Способ предотвращения йодного коррозионного растрескивания циркониевых оболочек твэлов ядерных реакторов

1. СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЙОДНОГО КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ЦИРКОНИЕВЫХ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, заключающийся в том, что во внутреннюю полость оболочки тепловыделяющих элементов вводят цезий, образующий химическое соединение с йодом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и упрощения способа, под оболочку тепловыделяющего элемента вводят цезий в виде пара со скоростью не ниже, чем скорость выхода йода при делении ядерного горючего.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник паров цезия размещают во внутренней полости твэла, а скорость поступления паров цезия регулируют изменением нагрева источника.
3. Способ по пп.1,2, отличающийся тем, что в качестве источника паров цезия используют цезированный графит или химические соединения цезия, разлагающиеся с выделением паров цезия при нагреве твэла.
4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что внутреннюю поверхность оболочки твэла покрывают графитом и обрабатывают в парах цезия.
5. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что внутреннюю поверхность оболочки твэла насыщают цезием, зажигая внутри оболочки тлеющий разряд в парах цезия.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам предупреждения возникновения такого явления как йодное коррозионное растрескивание под напряжением оболочек твэлов ядерных реакторов, изготовленных из циркониевого сплава.
Известен способ предупреждений йодного коррозионного растрескивания оболочек твэвлов ядерных реакторов из циркониевого сплава, заключающийся в том, что между соседними таблетками из двуокиси урана размещают вставку из никеля или никелевого сплава. Затем никель испаряют, и он осаждается в виде защитной пленки на внутренней поверхности оболочки из циркалоя. Защитная пленка препятствует проникновению йода в оболочку и предотвращает ее разрушение.
Недостатком известного способа является ухудшение ядерно-физических свойств ядерного топлива за счет уменьшения объема делящегося вещества, которое объясняется необходимостью введения неделящегося материала-никеля или его сплава в столб ядерного топлива. Кроме того, защитное покрытие (пленка) склонно к растрескиванию и не способно полностью устранить взаимодействие паров йода с оболочкой.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ предотвращения йодного коррозионного растрескивания циркониевых оболочек твэлов ядерных реакторов, заключающийся в том, что в состав ядерного топлива из двуокиси урана вводят цезий, осаждаемый при спекании топлива на границах зерен. Образующийся при делении урана йод реагирует с цезием, и продукты реакции сосредотачиваются на границах зерен топлива, предотвращая выход свободного йода в зазор между топливом и оболочкой, что снижает коррозионное растрескивание оболочки.
Недостатками этого способа является увеличение паразитного захвата нейтронов и уменьшение полной загрузки горючего вследствие того, что вся загрузка цезия в топливо для поглощения выделяющегося йода осуществляется в течение всей кампании одновременно и затем, поскольку цезий при рабочих температурах связывается в более устойчивые соединения типа молибдатов и уранатов цезия, некоторые не поглощают йод, постоянно требуется дополнительная загрузка цезия в топливо. Кроме того, увеличивается вероятность йодного коррозионного растрескивания циркониевых оболочек твэлов при возникновении трещин в топливе и в покрытии зерен, а также из-за выделения свободного йода при разложении йодистого цезия.
Цель изобретения повышение эффективности и упрощения способа предотвращения йодного коррозионного растрес- кивания циркониевых оболочек твэлов ядерных реакторов.
Указанная цель достигается тем, что в способе предотвращения йодного коррозионного растрескивания циркониевых оболочек твэлов ядерных реакторов, заклю- чающемся в том, что во внутреннюю полость оболочки тепловыделяющихся элементов вводят цезий, образующий химическое соединение с йодом, цезий вводят под оболочку тепловыделяющего элемента в виде пара со скоростью не ниже, чем скорость выхода йода при делении горючего.
Кроме того, источник паров цезия размещают во внутренней полости твэла, а скорость поступления паров цезия регулируют изменением нагрева источника, при этом в качестве источника паров цезия используя цезированный графит или химические соединения цезия, разлагающиеся с выделением паров цезия при нагреве твеэла. Кроме того, внутреннюю поверхность оболочки твэла покрывают графитом и обрабатывают в парах цезия или насыщают цезием, зажигая внутри оболочки тлеющий разряд в парах цезия.
Способ осуществляют следующим образом.
Под оболочку тепловыделяющего элемента вводят специальный источник паров цезия (преимущественно химический) что позволяет создать во всем объеме под оболочкой твэла определенную упругость паров цезия. В процессе деления ядерного оксидного топлива из топливной таблетки под оболочку выделяется йод, который улавливается цезием тотчас по его освобождении и связывается в йодистой цезий, который в виде пленки оседает на внутренней повеpхности оболочки и предохраняет оболочку от взаимодействия с топливом и уменьшает эффект "термического храповика". Заполнение полости твэла парами цезия не снижает загрузку топлива и предохраняет циркониевую оболочку от воздействия йода даже при трещинообразовании. Пары цезия вводят со скоростью образования йода, которая определяется мощностью твэла
G W q y [атом/с] где W тепловая мощность твэла;
q количество делений на 1 Вт тепловой мощности (3,3х10¹⁰ дел/с);
y относительный выход изотопов I (определяется законом деления) 0,009.
Поэтому в активной зоне отсутствует избыточное количество цезия и уменьшается паразитный захват нейтронов.
В качестве источника паров цезия можно использовать ампулу с металлическими цезием, цезированный графит, смесь порошков циркония и хромата цезия с избытком циркония. Необходимая скорость поступления паров цезия обеспечивается нагревом источника за счет выделения в твэле. Пары цезия также могут быть введены во внутреннюю полость твэла из внутренней поверхности циркониевой оболочки предварительно обработанной в тлеющем разряде в парах цезия или из графитового покрытия на внутренней поверхности оболочки твэлов предварительно насыщенного цезием.
По сравнению с известными техническими решениями предлагаемый способ обладает техническими преимуществами, а именно: в состав топливного столба не вводится дополнительный элемент активная добавка, что улучшает ядерно-физические свойства и упрощает технологию изготовления твэлов; активная добавка вводится постепенно по мере образования и выделения йода. Снижается эффект "термического храповика" за счет смазывающего действия пленки йодистого цезия на внутренней поверхности твэла. Дополнительный эффект саморегулирование количества активного элемента в объеме твэла от выхода йода обусловлен зависимостью упругости паров активной добавки и скорости образования йода от тепловой мощности твэла.
Сущность изобретения: способ заключается во введении во внутреннюю полость оболочки твэлов цезия в виде пара со скоростью не ниже, чем скорость выхода цода при делении ядерного горючего. В качестве источника паров цезия может использоваться цезированный графит. Внутренняя поверхность оболочки твэла может покрываться графитом с последующей обработкой в парах цезия. 4 з.п.ф-лы.