Тред №154978

http://www.atomnews.…mp;NID=664

Новый патент Вестингауза на твэлы для реакторов BWR

AtomInfo.Ru 09.10.2009 12:58:36

"Westinghouse Electric Sweden AB", шведское отделение компании "Вестингауз", получило патент на модифицированные твэлы для водяных кипящих реакторов BWR. В патенте защищается идея, позволяющая за счёт добавки моноксида углерода уменьшить последствия разгерметизации топливных элементов, пишет Nuclear Street.




Патент, выданный в США под номером 7 570 728, затрагивает конструкцию твэлов, показанную на рисунке ниже.
Описанный в патенте твэл состоит из внешней трубки (6), сделанной из циркониевого сплава, и внутренней трубки (7) из чистого циркония. Топливные таблетки (9) из UO2 набираются внутри трубки (7), а затем прижимаются сверху пружиной (12). Внизу и верху расположены крепления (5) и (4).

Поток теплоносителя, омывающий твэл, должен быть очищен от механических примесей для минимизации износа поверхности внешней оболочки вследствие трения. На атомных станциях прибегают к изощрённым мерам для контроля за качеством теплоносителя, но несмотря на это, примеси в нём по-прежнему остаются.

Любой дефект на поверхности твэла может со временем развиться в прямой контакт топлива и воды. В этом случае, резко возрастает выход радиоактивных изотопов в теплоноситель, который, в свою очередь, распространит их по всему контуру.
Но это всего лишь вершина айсберга. При прямом контакте увеличиваются приходящие в воду тепловые потоки. Интенсифицируются процессы диссоциации молекул воды, и высвобождающийся атомарный водород осаждается на циркониевой поверхности внутренней трубки (7).

Давно установлено, что при высоких температурах водород имеет склонность к быстрому поглощению в цирконии и циркониевых сплавах, ослабляя, тем самым, связи между атомами циркония. Как результат, на макроуровне наблюдается водородное охрупчивание - циркониевая оболочка становится хрупкой, и в твэле появляются ещё большие по размерам дефекты, то есть, происходит гидридное растрескивание циркония.

Цитата из книги: Иолтуховский А.Г., Калин Б.А., Шмаков А.А. "Водородное охрупчивание и гидридное растрескивание циркониевых элементов легководных реакторов". // М.:МИФИ, 2001.
В процессе эксплуатации циркониевые изделия активных зон водоохлаждаемых энергетических атомных реакторов подвергаются коррозии в теплоносителе - окислению и наводороживанию. При этом основными источниками накопления водорода в изделиях являются "коррозионный" водород, образующийся в результате взаимодействия циркония с теплоносителем - водой или пароводяной смесью, остаточная влага в ядерном топливе - таблетках UO2 и во внутритвэльном пространстве, а также некоторые продукты радиолиза воды - H2, H, OH, H2O2.
Поглощённый изделиями водород, выделяясь затем в виде хрупкой гидридной фазы, резко ухудшает механические свойства конструкционных материалов (эффект водородного охрупчивания). Кроме того, с образованием гидридов связан особый механизм разрушения циркониевых сплавов - замедленное гидридное растрескивание. Особенно опасно протекание указанных процессов в тонкостенных оболочках тепловыделяющих элементов - твэлов, разрушение которых приводит к попаданию ядерного топлива или, по меньшей мере, газообразных и легколетучих продуктов деления в теплоноситель.


В патенте "Вестингауза" утверждается, что предварительное заполнение твэла газовой смесью, содержащей монооксид углерода (CO), позволяет существенно понизить скорость взаимодействия циркония и водорода.
Сделать это возможно за счёт предварительной накачки газа в верхний зазор (11) и последующей выдержки, позволяющей CO проникнуть в щели между урановыми таблетками (9). При появлении микротрещин у трубок (6) и (7), монооксид углерода будет выходить в теплоноситель.

Компания "Вестингауз" провела цикл исследований, по результатам которых было обнаружено - выходящий из твэла CO служит ингибитором для реакций, связанных с поглощением водорода в цирконии, причём скорости реакций падают на порядок. Ещё большего эффекта можно добиться, если предварительно нанести на циркониевые поверхности оксидный слой - сочетание оксидного слоя и выхода CO позволяет достигать 100-кратного снижения скоростей.
В экспериментах было также показано, что CO не взаимодействует ни с ураном из топливных таблеток, ни с циркониевыми оболочками твэлов. Из этого следует, что CO может находиться в активной зоне длительное время, сохраняя свои способности к замедлению эффектов наводороживания.

Физические причины столь положительного для атомных станций поведения CO заключаются в следующем - выходящий из микротрещин монооксид углерода имеет тенденцию собираться на тех же участках циркониевых поверхностей, что и водород. Таким образом, при появлении дефекта оболочка оказывается покрытой защитным слоем из CO, и шансы для атомов водорода добраться до циркония резко снижаются.

В патенте "Вестингауза" приводятся следующие цифры. В твэлы должна закачиваться газовая смесь под давлением 6-7 бар, содержащая 4,7-5,7% CO. Нижние границы давления и концентрации выбраны с таким расчётом, чтобы обеспечить надёжный выход требуемого количества моноксида.

Верхние пределы определяются теплопроводностью газа в твэле в условиях нормальной эксплуатации. Теплопроводность CO низкая. Так как этот газ будет находиться в прямом контакте с топливом, то при увеличении его концентрации выше некоторого предела возможен перегрев таблеток.

Подход "Вестингауза" к решению проблемы носит методически правильный характер, так как американская компания старается предотвратить развитие опасных ситуаций с ядерным топливом. Однако, как отмечает издание, заполнение моноксидом углерода поможет только тем конструкциям твэлов, где внутри оболочек предусмотрены большие свободные объёмы.

Патент США №7570728 выдан 4 августа 2009 года.