Что значит "тепловыделяющий элемент"

ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ (ТВЭЛ) важнейший узел ядерного реактора, содержащий делящееся вещество и обеспечивающий надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю. Тепловыделяющие элементы имеют форму цилиндров (сплошных или пустотелых), пластин и т.д.

ядерного реактора (ТВЭЛ), один из основных конструктивных узлов реактора, содержащий ядерное топливо , размещается в активной зоне реактора. В Т. э. протекает ядерная реакция деления топлива, в результате которой выделяется тепло, передаваемое теплоносителю . Т. э. состоит из сердечника и герметизирующей оболочки.

Сердечник Т. э., кроме делящегося вещества (например, 233U, 235U, 239Pu), может содержать «сырьевое» вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива (238U, 232Th). Материал для сердечника может быть получен в виде металла, металлокерамики или керамики. Металлические сердечники изготовляют из чистых урана, тория или плутония или из их сплавов с другими металлами (например, с Al, Zr, Cr, Zn). Металлокерамические сердечники получают, например, из U и Al путём прессования смесей их порошков (опилок, гранул). Керамические сердечники представляют собой спечённые или сплавленные окислы или карбиды (например, UO2, ThC2). Металлокерамические и керамические сердечники, а также сердечники из сплавов наиболее полно отвечают предъявляемым к материалу сердечника высоким требованиям по механической прочности, а также по неизменности физических свойств и геометрических размеров в условиях высоких температур и интенсивного нейтронного и g-излучения. Поскольку, однако, в такого рода сердечниках существ, объём занимает наполнитель (вещество, атомы которого не участвуют в процессе деления и воспроизводства ядерного топлива), то в них используется ядерное топливо с повышенным обогащением (например, с содержанием 235U до 10% и более). Наполнитель, как правило, обладает небольшим сечением поглощения нейтронов, но иногда в материал сердечника включают небольшие добавки металлов, интенсивно поглощающих нейтроны (например, Mo), если это приводит к повышению стойкости сердечника по отношению к тепловым и радиационным воздействиям.

В распространённых энергетических реакторах, работающих на слабообогащённом уране, наиболее часто применяют керамические сердечники из спечённой двуокиси урана, которые не деформируются при глубоком выгорании топлива. К тому же UO2 не реагирует с водой; вследствие этого разгерметизация Т. э. в реакторе с водяным охлаждением не приводит к попаданию урана в теплоноситель.

Герметизирующая оболочка Т. э. обеспечивает надёжное отделение сердечника от теплоносителя. Нарушение её целостности привело бы к попаданию продуктов деления в теплоноситель, его активации и затруднению обслуживания реактора, а кроме того (в ряде случаев), к химической реакции теплоносителя с веществом сердечника и, следовательно, к «размыванию» сердечника и потере им требуемой формы. В силу этих причин к материалу оболочки предъявляют жёсткие требования. Он должен обладать высокой коррозионной, эрозионной и термической стойкостью, высокой механической прочностью и не должен существенно изменять характер поглощения нейтронов в реакторе. Наиболее употребительные материалы для изготовления оболочки ≈ сплавы алюминия и циркония и нержавеющая сталь. Сплавы Al используются в реакторах с температурой активной зоны < 250≈270 ╟С, сплавы Zr ≈ в энергетических реакторах при температурах 350≈400 ╟С, а нержавеющая сталь, которая довольно интенсивно поглощает нейтроны, ≈ в реакторах с температурой >400 ╟С. В ряде случаев находят применение и др. вещества, например графит высокой плотности.

Для улучшения теплообмена между сердечником и оболочкой осуществляют их диффузионное сцепление (если сердечник металлический) или в зазор между ними вводят газ, хорошо проводящий тепло (например, гелий). Такой зазор необходим, когда материалы сердечника и оболочки имеют существенно разные коэффициенты объёмного расширения.

Конструктивное исполнение Т. э. определяется формой сердечника. Наиболее распространены цилиндрические (стержневые), однако применяются трубчатые, пластинчатые и другие сердечники. Т. э. объединяют в сборки (пакеты, кассеты, блоки) и в таком виде загружают в реактор. В реакторе с твёрдым замедлителем Т. э. или их сборки размещают внутри замедлителя в каналах, по которым протекает теплоноситель. Если замедлитель жидкий и выступает одновременно в роли теплоносителя, то сборки сами являются элементами, направляющими поток жидкости.

Основной показатель работы Т. э. ≈ глубина выгорания топлива в нём; в энергетических реакторах она достигает 30 Мвт сут/т. В энергетических реакторах время работы Т. э. достигает трёх лет. Использованные Т. э. могут быть подвергнуты переработке с целью извлечения из них недогоревшего, а также вновь накопленного ядерного топлива.

Лит. см. при ст. Ядерный реактор .

С. А. Скворцов.

Тепловыделя́ющий элеме́нт — главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора , содержащий ядерное топливо . В твэлах происходит деление тяжелых ядер U или Pu , сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю . Твэлы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. Тип твэла определяется типом и назначением реактора , параметрами теплоносителя. Твэл должен обеспечить надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю.

В большинстве современных энергетических реакторов ( ВВЭР , РБМК ) твэл представляет собой набор герметичных трубок из специальных сплавов диаметром 9,1—13,5 мм и длиной несколько метров, заполненных таблетками ядерного топлива. Несколько десятков трубок и крепежно-установочные элементы объединяются в единую конструкцию.