Просмотр кода страницы Тепловыделяющий элемент

{{другие значения аббревиатуры|ТВЭЛ|ТВЭЛ}}
[[Файл:Brennelement-Kernkraftwerk.jpg|thumb|Справа ТВС, большинство ее трубок — ТВЭЛы. Слева ТВЭЛ, оболочка вскрыта и видны топливные таблетки]]
'''Тепловыделя́ющий элеме́нт''' (''ТВЭЛ'') — главный конструктивный элемент [[активная зона|активной зоны]] [[Гетерогенный ядерный реактор|гетерогенного ядерного реактора]], содержащий [[ядерное топливо]]. В ТВЭЛах происходит деление тяжёлых ядер [[Уран-235|<sup>235</sup>U]] или [[Плутоний-239|<sup>239</sup>Pu]], сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся [[теплоноситель|теплоносителю]]. ТВЭЛ должен обеспечить отвод тепла от топлива к теплоносителю и препятствовать распространению радиоактивных продуктов из топлива в теплоноситель.

ТВЭЛ состоит из топливного сердечника, оболочки и установочных деталей. Несколько ТВЭЛов и крепёжно-установочные элементы объединяются в единую конструкцию, которая называется [[тепловыделяющая сборка]] (ТВС). Конструкция и материалы ТВЭЛа определяются конструкцией [[ядерный реактор|реактора]]: гидродинамикой и химическим составом теплоносителя, температурными режимами, требованиями к нейтронному потоку. В большинстве реакторов ТВЭЛ представляет собой герметичную трубку из стали или циркониевых сплавов внешним диаметром около сантиметра и длиной десятки — сотни сантиметров, заполненную таблетками ядерного топлива.

== Устройство ==
[[Файл:Rbmk fuel rod.png|700px|center|thumb|Устройство твэла реактора [[Реактор большой мощности канальный|РБМК]]: 1 — заглушка; 2 — таблетки [[Оксид урана(IV)|диоксида урана]]; 3 — оболочка из [[цирконий|циркония]]; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.]]
Внутри ТВЭЛов происходит выделение тепла за счёт [[цепная ядерная реакция|ядерной реакции]] деления топлива и [[Взаимодействие нейтронов с веществом|взаимодействия нейтронов с веществом]] материалов активной зоны и теплоносителя, которое передаётся [[теплоноситель|теплоносителю]]. Конструктивно каждый твэл состоит из сердечника и герметичной оболочки.

Помимо делящегося вещества ([[Уран-233|<sup>233</sup>U]], [[Уран-235|<sup>235</sup>U]], [[Плутоний-239|<sup>239</sup>Pu]]), сердечник может содержать вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива ([[Уран-238|<sup>238</sup>U]], [[Торий-232|<sup>232</sup>Th]]).

=== Сердечник ===
Сердечники бывают металлическими, [[металлокерамика|металлокерамическими]] или керамическими. Для металлических сердечников используются чистые [[Уран (элемент)|уран]], [[торий]] или [[плутоний]], а также их сплавы с [[алюминий|алюминием]], [[цирконий|цирконием]], [[хром]]ом, [[цинк]]ом. Материалом металлокерамических сердечников служат спрессованные смеси порошков [[Уран (элемент)|урана]] и [[алюминий|алюминия]]. Для керамических сердечников спекают или сплавляют оксиды или карбиды урана или тория (UO<sub>2</sub>, ThC<sub>2</sub>).

Высоким требованиям по механической прочности и устойчивости физических свойств и геометрических размеров в условиях интенсивного нейтронного и γ-излучения наиболее соответствуют керамические и металлокерамические сердечники, однако из-за наличия наполнителя для них требуется ядерное топливо повышенного обогащения (с содержанием [[Уран-235|<sup>235</sup>U]] до 10 % и более). Для повышения стойкости сердечника, в него иногда добавляют материалы, интенсивно поглощающие нейтроны (например, [[молибден]]).

В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из диоксида урана (UO<sub>2</sub>), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения — отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки твэла к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка к плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.

{{see also|Ядерное топливо}}

=== Оболочка ===
{{Глубокоэшелонированная защита реактора}}
Хорошая герметизация оболочки твэлов необходима для исключения попадания продуктов деления топлива в теплоноситель, что может повлечь распространение радиоактивных элементов в активную зону и первый контур охлаждения реактора. Контроль герметичности оболочек на работающем реакторе производится по уровню этих элементов в первом контуре реактора. Также химическая реакция урана, [[плутоний|плутония]] и их соединений с теплоносителем может повлечь деформацию твэла и другие нежелательные последствия.

Материал оболочки твэлов должен обладать следующими свойствами:
* высокая коррозионная, эрозионная и термическая стойкость;
* он не должен существенно изменять характер поглощения нейтронов в реакторе.

Оболочки твэлов в настоящее время изготавливают из сплавов [[алюминий|алюминия]], [[цирконий|циркония]], [[нержавеющая сталь|нержавеющей стали]]. Сплавы алюминия используются в реакторах с температурой активной зоны менее 250—270&nbsp;°C, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400&nbsp;°C, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой более 400&nbsp;°C. Иногда используют и другие материалы, например, графит.

В случае использования керамических сердечников, между ними и оболочкой оставляют небольшой зазор, необходимый для учёта различных коэффициентов теплового расширения материалов, а для улучшения теплообмена оболочку твэла вместе с сердечниками заполняют газом, который хорошо [[теплопроводность|проводит тепло]], чаще всего для этих целей используют [[гелий]]. В процессе работы твэла исходный зазор (примерно 100 мкм по радиусу) уменьшается, вплоть до полного исчезновения.

== Конструктивное исполнение ==
Твэл реактора [[ВВЭР-1000]] представляет собой трубку, заполненную таблетками из диоксида урана UO<sub>2</sub> и герметично уплотненную. Трубка твэла изготовлена из рекристализованного циркония, легированного 1 % ниобия (сплав Zr1Nb). Плотность сплава 6,55 г/см³, температура плавления 1860 °C. Для сплава Zr1Nb температура 350 °C является своеобразной критической точкой, после которой прочностные свойства сплава ухудшаются, а пластические увеличиваются. Наиболее резко свойства изменяются при температурах 400—500&nbsp;°C. При температуре выше 1000 °C цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200 °C эта реакция протекает быстро (минуты) (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (1860 °C) и образуется водород).

Наружный диаметр трубки твэла 9,1±0,05 мм, толщина 0,65±0,03 мм, внутренний диаметр — 7,72<sup>+0,08</sup> мм.

В трубку с зазором 0,19—0,32 мм в диаметре помещены таблетки диоксида урана высотой 9-12 мм и диаметром 7,57<sup>−0,03</sup> мм. В середине таблеток имеются отверстия диаметром 2,3 мм, а края скруглены фасками. В холодном состоянии общая длина столба таблеток в твэле составляет 3530 мм. Длина трубки твэла составляет 3800 мм, положение столба топливных таблеток зафиксировано разрезными втулками из нержавеющей стали и пружиной, не препятствующими тепловым перемещениям.

При герметизации твэла его внутренняя полость заполняется гелием под давлением 20—25 атм. Внутренний объём твэла (в холодном состоянии 181 см³) на 70 % заполнен таблетками топлива. Длина твэла 3837 мм, масса топлива 0.93-1.52 кг<ref>{{Cite web |url=http://www.findpatent.ru/patent/224/2244347.html |title=Стержневой тепловыделяющий элемент водоводяного энергетического реактора<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2015-11-08 |archive-date=2016-04-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160424150616/http://www.findpatent.ru/patent/224/2244347.html |url-status=live }}</ref>, на нижней концевой пробке имеется поперечное отверстие для крепления к нижней опорной решетке тепловыделяющей сборки.

Герметичность каждого твэла проверяется гелиевым течеискателем. Герметизирующие элементы твэла (трубка и концевые детали) образуют оболочку, а таблетки диоксида урана — топливный сердечник.

Цирконий удачно сочетает ядерные и физические характеристики с механическими свойствами, коррозионностоек в большинстве сред, применяемых в качестве теплоносителей ядерных реакторов и достаточно технологичен.

Таблетки диоксида урана имеют высокую температуру плавления (около 2800 °C), не взаимодействуют с водой и паром даже при высоких температурах, совместимы с материалом оболочки твэла.

Диоксид урана имеет низкую теплопроводность (в 40 раз меньше, чем у стали). Плотность диоксида урана 10,4—10,7 г/см³. При протекании цепной реакции в объёме топливных таблеток равномерно выделяется энергия до 0,45 кВт/см³ (450 кВт/л).

Это тепло отводится из объёма таблеток к поверхности трубок (оболочек), охлаждаемых водой, поэтому наибольшая температура устанавливается на оси симметрии таблеток.

При номинальной мощности реактора температура на оси твэла составляет около 1600 °C, а на поверхности таблеток — около 470 °C. Максимальная температура достигает соответственно 1940 и 900 °C. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °C, на оболочке — 23 °C. Температура наружной поверхности трубки твэла составляет около 350 °C. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м², а линейный тепловой поток — 17 кВт/м трубки.

При номинальной мощности давление гелия достигает 80—100 атм, а топливный сердечник твэла удлиняется от нагрева на 30 мм.

Содержание делящегося <sup>235</sup>U в массе топливных таблеток составляет до 5 % в начале кампании и всего лишь 3 % урана может быть израсходовано от этой доли<ref>{{Cite web |url=http://www.tvel.ru/wps/wcm/connect/tvel/tvelsite/about_atomic/faq/ |title=Атомная энергетика в вопросах и ответах<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2015-11-08 |archive-date=2015-10-31 |archive-url=https://web.archive.org/web/20151031102640/http://www.tvel.ru/wps/wcm/connect/tvel/tvelsite/about_atomic/faq/ |url-status=live }}</ref>.

Для загрузки в реактор твэлы объединяются в так называемые [[тепловыделяющая сборка|тепловыделяющие сборки]] (ТВС), которые в случае твёрдого [[Замедление нейтронов|замедлителя]] размещают в специальных каналах, по которым протекает теплоноситель. В реакторах с жидким замедлителем сборки размещаются непосредственно в его объёме.

== Характеристики ==
Основной параметр ТВЭЛа — [[Кампания ядерного реактора|глубина выгорания топлива]]. В современных [[ВВЭР]] глубина выгорания достигает 50-60 МВт·сут/кг за 4,5—5 лет (3 [[Кампания ядерного реактора|кампании]] по 1,5 года или 5 по году).{{Нет АИ|8|11|2015}}

== См. также ==
* [[Отработавшее ядерное топливо]]
* [[Пьюрекс-процесс]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* [http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub1445_web.pdf Обзор надежности топливных сборок энергетических реакторов, МАГАТЭ]
* [https://web.archive.org/web/20131227111122/http://tvel.ru/ Топливная компания Росатома «ТВЭЛ»]
* «[https://www.youtube.com/watch?v=xHTpjjd1K6c Атомный путь]» — видеофильм «mercatorstudio» про изготовление ТВЭЛ.

[[Категория:Устройство ядерного реактора]]
[[Категория:Ядерная химическая технология]]