Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
пожертвовать несомненными достоинствами металлического топлива. К ним относятся высокие теплопроводность и плотность (теоретическая плотность
18,7 г/см3, у оксидного—10,96 г/см3), лучший баланс нейтронов и вследствие этого меньший расход природного урана в реакторах на тепловых нейтронах (или снижение обогащения), простота и сравнительно невысокая стоимость изготовления топлива методом безотходной калибровки и совместного обжатия оболочки и сердечника, возможность получения высокой плотности энерговыделения и тем самым уменьшения объема активной зоны, достижение более высоких коэффициентов воспроизводства, особенно в реакторах на быстрых нейтронах. Все эти достоинства металлического топлива не потеряли своей технической и экономической привлекательности и в современный период развития ядерной энергетики.
В последнее время в ряде стран настойчиво проводятся исследования в надежде обойти препятствия и снова открыть дорогу
Рис. 9.15. Технологический канал с четырьмя кольцевыми твэлами Первой АЭС (Обнинск):
/ — выход теплоносителя; 2 — вход теплоносителя; 3 — верхний коллектор; 4 — отражатель; 5 — трубка подвода воды; 6 — внутренняя трубка твэла; 7 — графитовые кольца; 8 — твэл; 9 — нижний коллектор-распределитель воды
широкому применению легированного (Mo, Zr, Si, Fe, Al и др.) металлического урана в твэлах легководных реакторов с оболочками из циркониевых или алюминиевых сплавов (с которыми он совместим) и в твэлах с оболочками из легированных и нержавеющих сталей в зонах воспроизводства, а возможно, и в активных зонах реакторов на быстрых нейтронах.
Легирование урана молибденом (до 10%), цирконием, ниобием, кремнием значительно увеличивает его коррозионную стойкость в воде, снижает рост зерен, повышает размерную устойчивость при температуре до 600 0C
Снижение распухания твэлов, выполненных из корректированного (слабым легированием) металлического урана, достигается также путем образования (при прессовании) в топливном сердечнике центрального отверстия, занимающего 5—20% внутритвэльного объема. Создаваемая полость является сборником газообразных продуктов деления и компенсатором объемного расширения топлива. При этом оболочки твэлов выполняются жесткими, чтобы противостоять газовому распуханию. При изготовлении принимаются меры по обеспечению плотного контакта внутренней поверхности оболочки с сердечником. Эксперименты показывают, что в слаболегированном молибденом, кремнием, цирконием и другими металлами металлическом урановом топливе можно получать максимальную глубину выгорания до 20 000 МВт-сут/т.
При прямой замене оксидного уранового топлива металлическим по оценкам фирмы «Вестингауз электрик» для реактора PWR электрической мощностью 1000 МВт стоимость изготовления топлива .-снижается в —3 раза (в ценах 1970 г. 28 дол/кг вместо 90 дол/кг), стоимость переработки — в 1,5 раза. Необходимое обогащение составляет 1,8% вместо 3,3%.
Наибольший эффект (до 12%) может быть получен при применении металлического топлива в тяжеловодных реакторах и в реакторах на быстрых нейтронах, где можно ожидать увеличения коэффициента воспроизводства ориентировочно на 0,15—0,20 за счет меньшего смягчения спектра нейтронов и большей плотности топлива.
Металлический уран, легированный молибденом, в виде крупки, диспергированной в теплопроводной матрице, был успешно применен в конструкции твэлов топливных каналов Первой АЭС (рис. 9.15), что позволило реактору надежно работать с высоким выгоранием топлива при значительных тепловых нагрузках.
9.4. ЦИРКОНИЕВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ КАНАЛОВ, TBC И ТВЭЛОВ
В настоящее время циркониевые сплавы как конструкционные материалы применяются во всех легководных и тяжеловодных энергетических реакторах для изготовления оболочек твэлов, кожухов и дистанциоиирующих решеток сборок твэлов, а также в трубах технологических каналов (тяжеловодные канадские реакторы и водографитовые кипящие реакторы РБМК). Такое положе-
ниє в современной ядерной энергетике цирконий завоевал благодаря комплексу исключительных свойств, отвечающих основным требованиям к реакторным материалам. Циркониевые сплавы обладают:
высокой «прозрачностью» для тепловых нейтронов [имеют малые сечения (~0,18—0,19 б) радиационного захвата нейтронов];
достаточной стойкостью к коррозионному воздействию воды, пара и реакторных сред при рабочих давлениях и температурах;
высокой теплопроводностью (Л,=0,04 кал/(см-с-град) [-167,5 ВтДмтрад)]);
хорошей химической совместимостью с ядерным топливом;
приемлемой механической прочностью и пластичностью при облучении при повышенных температурах.
В США, Канаде и Западной Европе для оболочек твэлов, кожухов и каналов легководных и тяжеловодных реакторов применяются два основных циркониевых сплава: циркалой-4 и циркалой-2 (табл. 9.3); первый используется преимущественно для твэлов реакторов PWR, второй — для реакторов BWR.
Таблица 9.3. Химический состав и механические свойства циркониевых сплавов
Параметр
Циркалой-2
Циркалой-4
Сплав H-I
Сплав Н-2,5
