2.3 Опис твела проектованої конструкції

У проектованому твелі стандартне паливо у вигляді UO₂ таблеток змінюється силіцид урану. Паливна секція представляє собою повністю закриту ампулу з двох оболонковою конструкцією твела зціпленого типу і зображена на рисунку 2.3. Товщина ампули складає 0,4 мм та 1 мм з торців.

Елементи твела – довжина, кінцеві заглушки не змінюються.

Металеве паливо економічно вигідне, оскільки вміст ділимих нуклідів в ньому близько 100%, при цьому воно має високу щільність і хорошу теплопровідність. Проте ряд недоліків металевого палива стримує його вживання в енергетичних реакторах з високою енергонапруженістю. При роботі в області

400 -500°С відбувається газове розпухання урану унаслідок накопичення в ньому газоподібних продуктів ділення.

При температурі від кімнатної до 400..500°С він легко втрачає свою форму під навантаженням. Урану властиві формозмінення і радіаційне зростання, що приводять до збільшення розмірів паливного сердечника. Внаслідок вказаних причин досяжне вигоряння металевого урану невелике - воно не перевищує (4..10)∙10³ МВт діб/т U.

Можливість вживання металевого палива в сучасних енергетичних реакторах вельми перспективна. Проте для цього необхідно істотно підвищити глибину вигоряння до значення не менше (15.20)∙10³ МВт∙діб/т U. Для цього потрібна наявність вільного об'єму для розпухання твела при його роботі у реакторі. Такий об'єм може бути створений усередині паливного сердечника у вигляді отвору в центрі.

Рисунок 2.3 – Твел проектованої конструкції

2.4 Розрахунок кількості палива та його збагачення у проектованому твелі

2.4.1 Визначення маси урану у паливному сердечнику базової конструкції з (UO₂):

M_Uб.к = M_{пал.сердUO2}∙m_U / 100, (2.1)

де M_Uб.к – маса урану в об'ємі паливного сердечника базової конструкції, г;

M_{пал.сердUO2} – маса двоокису урану в об'ємі паливного сердечника базової конструкції, г;

m_U – процентний зміст урану в двоокисі урану густиною 95% від теоретичної, %.

Маса паливного сердечника рівна добутку щільності на об'єм сердечника і визначається за формулою:

M_{пал.сердUO2} = ρ_UO2∙V_c.б.к. (2.2)

Визначимо щільність двоокису урану в сердечнику базової конструкції твела:

ρ_UO2 = 0,95∙10,95 = 10,4 г/см³.

Знайдемо об'єм сердечника базової конструкції за формулою, мм³:

V_с.б.к = 0,785∙(D² – d²) ∙L_а.з, (2.3)

де D – зовнішній діаметр паливної таблетки, мм;

d – діаметр отвору в паливній таблетці, мм;

L_а.з – довжина активної зони, мм.

V_с.б.к = 0,785∙((7,57)² – (1,5)²) ∙3530 = 153410,5 мм^3..^.

Визначимо процентний вміст урану у двоокисі урану:

A_U + 2A_О = 100 %, (2.4)

де A_U – атомна вага урану;

А_О – атомна вага кисню.

Процентний вміст урану в двоокисі урану сердечника базової конструкції буде складати:

m_U = A_U∙100 / (A_U + Аo) (2.5)

m_U = 238∙100 / (238 + 32) = 88,15%.

Визначимо масу паливного сердечника:

M_{пал.сердUO2} = 10,4∙153,4 = 1595,3 г.

Таким чином, вміст урану в паливному сердечнику базової конструкції з (UO₂):

M_Uб.к = (1595,3 ∙ 88,15) / 100 = 1406,2 г.

2.4.2 Визначення об'єму цирконієвого сплаву, що міститься у деталях, потрібних для розділення паливного сердечника на секції

Об'єм цирконієвого сплаву можна визначити як різницю об'ємів між всією паливною ампулою та паливною ампулою без урахування цирконієвого сплаву:

V_{розд.пер} = (V_амп – V_{пал. амп})∙N, (2.6)

де V_амп – загальний об'єм паливної ампули, мм³;

V_{пал. амп} – об'єм паливної ампули без урахування цирконієвого сплаву, мм³;

N – кількість секцій, шт.

Загальний об'єм паливної ампули:

V_амп = 0,785∙Н_амп∙D²_амп, (2.7)

де D_амп – зовнішній діаметр паливної ампули, мм;

H_амп – довжина паливної ампули, мм.

V_амп = 0,785∙70,6∙8,1² = 3636,17 мм³.

Об'єм паливної ампули без урахування цирконієвого сплаву:

V_{пал. амп} = 0,785∙Н_{пал. амп}∙D²_{пал. амп}, (2.8)

де D_{пал. амп} – зовнішній діаметр паливної ампули без урахування цирконієвого сплаву, мм;

H_{пал. амп} – довжина паливної ампули без урахування цирконієвого сплаву, мм.

V_{пал. амп} = 0,785∙68,6∙7,3² = 2869,72 мм³.

Тоді об'єм цирконієвого сплаву буде рівний:

V_{розд.пер} = (3636,17 – 2869,72)∙50 = 38322,55 мм³.

2.4.3 Визначення об'єму займаного центральною порожниною в проектованому твелі, виходячи із запасу на розпухання 10%, мм³

V_ц.п = 0,785∙H_пал∙d²_пал∙N. (2.9)

де d_пал – діаметр центральної порожнини в паливній секції, який знайдемо як:

d_пал = 0,1∙D² _пал (2.10)

мм.

Тоді об'єм займаний центральною порожниною буде рівний:

V_ц.п = 0,785∙68,6∙2,15²∙50 = 14367,72 мм³.