Твэл с уран-ториевым топливом

(2009.01), 01 43/01 (2009.01), 21 7/24 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ 1. таблетки каждого вида топлива расположены по высоте поочередно одна за другой,количество ториевых таблеток равно количеству урановых таблеток, высота ториевых таблеток НТ устанавливается равной НН, где Н высота урановых таблеток,а отношение энерговыделения в ториевых таблетках к энерговыделению в урановых таблетках, а радиус центрального отверстия в таблетках с ториевым сырьемвыполнен в соответствии с выражением где- внешний радиус таблеток,- внутренний радиус таблеток с урановым сырьем, ,плотность урановой и ториевой таблетки соответственно. 2. значение плотности тория в ториевых таблетках устанавливают меньшим значения плотности урана в урановых таблетках, например,ториевые таблетки изготавливают из двуокиси тория, а урановые таблетки из нитрида урана. Техническим результатом является-снижение неравномерности линейного энерговыделения по высоте твэла, повышение допустимой мощности реактора и обеспечение возможности разделения различных по составу таблеток для переработки топлива на основании различия в их геометрии.(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт атомной энергии Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Министерства энергетики и минеральных ресурсов Республики Казахстан Министерства энергетики США по торий-урановому топливу//Атомная техника за рубежом, 2005,12. с.3-12(57) Предлагаемое изобретение относится к области энергетики, а именно к конструкции теплового ядерного реактора с высоким воспроизводством делящихся веществ, работающего на топливе двух видов - урановом и ториевом. Твэл, содержит топливо двух видов, с урановым сырьем и ториевым сырьем, каждый из видов топлива размещен в отдельных таблетках,расположенных на различных высотах, каждая таблетка выполнена с центральным отверстием,отличием является то, что 23235 Предполагаемое изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к конструкции теплового ядерного реактора с высоким воспроизводством делящихся веществ,работающего на топливе двух видов - урановом и ториевом. Существуют различные подходы к использованию смешанного уран-ториевого топлива. Подход Радковского.-- . - ., 2000,5-6. , 54. основан на минимизации работ с облученным топливом, вплоть до их исключения, что привлекательно на этапе ограниченного использования атомной энергии. Широкомасштабная атомная энергетика требует расширенного воспроизводства делящихся веществ,что невозможно без переработки и повторного использования отработавшего топлива. Эта задача может быть решена на основе применения тепловых реакторов с высоким воспроизводством делящихся веществ с минимальным использованием обогащения урана (или без обогащения в ряде случаев) на основе равновесного замкнутого топливного цикла Котов В.М., Котов С.В. Воспроизводство делящихся веществ в тепловых реакторах. // Атомная энергия. 2007 г. Т 103 вып. 5. с. 327-329. Особенностью переработки топлива в этой технологии является замена части сырьевого урана-238 в отработавшем топливе на свежую смесь, содержащую уран - 238 и уран 235, торий и наработанный уран - 233 должны оставаться в топливе для последующего использования. Известна конструкция твэла, в которой таблетки состоят из гомогенной смеси окислов урана и тория. Такая конструкция позволяет обеспечивать максимально возможную равномерность линейного энерговыделения в твэле Соколова И.Д., Блинова И.В. Результаты выполнения проектаМинистерства энергетики США по торийурановому топливу. Обзор.//Атомная техника за рубежом. 2005 г.12. с. 4. К недостаткам конструкции следует отнести меньшую прочность смеси оксидов урана и тория по сравнению с чистыми оксидами как урановыми,так и ториевыми, а также появление потерь урана 233 при химической переработке отработавшего топлива, так как с удаляемым ураном - 238 будет удаляться и наработанный в кампании уран - 233. Известна конструкция твэла, в которой содержатся таблетки разного типа по содержанию сырья, ториевые и урановые, причем ториевые и урановые части занимают различные радиальные части твэла Соколова И.Д., Блинова И.В. Результаты выполнения проекта Министерства энергетики США по торийурановому топливу. Обзор. // Атомная техника за рубежом. 2005 г.12. с. 3 - 12. с. 8, вариант ,коаксиальное расположение, . Такая конструкция позволяет проводить раздельно химическую переработку ториевого и уранового топлива, что исключает потери урана - 233 (как в предыдущем аналоге). Положительным свойством 2 данной конструкции является равномерность энерговыделения по длине твэла. Недостатками такой конструкции являются сложность обеспечения контакта коаксиальных таблеток между собой, необходимого для передачи тепла от внутренней таблетки к теплоносителю, что ведет к ограничению допустимой мощности реактора, а также сложность разделения таблеток различного типа перед химической переработкой. Известна конструкция твэла, содержащего различные по составу сырьевых компонент таблетки, в котором все таблетки выполнены с равными внешними диаметрами, контактирующими с оболочкой твэла, а таблетки различного типа расположены на различных высотах Соколова И.Д.,Блинова И.В. Результаты выполнения проектаМинистерства энергетики США по торийурановому топливу. Обзор. // Атомная техника за рубежом. 2005 г.12. с. 3 - 12. с. 8, вариант с,аксиальные топливные столбы. Конструкция твэла по простоте близка к первому аналогу. Его преимуществом является повышение прочностных характеристик твэла в сравнении с первым аналогом и улучшение передачи тепла в сравнении со вторым аналогом. К недостаткам стоит отнести неравномерность линейного энерговыделения по длине твэла, что определяется различием объемного энерговыделения в ториевом и урановом топливе, а также сложность разделения таблеток по их составу при направлении их на разные участки переработки топлива (ториевого и уранового). Допустимая мощность реактора определяется таблетками с максимальным объемным энерговыделением,которое существенно выше, чем среднее по обоим видам топлива. Технической задачей, стоящей перед настоящим изобретением является снижение неравномерности линейного энерговыделения по высоте твэла,повышение допустимой мощности реактора и обеспечение возможности разделения различных по составу таблеток для переработки топлива на основании различия в их геометрии. Решение технической задачи достигается тем,что 1. Твэл, содержащий топливо двух видов, с урановым сырьем и ториевым сырьем, каждый из видов топлива размещен в отдельных таблетках,расположенных на различных высотах, каждая таблетка выполнена с центральным отверстием,отличается тем, что таблетки каждого вида топлива расположены по высоте поочередно одна за другой,количество ториевых таблеток равно количеству урановых таблеток, высота ториевых таблеток Н устанавливается равной Н, где Н высота урановых таблеток,- отношение энерговыделения в ториевых таблетках к энерговыделению в урановых таблетках, а радиус центрального отверстия в таблетках с ториевым сырьемвыполнен в соответствии с выражением где- внешний радиус таблеток,- внутренний радиус таблеток с урановым сырьем, ,плотность урановой и ториевой таблетки соответственно. Решению технической задачи способствует то,что 2. Твэл по пункту 1, отличается тем, что значение плотности тория в ториевых таблетках устанавливают меньшим значения плотности урана в урановых таблетках, например, ториевые таблетки изготавливают из двуокиси тория, а урановые таблетки из нитрида урана. Пример исполнения твэлов с уран-ториевым топливом в соответствии с предлагаемым решением представлен на фиг. 1. Твэл содержит защитную оболочку 1, таблетки с урановым топливом 2 и таблетки с ториевым топливом 3. Ториевое топливо в данном случае выполнено на основе диоксида тория, а урановое на основе нитрида урана. В соответствии с предлагаемым решением отверстие урановых таблеток выполнено с минимально возможным радиусом, отверстие ториевых таблеток имеет существенно больший радиус. Высоты ториевых и урановых таблеток пропорциональны энерговыделению в соответствующих видах топлива. При использовании в урановых таблетках нитрида урана, а в ториевых таблетках диоксида тория, высота ториевых таблеток относительно высоты урановых таблеток уменьшится, а радиус внутреннего отверстия в ториевых таблетках увеличится. В определенной степени улучшится технологичность изготовления ториевых таблеток. В таблице 1 приведены значения высот урановых и ториевых таблеток и радиусы их центральных отверстий для вариантов с близким значением плотностей этих частей топлива (п.1 предложения) и с более высокой плотностью уранового топлива. В обоих случаях используется топливо с содержанием тория в начале кампании равным 25 от общей массы топлива. Среднее энерговыделение в ториевой части топлива в кампании равно 40 от общего энерговыделения в топливе. Таблица 1 Характеристики вариантов уран-ториевого твэла с внешним радиусом таблетки 0.45 см Вариант по п. Предлагаемое решение можно эффективно использовать в тепловых реакторах с высоким воспроизводством делящихся веществ, когда в кампании реактора выполняется режим стационарного соотношения делящихся веществ в топливе. При этом отклонения от средней мощности в ториевой и урановой части топлива в ходе кампании незначительны 1. Для сравнения в топливных циклах по 1 соотношение мощностей ториевой и урановой части топлива и их общая величина меняются существенно. Поэтому для топлива и цикла 1 предлагаемое решение будет малоэффективным. Исполнение топливных таблеток в соответствии с пунктами 1 и 2 формулы изобретения обеспечивает в таблетках с урановым и ториевым топливом одинаковое значение линейного энерговыделения, так как в кампании реактора с высоким воспроизводством делящихся веществ поддерживается постоянство во времени количеств делящихся нуклидов Котов В.М., Котов С.В. Воспроизводство делящихся веществ в тепловых реакторах. // Атомная энергия. 2007 г. Т 103 вып. 5. с. 327-329. Тем самым обеспечиваются равные условия теплосъема со всех участков поверхности твэла, твэл может работать на максимально возможной мощности. Таблетки такого твэла различаются по двум параметрам - высоте и диаметру внутреннего отверстия. Тем самым созданы предпосылки для эффективной автоматической сортировки и разделения уранового и ториевого топлива,содержащегося в одном твэле. Поставленная техническая задача успешно решена. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Твэл, содержащий топливо двух видов, с урановым сырьем и ториевым сырьем, каждый из видов топлива размещен в отдельных таблетках,расположенных на различных высотах, каждая таблетка выполнена с центральным отверстием,отличающийся тем, что таблетки каждого вида топлива расположены по высоте поочередно одна за другой, количество ториевых таблеток равно количеству урановых таблеток, высота ториевых таблеток Н устанавливается равной НН,где- высота урановых таблеток, а- отношение энерговыделения в ториевых таблетках к энерговыделению в урановых таблетках, а радиус центрального отверстия в таблетках с ториевымвыполнен в соответствии с выражением где- внешний радиус таблеток- внутренний радиус таблеток с урановым сырьем 2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что значение плотности в ториевых таблеткахустанавливают меньшим значения плотности урана в урановых таблетках,например,ториевые таблетки изготавливают из двуокиси тория, а урановые таблетки из нитрида урана.