Новый патент Вестингауза на твэлы для реакторов BWR

"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.

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.

ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru

ДАТА: 08.10.2009

Темы: ЯТЦ, Вестингауз


Rambler's Top100