Твэлы являются наиболее ответственными и самыми напряженными конструкциями активной зоны современного ядерного энергетического реактора. Генерируемая в твэлах за счет расщепления ядер делящихся нуклидов тепловая энергия отводится теплоносителем. В общем виде твэл состоит из герметичной оболочки, внутри которой размещается ядерное топливо и локализуются радиоактивные продукты деления. Оболочка обеспечивает требуемую механическую прочность конструкции, ее размерную стабильность, а также защищает ядерное топливо и продукты деления от коррозионно-эрозионного воздействия теплоносителя. Герметизация оболочки осуществляется приваркой по торцам концевых деталей. Конструкция твэла должна обеспечить его надежную работу в течение очень длительного времени в чрезвычайно тяжелых условиях эксплуатации.
Твэл считается работоспособным, если он в течение всего времени эксплуатации герметичен и его геометрические размеры не изменились настолько, чтобы заметным образом ухудшились внешнее охлаждение и объемное распределение температур в активной зоне. Выход твэла из строя приводит к наиболее опасным последствиям — попаданию ядерного топлива и продуктов деления в контур теплоносителя. Поэтому одна из главных задач при разработке активной зоны любого ядерного реактора гетерогенного типа заключается в создании надежных конструкций твэлов.
Конструкция твэл: 1 — пробка; 2 — таблетки диоксида урана; 3 — корпус (оболочка); 4 — прижимная пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.
Сердечник твэлов в виде набора спеченных цилиндрических таблеток из диоксида обогащенного урана размещается в оболочке из циркониевого сплава. Для пространственной фиксации топливного столба и обеспечения его сплошности в твэле размещается фиксирующий элемент различного конструктивного оформления: пружина, разрезная втулка и др. Герметизация твэла осуществляется приваркой по торцам оболочки заглушек. В твэле предусмотрен свободный объем для сбора газообразных продуктов деления (ГПД). Несмотря на относительную простоту конструкции, определение ее оптимальных параметров, рабочих характеристик и ресурса работы требует изучения целого ряда сложных процессов и явлений, протекающих при эксплуатации твэла. При этом от правильного выбора исходных параметров твэла, надежного прогнозирования их изменений в рабочих условиях, а также полного учета всех нагрузок, которые воздействуют на конструкцию, зависит успешное функционирование твэла. Комплекс основных факторов, нагрузок и процессов, приводящих к накоплению повреждений и соответствующему снижению ресурсных характеристик твэла, можно разбить на две группы: внешние и внутренние.
К внешним относятся: давление теплоносителя; коррозия и фреттинг-коррозия со стороны теплоносителя; нейтронное облучение, приводящее к деградации механических свойств материалов и структурным изменениям в них; перегревы оболочки из-за их окисления и отложения продуктов коррозии, а также из-за локальных неравномерностей охлаждения твэлов (например, в местах касания дистанционных решеток); динамические нагрузки, возникающие из-за вибраций при прохождении теплоносителя через активную зону; гравитационные силы; термомеханические воздействия вследствие асимметрии температурных полей из-за неравномерности нейтронного потока и несимметричности теплосъема; циклические и термоциклические нагрузки, возникающие при изменениях мощности реакторной установки.
К внутренним относятся: давление ГПД под оболочкой твэла; термические напряжения от теплового потока; термомеханические напряжения из-за различия в температуре и коэффициенте термического расширения топливного сердечника и оболочки; механическое воздействие на оболочку распухающего сердечника; коррозионное воздействие со стороны агрессивных по отношению к оболочке продуктов деления (ПД), приводящие либо к обычной фронтальной или межкристаллитной коррозии, либо к накоплению повреждений из-за коррозионного растрескивания (при реализации в оболочках растягивающих напряжений); фрикционное взаимодействие топливного сердечника и оболочки.
К внутренним факторам следует также отнести отклонения от идеальных геометрии, формы, несплошность оболочки и топливного сердечника, отклонения номинальных значений содержания легирующих элементов в материалах, определяемые технологическими возможностями промышленного производства
твэлов и применяемыми методами и приборами контроля, а также экономическими соображениями.
Под действием перечисленных выше факторов происходят не только изменения геометрии и формы твэлов, но. и накопление повреждений в оболочке. Если все эти факторы будут не в полной мере учтены при разработке конструкции или их учету не предшествуют достаточно глубокие исследования с целью понимания их воздействия на рабочие и ресурсные характеристики твэла, то будет наблюдаться преждевременная разгерметизация оболочки и выход твэла из строя.
Правильный подход к решению вопросов эксплуатационной надежности конструкции твэла позволяет оптимально сочетать требуемую безопасность и высокие экономические показатели работы реакторной установки.
Чрезмерный консерватизм в выборе допускаемых запасов приводит к повышению стоимости производства твэлов и возрастанию доли стоимости топливной составляющей в общей стоимости электроэнергии, вырабатываемой на . С другой стороны, недостаточная обоснованность тех или иных конструкторских и технологических решений и допустимых эксплуатационных параметров твэлов может привести к серьезным их разрушениям, к снижению безопасности реакторной установки, а в отдельных случаях к аварийным ситуациям с большим экономическим ущербом.
В основу разработки конструкции твэлов и определения допустимых эксплуатационных характеристик и ресурса их работы заложены принципы оценки запасов по следующим критериям:
1) по температуре плавления топлива, оболочки, дистанционирующих элементов при всех условиях эксплуатации и при максимальной проектной аварии (МПА);
2) по температуре начала физико-химического или металлургического взаимодействия между топливом и оболочкой, теплоносителем и оболочкой, топливом и теплоносителем;
3) по комплексу факторов, приводящих к кризису теплосъема (для водоохлаждаемых реакторных установок);
4) по критическому давлению потери устойчивости оболочки, включая потерю устойчивости вследствие ползучести;
5) по напряжениям коррозионного растрескивания и глубине прорастания трещины в оболочке в условиях агрессивной осколочной внутритвэльной среды;
6) по величине коррозии со стороны теплоносителя, включая локальное окисление при нормальных условиях эксплуатации;
7) по величине окисления оболочки и доли прореагировавшего циркония в условиях МПА;
8) по величине деформации, включая условия МПА по предельному напряженному состоянию, по длительней прочности материала оболочки, в том числе для условий работы материала в среде, имитирующей агрессивные продукты деления;
9) по количеству и величине циклических, реверсивных и односторонних деформаций;
10) по величине динамических нагрузок, в том числе при максимальном расчетном землетрясении.
Конструкция твэла должна удовлетворять ряду требований, среди которых наиболее важными являются:
1) сохранение герметичности оболочки твэла и всех его узлов в различных; эксплуатационных режимах в течение требуемого ресурса работы;
2) конструкция и технология изготовления твэлов должны быть простыми и недорогими, позволяющими применять высокопроизводительные автоматизированные технологические процессы при изготовлении;
3) материалы, входящие в состав твэла, должны быть совместимы между собой, обладать хорошей коррозионной и эрозионной устойчивостью в движущемся теплоносителе, коррозионной устойчивостью к продуктам деления, хорошей радиационной стойкостью, т.е. в минимальной степени изменять свои свойства, структуру и размеры под действием реакторного облучения;
4) конструкция и технология изготовления твэлов должны обеспечивать отсутствие локальных перегревов и концентраций напряжений, которые могут быть причиной разрушения;
5) применяемые в твэлах конструкционные материалы должны иметь низкое сечение паразитного захвата нейтронов, а их объемная доля должна быть минимальной;
6) в интервале рабочих температур топливный материал не должен иметь фазовых превращений с большими объемными изменениями;
7) топливный материал, используемый в твэле, должен быть совместим с теплоносителем и оболочкой твэла в условиях нормальной эксплуатации, а при МПА наличие взаимодействия не должно приводить к полному разрушению твэла;
8) объемное содержание воспроизводящего материала (238U, 232Th) в топливной композиции должно быть достаточно высоким, с тем чтобы можно было обеспечить хорошее внутреннее воспроизводство вторичного ядерного горючего;
9) топливные и конструкционные материалы, используемые в твэлах, принятые конструкторские и технологические решения должны обеспечить условия для последующего хранения, транспортировки и радиохимической переработки твэлов.
При проектировании систем электропередач требуется обеспечить безопасную её эксплуатацию. Узо Мюллер обесточит сеть при опасности поражения электрическим током.
