DD-first report-Savchenko-TM-2014-ru-2

Оболочка – сталь ЭИ-847 Толщина стенки оболочки – 0. 15 мм Описанный диаметр – 5,15 мм

Максимальное выгорание – 80 at.% или 1,6 g-fp/см3 (под оболочкой или 200 MW*d/kgU в пересчете на стандартный твэл реактора VVER-1000 )

Рис. 21 Внешний вид и макросечение твэла [27, 32]

Стальная оболочка позволяет изготавливать твэл любой формы, что увеличивает его тепловую мощность

Оболочки для ПЭЬ

Рис. 22. Поперечное сечение ТВС [28-31]

Помимо известных классов материалов (ферритные стали типа FeCrAl и нержавеющие стали) ВНИИНМ разрабатывает также новый класс хромоникелевых сталей, рассматриваемых сейчас как один из вариантов для твэла ПЭБ с толщиной стенки 0,15 – 0,30 мм, выпускаемых в промышленном масштабе

12

Рис. 23. Зависимости предела текучести и равномерного относительного удлинения сплава CrNi и стали ЭИ844 от флюенса [28-31, 33, 34]

Особенности применения стальных оболочек для водоводяных реакторов

Для твэлов сложной формы, позволяющих увеличит теплоотдачу и мощность реактора, можно использовать только дисперсионное топливо, разработанное во ВНИИНМ

Рис. 24. Возможность изготовления оболочек сложной формы для увеличения теплосъема для реакторов типа ВВЭР [28, 32, 35, 36].

Основной подход к использованию стальных оболочек для реакторов ВВЭР – не разработка новых сплавов, а использование уже готовых разработанных в промышленном масштабе и испытанных сплавов, имеющих значительно лучшую устойчивость к аварийным ситуациям, чем циркониевые сплавы.

13

Разработанное дисперсионное топливо в стальных оболочках в малых реакторах типа ВВЭР позволило достичь:

- максимального выгорания 1,0 г-оск/см3 под оболочкой твэла, что равносильно выгоранию 120 MW*d/kgU твэла реактора ВВЭР-1000), при толщине оболочки 0.20 - 0.30 мм [28-31].

Разработка защитных покрытий на циркониевые оболочки

ВНИИНМ обладает уникальным оборудованием и промышленной технологией изготовления покрытий разного типа, прежде всего, методами сверхзвукового распыления, а также высокоскоростным ионно-плазменным магнетронным распылением (ВИПМР) (рис. 25) [37-41]

Рис. 25. Внешний вид установок для сверхзвукового и ВИПМР распыления [37-41]

Покрытия на оболочках твэлов из сплавов циркония препятствуют высокотемпературному окислению Наиболее оптимально применение керамических покрытий (SiC, ZrN), а также покрытий из Cr, Ni-Cr нержавеющей стали и титановых сплавов.

Холодное распыление

Физическая основа – Эффект закрепления т в е р д ы х частиц, движущихся со сверхзвуковой скоростью, на

поверхности при соударении с ней.

14

B4C

SiC

B4C

SiC

Рис. 27. Образцы покрытых трубок

Рис. 28. Примеры образцов с покрытиями

16

ВИМПР распыление

Рис. 29. Схема и внешний вид ВИМПР установки [39-41]

Технологические параметры напыления [39-41]:

150 мкм/мин - металлические покрытия

50 мкм/мин – керамические покрытия Толщина: 0.1-50 мкм

В таблице 5 приведены характеристики твердосплавных покрытий, на рис. 30-32 внешний вид изделий с покрытиями, а в таблице 6 - виды продукции и себестоимость некоторых типов покрытий

Таблица 5.

17

Рис. 31. Примеры образцов с покрытиями [39-41]

Рис. 32. Примеры образцов с покрытиями [39-41]

Таблица 6

Задача дальнейших исследований – оптимизировать покрытия на оболочках и усовершенствовать технологию

Разработка холодного топлива

Применение холодного топлива высокой теплопроводностью для уменьшения количества запасенного тепла. ВНИИНМ является головной организацией в России по разработке дисперсионного топлива для легководных реакторов.

Схема работ во ВНИИНМ по разработке топлива представлена на рис. 33 [10]

19

ВНИИНМ

Рис. 33. Схема работ во ВНИИНМ по разработке топлива [10]

Одним из направлений разработки устойчивого к авариям топлива (ATF) является разработка «холодного» топлива, позволяющего снизить температуру при аварийных ситуациях, особенно в начальной стадии за счет меньшего количества запасенного тепла. Низкие рабочие температуры топлива (400-600 0С) обеспечиваются при теплопроводности топлива более 10 Вт*м/град. При этом желательно наличие диффузионного сцепления между оболочкой и топливным сердечником, что позволяет еще больше снизить температуру топлива.

Композитное топливо

Для реакторов типа ВВЭР и PW R сейчас разрабатывается инновационное топливо на базе композитов, представляющее собой высокоплотное металлическое топливо, в том числе U3Si в матрице из циркониевых сплавов [34, 35, 42-55]. В композит может также добавляться керамическое топливо – порошок PuO2 (аналог МОХ). Композитное топливо имеет также внутреннюю регулируемую пористость для компенсации распухания и размещения газообразных продуктов деления

20