16.4. Шаровые твэлы.

Для отечественных высокотемпературных реакторов с газовым охлаждением ВГР-50 и ВГ-400 была предложена шаровая конструкция твэлов с диаметром 60 мм и толщиной пироуглеродного покрытия 5 мм, рис.8. Изготовление таких твэлов осуществляется двумя методами: прессованием предварительно сформированной шихты и химическим связыванием предварительно сформированной шаровой заготовки пироуглеродом.

Первый процесс базируется на методах порошковой металлургии и включает измельчение графита, смешивание порошка графита с микросферами и со связующим, пластифицирование пресс-массы, прессование шаровых заготовок, термическую обработку сформованных шаровых твэлов.

В качестве наполнителей матричной композиции используют искусственные графиты на основе прокаленного (графит 30ПГ) и непрокаленного (графит МПГ-6) нефтяных коксов, обладающих низким содержанием нейтронопоглощающих примесей.

Пресс-порошки для шаровых твэлов изготавливают из графитов 30ПГ или МПГ-6 в качестве наполнителя дискретного гранулометрического состава и каменноугольного пека в качестве связующего (массовая доля 18-20%). Затем проводят прессование шаровых заготовок твэлов и двухстадийную термообработку: карбонизацию при 600-800С и спекание в вакууме при 1600-1900С. Такая обработка позволяет сблизить свойства графита и связующего пека.

Рис. 8. Шаровые твэлы ВТГР.

1 – Оболочка графита; 2 – шаровые микротвэлы; 3 – графитовая матрица;

Исследование таких шаровых твэлов в условиях высокотемпературных потоков газа показало их высокую прочность и работоспособность. Характеристики шаровых твэлов на основе графита 30ПГ представлены в табл.5.

Таблица 5.

Характеристики шаровых твэлов на основе графита 30пг.

Динамическая прочность: Число падений на стальную плиту с высоты 1 м Высота двукратного падения на стальную плиту, не приводящего к разрушению, м	>3000 (G2,5% масс.) 17,5
Средняя интенсивность износа в контуре циркуляции, мг/км	 30
Коррозия в среде гелия с объемной долей H2O 1% при 1000С, мг/(см2.ч)	< 0,25
Исходная герметичность (относительная утечка 135Xe при 1050С из общего объема)	 3.10-6

Метод объемного уплотнения пироуглеродом пористой заготовки заключается в следующем. Порошок графита смешивают с микротвэлами делящегося материала и с легко удаляющимся без образования коксового остатка пластификатором. Затем из полученного пресс-порошка формуют шаровые заготовки твэлов, связывают их пироуглеродом с последующей термообработкой при 1600С и механически обрабатывают до заданного размера. Полученные таким образом шаровые твэлы характеризуются близкими механическими свойствами твэлам, полученным из графита МПГ-6.

16.5.Реакторные испытания микротвэлов и шаровых твэлов.

Реакторные испытания образцов матрицы на основе графита 30ПГ при температуре 900-1100С и флюенсе нейтронов ~ 1,7^.10²¹ см^-2 показали, что максимальная линейная усадка наблюдается в направлении, перпендикулярном оси прессования, и составляет 1,2%.

Для облучения твэлов на пироуглеродной связке равномерная объемная усадка без образования трещин и нарушения сплошности составляет 3%.

Теплопроводность облученных образцов на основе графита 30ПГ изменяется от 22 Вт/(м^.К) при 22С до 35 Вт/(м^.К) при 800С и выше.

Предел прочности в случае изгиба при 22С увеличивается с 28 МПа до 35 МПа для облученных образцов.

Облучение микротвэлов и шаровых твэлов с UO₂ на исследовательских реакторах проводили при следующих условиях.

Температура в центре твэлов, С	450 – 1600
Число теплосмен	20 – 150
Выгорание, % aт.	До 40
Флюенс нейтронов (E>0,18 МэВ)	2,3.1021
Длительность облучения, ч	До ~ 33000

Относительный выход газообразных продуктов деления из шаровых твэлов при выгорании до ~ 10 % составил < 10^-5 при всех температурных режимах до 1400С.