Основные конструкционные материалы, используемые в активных зонах ядерных реакторов, и их главные свойства

Основной конструктивной деталью гетерогенной активной зоны является ТВЭЛ, в значительной мере определяющий ее надежность, размеры и стоимость.

В современных энергетических реакторах, как правило, используются стержневые твэлы с топливом, заключенным в оболочку из стали или циркониевого сплава.

Твэлы для удобства собираются в тепловыделяющие сборки (ТВС), которые устанавливаются в активной зоне реактора. Более 90% всей энергии, освобождающейся при делении ядер, выделяется внутри твэлов и отводится обтекающим твэлы теплоносителем.

Условия работы твэлов осложняются высокой рабочей температурой, достигающей 300÷600⁰С на поверхности оболочки, возможностью тепловых ударов, вибраций, наличием потока нейтронов, а это требуют исключительно высокой стойкости и надежности твэлов.

К твэлам предъявляются высокие технические требования:

- простота конструкции;

- механическая устойчивость и прочность в потоке теплоносителя, обеспечивающая сохранение размеров и герметичности;

- малое поглощение нейтронов конструкционным материалом твэла и минимум конструкционного материала в активной зоне

- отсутствие взаимодействия ядерного топлива и продуктов деления с оболочкой твэла, теплоносителем и замедлителем при рабочих температурах.

Геометрическая форма твэла должна обеспечивать требуемое соотношение площади поверхности и объема и максимальную интенсивность отвода теплоты теплоносителем от всей поверхности твэла, а также гарантировать большую глубину выгорания ядерного топлива и высокую степень удержания продуктов деления. Твэлы должны обладать радиационной стойкостью, иметь требуемые размеры и конструкцию, обеспечивающие возможность быстрого проведения перегрузочных операций; обладать простотой и экономичностью регенерации ядерного топлива и низкой стоимостью.

В целях безопасности надежная герметичность оболочек твэлов должна сохраняться в течение всего срока работы активной зоны (3÷5 лет) и последующего хранения отработавших твэлов до отправки на переработку (1÷3 года).

Условия работы твэлов в значительной мере определяются конструкцией активной зоны, которая должна обеспечивать проектную геометрию размещения твэлов и необходимое с точки зрения температурных условий распределение теплоносителя. Через активную зону при работе реактора на мощности должен поддерживаться стабильный расход теплоносителя, гарантирующего надежный теплоотвод.

Максимальный проектный предел повреждения твэлов соответствует не превышению следующих предельных параметров:

· температура оболочек твэлов - не более 1200^оС;

· локальная глубина окисления оболочек твэлов – не более 18% первоначальной толщины стенки;

· доля прореагировавшего циркония – не более 1% его массы в оболочках твэлов.

Алюминий и его сплавы.

Алюминий и его сплавы широко применяются для низкотемпературных реакторов с водяным и органическим теплоносителями при температуре не выше 250-300⁰С. Предел прочности сплавов при 20⁰С равен 120-150 МПа, а предел текучести 40-60 МПа; при температуре порядка 200⁰С эти показатели соответственно снижаются до 90-100 и 30-40 МПа.

Алюминиевые сплавы обладают очень высокой теплопроводностью и низким сечением захвата тепловых нейтронов. Они технологичны, широко применяются в технике. Все это делает их привлекательными для использования в реакторостроении.