Введение

Проблема выбора конструкционных материалов ядерных реакторов всегда была актуальной. Наиболее важным конструктивным элементом в ядерном реакторе на тепловых нейтронах является тепловыделяющий элемент. Для создания нового материала оболочки твэла необходимо решить ряд задач: способность противостоять внешним нагрузкам длительное время, сохранять стойкость при радиационном воздействии и коррозионном воздействии теплоносителя и делящегося топлива. Важным является обеспечение однородного фазового состояния готовых труб, так как внешние условия несколько различаются для различных частей твэла.

Данный курсовой проект имеет целью осуществить выбор материала для оболочки тепловыделяющего элемента реактора на тепловых нейтронах на основе системы сплавов Zr-Nb.

1. Исходные данные к проекту

1. Индивидуальное задание

В таблице 1.1 представлено индивидуальное задание к курсовому проекту.

Таблица 1.1 - Исходные данные к проекту

№	Основа материала	Характеристика материала	Назначение материала	Условия работы материала
				Время работы tраб	T, °C	σр, МПа	Среда	Нейтроны, 1019 н/(м2∙с)
								Быстрые φб	Тепловые φт
26. 1. 5	Zr - Nb	Сплав	Оболочка твэла реактора на тепловых нейтронах	(3÷5) лет	310	200	H2O, UO2	0,1	0,1

Целевое задание: снижение отрицательного влияния гидридной фазы на механические свойства.

2. Описание конструктивного элемента.

Энергетические реакторы на тепловых нейтронах классифицируют по замедлителю на графитовые, легководные, тяжеловодные [1]. Одной из сред для разрабатываемого материала является оксид урана, а другой - H₂O, из чего делаем вывод, что речь идет о легководном реакторе. В свою очередь легководные реакторы существуют двух типов: водо-водяные (замедлитель – вода под высоким давлением в жидком состоянии) и корпусные кипящие (замедлитель – пароводяная смесь). Так как одной из рабочих сред для разрабатываемого материала является вода исключительно в жидком состоянии, то будем рассматривать оболочку твэла для водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР).

Конструкция тепловыделяющего элемента для такого реактора, представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Принципиальная конструкция твэла водо-водяного энергетического реактора

1 - нижняя заглушка, 2 - промежуточный наконечник с отверстием для заполнения гелием, 3 - упругая втулка-фиксатор, 4 - топливная таблетка, 5 - трубчатая оболочка твэла из цирконий-ниобиевого сплава, 6 - верхняя заглушка с фиксатором, 7 - герметизирующая наплавка [2]

Оболочка твэла для водо-водяного реактора изготавливается из металлических трубок, выполненных из цирконий-ниобиевого сплава. Трубки, заполненные UO₂, с торцов герметизируются стальными наконечниками. Между оболочкой и сердечником твэла предусмотрен зазор толщиной 0,05-0,1 мм для компенсации температурных расширений. Внутренняя полость твэлов заполняется инертным газом гелием под небольшим избыточным давлением, что позволяет вести контроль герметичности. Для скопления газообразных продуктов деления оставляются свободные торцевые объемы; центральное отверстие в таблетках сердечника также играет роль дополнительной емкости для газовых продуктов деления. Активная зона охлаждается теплоносителем (H₂O), текущим снизу вверх.

К конструкции тепловыделяющих элементов предъявляется ряд требований [3]:

• механическая устойчивость и прочность в потоке теплоносителя, обеспечивающая сохранение размеров и герметичности на весь срок службы

• малое поглощение нейтронов конструкционными материалами и его минимальное количество в активной зоне

• отсутствие взаимодействия делящегося вещества и продуктов деления с оболочкой твэла и теплоносителем

• обеспечение высокой степени удержания продуктов деления под оболочкой твэла

• радиационная стойкость конструкционных материалов

В дальнейшем будем рассматривать конкретный тип реакторов в серии ВВЭР, а именно ВВЭР-1000. Основные эксплуатационные параметры твэлов в реакторе типа ВВЭР-1000 представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Условия работы твэла [1]

Параметр	Величина
Среда	Дистиллят с нормированным качеством
Средняя линейная нагрузка на твэл, 102 Вт/м	176
Давление гелия, МПа	2,5
Давление теплоносителя, МПа	16
Температура на входе в активную зону, °C	289
Температура на выходе из активной зоны, °C	321
Средняя глубина выгорания топлива, МВт∙сут/т	40000

На рисунке 1.2 схематично показаны воздействия, оказываемые на конструктивный элемент. Температура теплоносителя на входе в активную зону (то есть в нижней части твэла) несколько меньше, чем на выходе из нее (в верхней части твэла). Это обуславливает градиент температуры в оболочке. Давление гелия на внутреннюю поверхность оболочки равномерно и составляет 2,5 МПа, а давление теплоносителя на внешнюю поверхность оболочки составляет 16 МПа. При делении топлива образуются твердые (ТПД) и газообразные продукты деления (ГПД). Последние оказывают коррозионное воздействие на внутреннюю поверхность оболочки. На внешнюю поверхность оболочки коррозионное воздействие оказывает теплоноситель.

Рисунок 1.2 – Воздействия, оказываемые на оболочку твэла (T₁ = 289°С, Т₂ = 321°С)