan bir tel ve yakıt elemanının çalışma koşulları altında sıvı halde olan temas malzemesi (16). Kontak malzemesinin seviyesi, ampulün nükleer yakıt seviyesinden 2 - 3 mm daha yüksektir. Ampuldeki (13) kompanzasyon hacmi, kontak malzemesi seviyesinin üzerindeki serbest hacimdir. Yakıt elemanı göbeğinin başlangıcını ve ampulleri hizalamak için, yakıt elemanının alt tapasında, kalınlığı ampul ucundan ampul ucuna olan mesafeye eşit olan blokların profilini tekrarlayan bir rondela (14) vardır. ampul çekirdeğinin başlangıcı. Yakıt elemanının uzunluğu boyunca ampuller, 60 ° 'den sonra, ilk hariç, her bloğun oluklarında, ampullerin çekirdekleri ve telafi hacimleri değişecek şekilde yerleştirilmiştir. Bu, ampullerin uzunluğunun çift sayıda bloğun yüksekliğine eşit olması (Şekil 1'de iki bloğa eşittir), yakıt elemanı çekirdek bloklarının uzunluğunun uzunluğa eşit olmasıyla elde edilir. ampul çekirdeğinin ve ilk blokta, üç yuvada, ampul simülatörleri (17), uzunluk ampullerinin yarısına eşit bir uzunluğa sahip olacak şekilde kurulur. Ampulleri ve blokları kendi aralarında ve ampullerin dış yüzeyindeki kabuk arasında yerleştirmek için, uçları ampul çapının en az 0,1'i kadar bir çapa sahip helezoni olarak sarılmış bir tel (18) vardır ve bunların uçları ampulün uçlarına kaynaklanmıştır. ampuller. Yakıt elemanı çekirdeğindeki hacimsel değişiklikleri telafi etmek ve içinde açığa çıkan gaz halindeki fisyon parçalarını toplamak için kontak malzemesi seviyesinin üzerinde serbest bir hacim vardır (19). Yakıt elemanı ve ampullerin kaplama ve tapalarının malzemeleri, Şekil 1'de gösterilen yakıt elemanı ile aynı olabilir. Yakıt elemanı çekirdeğinin nükleer yakıtının malzemesi, tükenmiş veya doğal uranyum veya molibden, zirkonyum, silikon, alüminyum vb. ile toryumun alaşımları ve bileşikleri olabilir ve ampul çekirdeğinin nükleer yakıtının malzemesi bir alaşım olabilir. plütonyum ile galyum veya yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum ile molibden alaşımı. Yakıt elemanı çekirdeğinin temas malzemesi bir kurşun-bizmut alaşımı olabilir ve ampul çekirdeğinin temas malzemesi ayrıca bir kurşun-bizmut alaşımı veya sodyum olabilir. Yakıt elemanının tasarımı (bkz. Şekil 3), içinde bir çekirdek (3) bulunan ve nükleer yakıt granüllerinin titreşimle sıkıştırılmış bir karışımından (4. ) verimli nüklidler ve çalışma koşullarında katı halde olan bir temas malzemesinin (6) bulunduğu boşluklarda yanabilen bir emici (5) içeren. Yakıt elemanı çekirdeğinin merkezinde bir ampul (7) yer almaktadır. Ampul, alt ucunda bir tıpa (9) ile kapatılmış ve içinde verimli nüklidler içeren vibro-sıkıştırılmış nükleer yakıt granüllerinden oluşan bir çekirdeğin (10) bulunduğu uzunlamasına eksene göre bükülmüş içi boş bir banttır (8) (11) maksimum granül çapı 0'dan fazla olmayan, 3 çekirdek kalınlığında ve ampulün üst kısmında, yakıt elemanı çekirdeğinin dışında bir alıcı yer almaktadır (12). Yakıt elemanının ve ampulün çekirdeklerinin başlangıcını hizalamak için, ampul için bir yuvaya sahip bir rondela (14) vardır, kalınlığı ampulün ucundan ampul çekirdeğinin başlangıcına kadar olan mesafeye eşittir. . Yakıt elemanı göbeği tabakasının üzerinde, yüksekliği yakıt elemanı göbeği ile gaz toplayıcıya (20) olan mesafeye eşit olan, atıl malzemeden yapılmış bir tapa (15) bulunmaktadır. Ampulün (13) kompanzasyon hacmi, taneler arası gözeneklilik ve gaz toplayıcı (20)'dir. Ampulün yakıt göbeği, gaz geçirgen bir tampon (21) ile gaz toplayıcıdan ayrılır. Bu yakıt çubuğu tasarımının tüm malzemeleri, Şekil 2'de gösterilen yakıt çubuğu tasarımına benzer. 1. Ancak bu yakıt elemanı için ampul kaplama malzemesi olarak alüminyum alaşımları da kullanılabilir. Yakıt elemanının tasarımı (bkz. Şekil 4), verimli nüklidlere sahip nükleer yakıt içeren vibro-sıkıştırılmış granüllerden oluşan, içinde bir çekirdek (3) bulunan, uçlarında tapalarla (2) kapatılmış bir kaplamadır (1). (4) ve çalışma koşullarında katı halde olan bir temas malzemesinin (6) bulunduğu boşluklarda yanabilen bir emici (5). Yakıt elemanı çekirdeğinde bir ampul (7) bulunmaktadır. Ampul, dış yüzeyinde bir nervürün oluşturulduğu, ampulün silindirik kısmı ile kaplaması arasında en az 0.15 mm ve minimum çapı olan bir boşluk sağlayan silindirik bir spiral şeklinde sarılmış bir profil banttır. yakıt çubuğu çekirdek granülleri boşluktan 1,2 kat daha büyüktür. Alt kısımda ampul bir tapa (9) ile kapatılmıştır. Ampulün içinde, bölünebilir nüklidler (11) içeren nükleer yakıttan oluşan, yakıt elemanı çekirdeğinin uzunluğuna tekabül eden bir uzunluğa sahip bir çekirdek (10) bulunmaktadır. Yakıt elemanının ve ampulün çekirdeklerinin başlangıcını hizalamak için, ampul için bir yuvaya sahip bir rondela (14) vardır, kalınlığı ampulün ucundan ampul çekirdeğinin başlangıcına kadar olan mesafeye eşittir. . Yakıt elemanı göbeği tabakasının üzerinde, yüksekliği yakıt elemanı göbeği ile gaz toplayıcıya (20) olan mesafeye eşit olan, atıl malzemeden yapılmış bir tapa (15) bulunmaktadır. Ampulün (13) kompanzasyon hacmi, taneler arası gözeneklilik ve gaz toplayıcı (20)'dir. Ampulün yakıt göbeği, gaz geçirgen bir tampon (21) ile gaz toplayıcıdan ayrılır. Tüm yakıt çubuğu malzemeleri, Şekil 2'de gösterilen yakıt çubuğu yapısına benzer. 1, bu yakıt elemanı tasarımında, ampul kaplama malzemesinin alüminyum alaşımları olabileceğini dikkate alarak. Şekil 1'de gösterilen yakıt elemanının imalatı. 1, laboratuvar koşullarında test edilmiştir. 9.15 x 7.72 mm çapında, 950 mm uzunluğunda ve tapalı kabuk (1) E-110 zirkonyum alaşımından yapılmıştır. Ampuller (7), 1.5 x 1.26 mm çapında kılcal borulardan (8) yapılmıştır. EI-844BU-ID çeliği, ampuller ve onlar için fişler için bir malzeme olarak kullanıldı. Ampuller, ağırlıkça %98 uranyum dioksit granüllerinin vibro-sıkıştırılmış bir karışımının bir çekirdeğini (10) içermiştir. ve ağırlıkça %2 zirkonyum içeren bir baryum alaşımı. Uranyum dioksit granülleri, %12-15'lik bir iç gözenekliliğe sahipti. Granül karışımının fraksiyonel bileşimi -0.4 + 0.08 mm idi. Kompanzasyon hacmi (13) olan toplam tane içi ve taneler arası gözeneklilik %50 - 55 olarak hesaplanmıştır. Ampul çekirdeğinin uzunluğu 900-5 mm idi. Ampullerin (10) ve yakıt elemanının (3) çekirdeklerini hizalamak için, E-110 zirkonyum alaşımından yapılmış 4 mm kalınlığında bir rondela (14) takılmıştır. Yakıt elemanı çekirdeğinin (3) malzemesi olarak ağırlıkça %95'lik bir vibro-sıkıştırılmış uranyum dioksit granülleri (4) karışımı kullanılmıştır. ve gadolinyum oksit (5) ağırlıkça %5. fraksiyonel bileşim -0.5 + 0.315 mm, temas malzemesi (7) ile emprenye edilmiş - ağırlıkça %12 alüminyum alaşımı. silikon. Yakıt elemanı çekirdeğinin uzunluğu 900 - 5 mm idi ve granüllerle hacimsel doldurma % 60 - 65 idi. Yakıt elemanı çekirdek tabakasının üzerinde, ayrıca bir temas malzemesi ile emprenye edilmiş, 0,5 - 0,6 mm'lik bir fraksiyonel bileşime sahip, yuvarlak şekilli (öğütme tanesi) sinterlenmiş alümina parçacıklarının bir tapası (15) oluşturulmuştur. Yakıt elemanının çekirdeğindeki ampuller, ampuller ile kaplama arasında 0,2 mm boşluk kalacak şekilde 120°'ye yerleştirildi. Ampuller aşağıdaki sırayla yapılmıştır. Borunun boyutuna göre kesilmesi, ampulün bir ucunun sızdırmaz hale getirilmesi, titreştirilmesi, ampulün helyum ile doldurulması ve ampulün ikinci ucunun sızdırmaz hale getirilmesi, ampulün uzunluğu boyunca nükleer yakıt dağılımının sıkılığı ve homojenliği için ampulün kontrol edilmesi. Yakıt çubuğu imalatı aşağıdaki teknolojik işlemleri içeriyordu. Borunun boyuta kesilmesi ve bir ucunun sızdırmaz hale getirilmesi, bir yıkayıcı ve ampullerin takılması, yakıt elemanının titreştirilmesi, tıpanın doldurulması ve yakıt elemanının çekirdeğinin ve tıpanın erimiş alüminyum alaşımı ile emprenye edilmesi, yakıt elemanının ikinci ucunun sızdırmaz hale getirilmesi, presleme yakıt elemanı helyumlu ve sızdırmazlığının kontrol edilmesi, nükleer yakıtın yakıt elemanı içindeki dağılımının izlenmesi, emprenye kalitesi temas malzemesi ve görünümü. Yakıt elemanlarının laboratuvar örneklerinin imalatının sonuçları, nükleer yakıtın ampullerdeki dağılımının tekdüzeliğinin %7'yi ve yakıt elemanında - %10'u geçmediğini göstermiştir. Yakıt elemanı göbeklerinin emprenye kalitesi tatmin edicidir ve yakıt elemanlarının görünümü kontrol numunelerine tekabül etmektedir. Yakıt elemanı tasarımlarının verilen diğer varyantlarının üretim teknolojisi, yukarıda verilene benzerdir, sadece şerit yakıt elemanlı varyantlarda, tüpler de profillendirilir ve doldurulmuş ampullere gerekli şekil verilir. Böylece, önerilen tasarımın yakıt elemanlarını yaratmanın gerçek olasılığı gösterilmektedir ve seçilen nükleer yakıt, yapısal, temas ve diğer malzeme ve ampul tasarımlarının bileşimlerinin kombinasyonu, kaynakta bir artış ve güvenilirliğinde bir artış sağlar. yakıt elemanlarının reaktörün belirli çalışma koşulları altında manevra kabiliyetine sahip modlarda çalışması. Talep edilen buluşa göre bir yakıt elemanını uygularken, yukarıdaki örneklerde dikkate alınmayan granüllerin, yapısal, nükleer, yanabilir malzemelerin ve alıcıların ve bunların yakıt elemanı göbeğine yerleştirilmesinin diğer şekilleri, boyutları ve geometrileri de kullanılabilir. Güç reaktörlerinde talep edilen buluşa göre yakıt elemanlarının kullanımı, karışık yakıt kullanan yakıt elemanları ile karşılaştırıldığında daha ekonomiktir ve ekoloji, sanitasyon ve radyasyon güvenliği gerekliliklerini büyük ölçüde karşılamaktadır. Kullanılan bilgi kaynakları 1. "Güç reaktörlerinin yakıt elemanlarının geliştirilmesi, üretimi ve işletilmesi", kitap 1. Moskova, Energoatomizdat, 1995 (Prototip sayfa 45). 2. A. G. Samoilov, A. I. Kashtanov, V. S. Volkov. "Nükleer reaktörlerin dağıtıcı yakıt elemanları", cilt 1. Moskova, Energoizdat, 1982

Makale bir TVEL'in ne olduğunu, ne için gerekli olduğunu, nerede kullanıldığını, nasıl oluşturulduğunu ve TVEL kullanmayan reaktörlerin olup olmadığını açıklamaktadır.

atom çağı

Muhtemelen enerji sektörünün en genç dalı nükleerdir. Sadece 19. yüzyılın sonunda, bilim adamları radyoaktivitenin ne olduğunu ve hangi maddelerin bu özelliklere sahip olduğunu kısmen anlayabildiler. Ve birçokları için bu bilgi hayatlarına mal oldu, çünkü radyasyonun canlı organizmalar üzerindeki yıkıcı etkisi uzun süre bilinmedi.

Çok sonraları radyoaktif maddeler hem sivil hayatta hem de askeri alanda kullanılmaya başlandı. Şu anda, tüm gelişmiş ülkelerin kendi nükleer silahları ve nükleer santralleri var, bu da fosil yakıtlardan veya su gibi doğal kaynaklardan bağımsız olarak büyük miktarda enerji elde etmenizi sağlıyor (hidroelektrik santrallerden bahsediyoruz).

TVEL'in...

Ancak elektrik üretimi veya başka amaçlar için inşa etmek için öncelikle uygun yakıtı yapmanız gerekir, çünkü doğal uranyum radyoaktiviteye sahip olmasına rağmen enerjisi yeterli değildir. Bu nedenle, çoğu reaktör tipi yakıt bazlı kullanır ve bu da TVEL adı verilen özel cihazlara yüklenir. TVEL, bir nükleer reaktörün parçası olan ve tasarımlarını ve yakıt türünü içeren özel bir cihazdır ve daha ayrıntılı olarak analiz edeceğiz.

Tasarım

Reaktör tipine bağlı olarak, yakıt elemanlarının bazı parametreleri farklılık gösterebilir, ancak genel tasarımları ve cihazın prensibi aynıdır. Basitçe söylemek gerekirse, TVEL, içine uranyum dioksitten yapılmış yakıt peletlerinin yerleştirildiği diğer bazı metallerden yapılmış içi boş bir tüptür.

Yakıt

Uranyum en popüler radyoaktif malzemedir ve temelinde hem endüstride hem de silahlarda kullanılan birçok izotop üretilir. Madenciliği, kömür madenciliğinden pek farklı değildir ve doğal haliyle insanlar için kesinlikle güvenlidir. Yani mahkumların nereye sürgün edildiğine dair hikayeler bir efsaneden başka bir şey değil. Bir insan radyasyon hastalığından ziyade bir madende güneş ışığı eksikliğinden ve sıkı çalışmadan ölmeyi tercih eder.

Uranyum çok basit bir şekilde çıkarılır - kaya patlamalarla parçalanır, ardından yüzeye çıkar, burada sıralanır ve daha fazla işlenir. Uranyum zenginleştirme işlemi çeşitli şekillerde yapılabilir, ancak Rusya'da gaz santrifüjleri kullanılarak yapılır. İlk olarak, uranyum gaz haline dönüştürülür, ardından gaz, merkezkaç kuvvetinin etkisi altında santrifüjlerde ayrılır ve gerekli izotoplar ayrılır. Daha sonra uranyum dioksite dönüştürülür, tabletlere preslenir ve yakıt çubuklarına yüklenir. Bu, yakıt hücreleri için yakıt üretmenin en yaygın yöntemidir.

Uygulama

Bir reaktördeki yakıt çubuklarının sayısı, büyüklüğüne, tipine ve gücüne bağlıdır. İmalattan sonra, nükleer fisyon reaksiyonunun oluşmaya başladığı bir reaktöre yüklenirler, bunun sonucunda bir enerji kaynağı olarak hizmet eden büyük miktarda ısının güçlü bir salınımı meydana gelir. Ayrıca reaktör gücü, çalışma alanındaki yakıt elemanlarının sayısı ile kontrol edilebilir. Zaman zaman, kullanıldıklarında, "taze" uranyum dioksit tabletleri ile yenileriyle değiştirilirler. Artık TVEL'in ne anlama geldiğini, nasıl yapıldığını ve genellikle neden ihtiyaç duyulduğunu biliyoruz. Ancak, tüm nükleer reaktörler bu tür elementleri gerektirmez ve bunlar RTG'lerdir.

RTG

Bir radyoizotop, prensipte nükleer reaktörlere benzeyen bir cihazdır, ancak süreçleri atomik bozunmanın zincir reaksiyonuna değil, termal olana dayanır. Basitçe söylemek gerekirse, bu, radyoaktif malzeme ile çok fazla ısı üreten ve ardından doğrudan elektriğe dönüştürülen büyük bir tesistir. Nükleer reaktörlerin aksine, RTG'lerin hareketli parçası yoktur, daha güvenilir, kompakt ve dayanıklıdır. Ancak aynı zamanda çok daha düşük bir verimliliğe sahiptirler.

Esas olarak, başka yollarla enerji elde etmenin imkansız olduğu veya bu yöntemlerin çok zor olduğu koşullarda kullanıldılar. SSCB yıllarında, Uzak Kuzey'in araştırma ve meteoroloji istasyonlarına, kıyı fenerlerine, deniz şamandıralarına vb. RTG'ler sağlandı.

Şu anda hizmet ömürleri sona ermiştir, ancak bazıları hala orijinal üslerinde kalmaktadır ve çoğu zaman hiçbir şekilde korunmamaktadır. Bunun bir sonucu olarak, kazalar meydana gelir, örneğin, demir dışı metal avcıları bu tür birkaç kurulumu sökmeye çalıştı ve güçlü radyasyon aldı ve Gürcistan'da yerel sakinler bunları ısı kaynağı olarak kullandı ve ayrıca radyasyon hastalığından muzdaripti.

Artık yakıt elemanlarının tasarımını biliyoruz ve tanımlarını analiz ettik. Yakıt çubukları, reaktörün önemli parçalarıdır ve bunlar olmadan çalışması imkansızdır.

Bir yakıt elemanı (yakıt elemanı), heterojen çekirdeklerin güvenilirliğini, boyutunu ve maliyetini büyük ölçüde belirleyen ana yapısal detaydır.

Yakıt elemanının kaplaması, yakıtın radyoaktif fisyon ürünlerinin soğutucuya salınmasını ve ayrıca yakıt çekirdeğinin korozyonunu ve aşınmasını önlemek için soğutucu ile yakıt arasında doğrudan teması önlemek üzere tasarlanmıştır. Kaplama, yakıt elemanına gerekli şekli veren ve yakıt elemanını tahrip etme eğiliminde olan tüm yükleri üstlenen yapısal bir elemandır. Yakıt elemanı kaplaması, en zorlu koşullarda çalışan maçaların en kritik yapısal parçalarıdır. Kabuklardaki nötronların emilimini azaltmak için, onları mümkün olduğunca ince yapmak arzu edilir. Mukavemet koşulları ve üretim teknolojisi ile belirlenen metal kabukların kalınlığı genellikle 0,3 - 0,8 mm'dir.

Termal nötron reaktörleri için kaplama malzemesi için temel gereksinimlerden biri, nötron kayıplarını azaltmak için gerekli olan küçük bir termal nötron absorpsiyon kesitidir.

Şu anda, zirkonyum ve alaşımlarından yapılmış kabuklar, termal nötronların kullanıldığı su kontrollü güç reaktörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır; bu, zirkonyum (0.18 ahır) içindeki termal nötronların soğurulması için küçük bir kesit ile açıklanmaktadır. Bununla birlikte, zirkonyum 360 - 400 ° C sıcaklıkta nispeten düşük mukavemet özelliklerine sahiptir.

Zirkonyum alaşımlarının yanı sıra, güç reaktörlerinde paslanmaz krom-nikel östenitik çeliklerden yapılmış kabuklar kullanılır, bunlar zirkonyum ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha yüksek ısı direncine, korozyon direncine, iyi üretilebilirliğe ve ayrıca daha düşük maliyete sahiptir. Bununla birlikte, çeliklerin zirkonyum ile karşılaştırıldığında ana temel dezavantajı, daha yüksek oranda zenginleştirilmiş bir yakıt gerektiren geniş termal nötron absorpsiyon kesitidir (2,7 - 2,9 barn). Östenitik paslanmaz çeliklerin önemli bir dezavantajı, aynı zamanda, metalde çekme gerilmeleri ve soğutma suyunda klorürler ve oksijen bulunduğunda meydana gelen gerilme korozyon çatlamasına eğilimidir. Bununla bağlantılı olarak, sudaki son derece düşük klorür ve oksijen içeriğinin yanı sıra diğer safsızlıkların dikkatli bakımı, reaktörlerin çalışması sırasında büyük önem taşımaktadır.

Yüksek sıcaklık reaktörleri için özellikle ilgi çekici olan refrakter metaller niyobyum (erime noktası 2415 ° C), molibden (2622 ° C), tungsten (3395 ° C), tantal (2996 ° C) ve bunların alaşımlarıdır. Isı taşıyıcı olarak helyum veya sıvı metallerin kullanılması durumunda 800 - 1200 ° C'ye kadar sıcaklıklarda yakıt elemanı kaplaması için kullanılabilir. Oksijen içeren gazlarda (hava, karbondioksit ve su buharı) bu metallerin direncinin 500 - 600 °C sıcaklıkta bile çok düşük olduğuna dikkat edilmelidir.

Reaktörlerin çalışması sırasında, ışınlamanın etkisi altında yakıt elemanlarının malzemelerinde, sıcaklıktaki döngüsel değişiklikler, bir soğutucuya maruz kalma vb. Yakıt elemanlarının tamamen yok edilmesi, birincil devrenin radyoaktif fisyon parçaları ile ciddi şekilde kirlenmesine yol açtığı için son derece büyük ve tamamen kabul edilemez bir kazadır.

Kaplamadaki veya sızdırmazlık tapalarının kaynak yerindeki çatlaklar nedeniyle yakıt çubuklarının en sık görülen sızdırmazlık kaybı. Sızdırmazlık kaybı, gaz halindeki fisyon ürünlerinin soğutucuya salınmasına yol açar. Soğutucunun kabuğa nüfuz etmesi, yakıtın korozyona ve sızmasına neden olur, sırayla, devredeki soğutucunun radyoaktivitesinin daha da önemli ölçüde artmasının bir sonucu olarak fisyon parçalarının verimini arttırır.

Kabuk çatlakları aşağıdaki nedenlerin bir sonucu olarak ortaya çıkabilir:

Statik, dinamik ve titreşim yüklerinin etkisi ile ilişkili kabul edilemez iç streslerin görünümü, hem yarıçap boyunca hem de yakıt elemanlarının uzunluğu boyunca keskin sıcaklık gradyanlarının varlığından kaynaklanan sıcaklık stresleri;

Radyasyon büyümesi, şişmesi, yakıtın faz dönüşümlerinin neden olduğu ve kabuğu kırma eğiliminde olan kuvvetlerin ortaya çıkmasına neden olan yakıtta hacimsel değişiklikler; gaz halindeki fisyon ürünlerinin yakıt çubuklarının içindeki basınçta kabul edilemez artış;

Işınlama etkisi altında veya yakıt ve soğutucu malzemelerin kaplama ile difüzyon etkileşiminin bir sonucu olarak kaplama malzemesinin yapısında ve fiziksel ve mekanik özelliklerinde değişiklikler, örneğin kaplamaların hidrojen ile doyması;

Soğutma sıvısının uzun süreli korozyon ve erozyon etkilerinin yanı sıra klor iyonları ve serbest oksijen varlığında taneler arası ve taneler arası stres korozyonunun bir sonucu olarak (paslanmaz çelik kabuklar kullanıldığında sudan suya reaktörlerde);

Yakıt elemanlarının imalatında yapılan kusurlar (kaplama malzemesinin homojen olmaması, kaplama yüzeyinde çiziklerin varlığı, düşük kaynak kalitesi vb.).

Bazı durumlarda, aynı nedenlerin etkisi altında, yakıt ve soğutucu akışkanın teknolojik kanal boyunca dağılımında önemli genel ve yerel değişikliklere yol açabilen, örneğin eğrilik gibi yakıt elemanlarının şeklinde ve boyutunda bir değişiklik gözlenir. ve sonuç olarak, yerel aşırı ısınma ve yakıt elemanlarının tahrip olması.

Yakıt elemanlarının dahili ısı kaynaklarına sahip gövdeler olması ve yüksek sıcaklıklarda ve yüksek özgül enerji salınımlarında çalışması nedeniyle, bunlar için en büyük tehlike, soğutmanın aniden durmasıyla ortaya çıkar. Çekirdeğe soğutma sıvısı beslemesinin sona ermesi, kural olarak, artık enerji salınımı (birikmiş nükleer yakıt fisyon parçalarının radyoaktif bozunması sürecinde enerjinin salınması) nedeniyle yakıt elemanlarının erimesine yol açar. Kapatma reaktöründe, yakıt elemanlarında biriken fisyon parçalarından radyoaktif bozunma enerjisinin salınması nedeniyle, ikincisini kapattıktan sonra uzun bir süre soğutmak gerekir. Aksi takdirde, çekirdek bir kapatma reaktöründe eriyebilir.

PPU'nun çalışması sırasında, gerekli su-kimyasal rejimin kontrol ve bakımının organizasyonuna özel dikkat gösterilmelidir.