A fűtőelem (TVEL) a nukleáris üzemanyagot tartalmazó heterogén atomreaktor aktív zónájának fő szerkezeti eleme . A fűtőelemekben a 235 U vagy 239 Pu nehéz atommagok hasadása megy végbe , amihez hőenergia szabadul fel, amely azután a hűtőközegbe kerül . A TVEL-nek biztosítania kell a hőelvezetést az üzemanyagból a hűtőközegbe, és meg kell akadályoznia a radioaktív termékek átterjedését az üzemanyagból a hűtőközegbe.
A TVEL tüzelőanyag-magból, burkolatból és rögzítőelemekből áll. Több tüzelőanyag-rudat és rögzítőelemet egyetlen szerkezetbe egyesítenek, amelyet üzemanyag -kazettának (FA) neveznek. A TVEL felépítését és anyagait a reaktor felépítése határozza meg : a hűtőközeg hidrodinamikája és kémiai összetétele, hőmérsékleti viszonyok, a neutronfluxusra vonatkozó követelmények. A legtöbb reaktorban a TVEL egy acélból vagy cirkóniumötvözetből készült, lezárt cső, amelynek külső átmérője körülbelül egy centiméter, és hossza több tíz-száz centiméter, nukleáris üzemanyag-pellettel töltve.
Az üzemanyag rudak belsejében az üzemanyag maghasadási reakciója, valamint a neutronok kölcsönhatása a maganyagokkal és a hűtőközeggel történő kölcsönhatás következtében hő szabadul fel , amely a hűtőközegbe kerül . Szerkezetileg minden fűtőelem egy magból és egy lezárt héjból áll.
A mag a hasadóanyagon ( 233 U , 235 U , 239 Pu ) mellett tartalmazhat olyan anyagot, amely biztosítja a nukleáris üzemanyag reprodukcióját ( 238 U , 232 Th ).
A magok fémek, szinterek vagy kerámiák. Fémmagokhoz tiszta uránt , tóriumot vagy plutóniumot , valamint ezek alumíniummal , cirkóniummal , krómmal és cinkkel alkotott ötvözeteit használják . Az urán- és alumíniumporok sűrített keverékei a fém-kerámia magok anyagaként szolgálnak . A kerámiamagok esetében az urán vagy tórium oxidjait vagy karbidjait (UO 2 , ThC 2 ) szinterelik vagy ötvözik.
Az intenzív neutron- és γ-sugárzás körülményei között a mechanikai szilárdságra és a fizikai tulajdonságok stabilitására, valamint a geometriai méretekre vonatkozó magas követelményeket a kerámia és cermet magok elégítik ki legjobban, azonban a töltőanyag jelenléte miatt nagymértékben dúsított nukleáris üzemanyagot igényelnek. 235 U tartalom legfeljebb 10% vagy több). A mag ellenállásának növelése érdekében néha olyan anyagokat adnak hozzá, amelyek intenzíven elnyelik a neutronokat (például molibdén ).
A legtöbb erőművi reaktor jellemzően urán-dioxid (UO 2 ) kerámiamagot használ, amely nem deformálódik az üzemanyag elégetési ciklusa során. Ennek a vegyületnek egy másik fontos tulajdonsága a vízzel való reakció hiánya, ami a fűtőelem burkolatának nyomáscsökkenése esetén radioaktív elemek bejutásához vezethet a hűtőközegbe. Az urán-dioxid előnyei közé tartozik az is, hogy sűrűsége közel van magának az uránnak a sűrűségéhez, ami biztosítja a kívánt neutronfluxust a magban.
A tüzelőanyag-burkolat jó tömítése szükséges ahhoz, hogy megakadályozzuk az üzemanyag hasadási termékeinek a hűtőközegbe való bejutását, ami radioaktív elemek terjedéséhez vezethet a zónába és az első reaktor hűtőkörébe. Az üzemi reaktorban a héjak tömítettségének ellenőrzése a reaktor primer körében lévő elemek szintjének megfelelően történik. Ezenkívül az urán, a plutónium és vegyületeik kémiai reakciója a hűtőközeggel az üzemanyagrúd deformálódásához és egyéb nemkívánatos következményekhez vezethet.
Az üzemanyag-burkolat anyagának a következő tulajdonságokkal kell rendelkeznie:
Az üzemanyagrudak burkolatai jelenleg alumínium , cirkónium és rozsdamentes acél ötvözeteiből készülnek . A 250-270 °C-nál alacsonyabb maghőmérsékletű reaktorokban alumíniumötvözeteket, 350-400 °C-os erőreaktorokban a Zr-ötvözeteket, a magas hőmérsékletű reaktorokban pedig a neutronokat intenzíven elnyelő rozsdamentes acélt használnak. 400 °C felett. Néha más anyagokat is használnak, például grafitot.
Kerámia magok alkalmazása esetén kis rés marad köztük és a burkolat között, ami az anyagok különböző hőtágulási együtthatóinak figyelembevételéhez, valamint a hőátadás javításához szükséges a tüzelőanyag burkolat a magokkal együtt, jól hővezető gázzal van feltöltve , leggyakrabban héliumot használnak erre a célra . A tüzelőanyag-elem működése során a kezdeti rés (körülbelül 100 µm a sugár mentén) addig csökken, amíg teljesen el nem tűnik.
A VVER-1000 reaktor fűtőanyag-rúdja egy urán-dioxid UO 2 pelletekkel töltött és hermetikusan lezárt cső. Az üzemanyagrúd cső 1% nióbiummal (Zr1Nb ötvözet) adalékolt átkristályosított cirkóniumból készül. Az ötvözet sűrűsége 6,55 g/cm³, olvadáspontja 1860 °C. A Zr1Nb ötvözetnél a 350 °C-os hőmérséklet egyfajta kritikus pont, amely után az ötvözet szilárdsági tulajdonságai romlanak, míg a műanyagoké nő. A tulajdonságok legélesebben 400-500°C hőmérsékleten változnak. 1000 °C feletti hőmérsékleten a cirkónium kölcsönhatásba lép a vízgőzzel, 1200 °C-on ez a reakció gyorsan lezajlik (percek alatt) (ebben az esetben a felszabaduló reakcióhő olvadáspontra (1860 °C) melegíti a héjat, és a hidrogén alakított).
Az üzemanyagrúd cső külső átmérője 9,1 ± 0,05 mm, vastagsága 0,65 ± 0,03 mm, belső átmérője 7,72 ± 0,08 mm.
A 9–12 mm magas és 7,57–0,03 mm átmérőjű urán-dioxid tablettákat 0,19–0,32 mm átmérőjű csőbe helyezik . A tabletták közepén 2,3 mm átmérőjű lyukak találhatók, élei lekerekítettek. Hideg állapotban az üzemanyagrúdban lévő pelletoszlop teljes hossza 3530 mm. A tüzelőanyag-rúdcső hossza 3800 mm, a tüzelőanyag-pelletoszlop helyzetét osztott rozsdamentes perselyek és hőmozgást nem akadályozó rugó rögzíti.
A fűtőelem lezárásakor a belső üreg 20-25 atm nyomású héliummal van feltöltve. A fűtőelem belső térfogata (hideg állapotban 181 cm³) 70%-ban üzemanyagpellettel van feltöltve. A tüzelőanyag-rúd hossza 3837 mm, a tüzelőanyag tömege 0,93-1,52 kg [1] , az alsó végdugón keresztirányú furat található a tüzelőanyag-köteg alsó tartórácsához való rögzítéshez.
Az egyes fűtőelemek tömítettségét héliumszivárgás-érzékelő ellenőrzi. Az üzemanyagrúd tömítőelemei (cső és végrészek) a héjat, az urán-dioxid pellet a tüzelőanyag magot alkotják.
A cirkónium sikeresen ötvözi a nukleáris és fizikai jellemzőket a mechanikai tulajdonságokkal, korrózióálló az atomreaktorokban hűtőközegként használt legtöbb közegben, és technológiailag meglehetősen fejlett.
Az urán-dioxid pelletek magas olvadáspontúak (kb. 2800 °C), még magas hőmérsékleten sem lépnek kölcsönhatásba vízzel és gőzzel, és kompatibilisek az üzemanyag-burkolat anyagával.
Az urán-dioxid hővezető képessége alacsony (40-szer kisebb, mint az acélé). Az urán-dioxid sűrűsége 10,4-10,7 g/cm³. Ha láncreakció lép fel a tüzelőanyag-pellet térfogatában, egyenletesen 0,45 kW / cm³ (450 kW / l) energia szabadul fel.
Ez a hő a tabletták térfogatából a vízzel hűtött csövek (héjak) felületére távozik, így a tabletták szimmetriatengelyén a legmagasabb hőmérsékletet állítják be.
A reaktor névleges teljesítményén a hőmérséklet a fűtőelemrúd tengelyén körülbelül 1600 °C, a pellet felületén pedig körülbelül 470 °C. A maximális hőmérséklet eléri az 1940, illetve a 900 °C-ot. A tabletták és a cső (héj) közötti gázrés hőmérséklet-különbsége átlagosan 100 °C, a héjon -23 °C. A tüzelőanyag-cső külső felületének hőmérséklete körülbelül 350 °C. A fajlagos hőáram 0,6 MW/m², a lineáris hőáram pedig 17 kW/m cső.
Névleges teljesítményen a hélium nyomása eléri a 80-100 atm-t, a fűtőelem tüzelőanyag-magja pedig 30 mm-rel megnyúlik a melegítés hatására.
Az üzemanyag-pelletek tömegében a hasadó 235 U-tartalom a hadjárat kezdetén legfeljebb 5%, és ebből a frakcióból az uránnak csak 3%-a fogyasztható [2] .
A reaktorba való betöltéshez a fűtőelemeket úgynevezett üzemanyag kazettákba (FA) egyesítik, amelyeket szilárd moderátor esetén speciális csatornákba helyeznek el, amelyeken keresztül a hűtőfolyadék áramlik. Folyékony moderátorral felszerelt reaktorokban a szerelvényeket közvetlenül a térfogatában helyezik el.
A fűtőelem fő paramétere az üzemanyag elégetési mélysége . A modern VVER -ekben az égési mélység eléri az 50-60 MW nap/kg-ot 4,5-5 év alatt (3 kampány 1,5 éves vagy 5 évente).