Was sind Brennstäbe, ihr Zweck und ihr Design? Wie Brennstäbe für einen Kernreaktor hergestellt werden

TVEL

(von „Brennelement“) – das Hauptelement Kernreaktor, in Krom liegt, Kernbrennstoff und es entsteht Wärme Kernspaltung. Naib. Brennstäbe liegen üblicherweise in Form dünner Stäbe (mit einem Durchmesser von mehreren mm) vor, die sich über die gesamte Höhe des Reaktorkerns erstrecken. Der Kern enthält Tausende gleichartiger Brennstäbe, die ein regelmäßiges Gitter bilden. Zwischen ihnen wird ein Kühlmittel (Flüssigkeit oder Gas) gepumpt, das Energie entzieht. Brennstäbe verwenden Metall-U (zur Erhöhung der Stabilität legiert) oder U-Oxide in Form von Keramik, manchmal unter Zusatz von Pu. Die sogenannte Dispersionsbrennstoff, bei dem Brennstoffkörner in einer Matrix aus nicht spaltbarem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Strahlungsbeständigkeit eingeschlossen sind (siehe. Strahlenbeständigkeit von Materialien). Die abgedichtete Dichtung schützt den Kraftstoff vor dem Kontakt mit dem Kühlmittel und verleiht dem Brennelement die nötige mechanische Festigkeit. . Das Schalenmaterial (Zirkonium, Edelstahl usw.) weist einen sogenannten geringen Neutroneneinfang auf. Reaktorspektrum, ist im Betriebstemperaturbereich gut mit Brennstoff und Kühlmittel verträglich, verändert sich mechanisch kaum. Eigenschaften im Neutron. Für alle Brennstabmaterialien gelten hohe Reinheitsanforderungen, vor allem die Abwesenheit von Verunreinigungen, die Neutronen stark absorbieren.

Parameter der Energiebrennstäbe. Reaktoren: Betriebsobertemperatur (Manteltemperatur) bei Reaktoren mit Wasserkühlung 300 °C, bei Reaktoren mit flüssigem Na ca. 600–700 °C; sogenannt lineare thermische Intensität bis zu 500-600 W pro 1 cm Stablänge; Der Brennstoffabbrand (der Anteil der bis zum Ende der Betriebszeit verbrannten Brennstoffatome) beträgt in thermischen Reaktoren 3-5 %, in schnellen Reaktoren 7-10 % (1 % Abbrand entspricht der Produktion von 10 4 MW. Tag thermischer Energie pro 1 Tonne Kraftstoff).

Brennstab für schnelle Reaktoren: 1 - Kernabschnitt (Kernbrennstoff); 2, 3 - Endbildschirme (erschöpftUran); 4 - Gaskollektor; 5 - Schale (Edelstahl)Schneiden von Stahl).

In Abb. schematisch dargestellt. Querschnitt eines Brennstabs eines schnellen Reaktors (vgl. Brüterreaktor). Zusätzlich zum aktiven Teil, der den Kernbrennstoff enthält, verfügt es über Endschirme aus abgereichertem Uran zum Recycling der aus dem Kern austretenden Neutronen sowie einen Hohlraum zum Sammeln der aus dem Brennstoff austretenden Fragmentierungsgase, um die innere Verbrennung zu reduzieren. Druck während eines tiefen Burnouts.

Nach Erreichen des Nennabbrandes und Ende der Kampagne (Arbeitszeit) werden die Brennstäbe aus dem Reaktor entladen und ausgetauscht. Die Dauer der Kampagne errechnet sich aus der Betriebszeit des Reaktors im Vollbetrieb und beträgt Monate oder Jahre. Der Anstieg der Kampagne und damit des Abbrands wird durch die Verschlechterung der Fähigkeit zur Aufrechterhaltung einer Spaltkettenreaktion aufgrund des Ausbrennens des Brennstoffs und der Ansammlung neutronenabsorbierender Fragmente sowie die Gefahr der Zerstörung des Brennelements unter dem Einfluss der Dauer begrenzt . intensive Bestrahlung und hohe Temperatur im Reaktor. Hundertstel (oder Tausendstel) Prozent des Brennstabausfalls sind zulässig.

Zündete.: Olander D., Theoretische Grundlagen von Brennelementen von Kernreaktoren, M., 1982. O. D. Kazachkovsky,

Physische Enzyklopädie. In 5 Bänden. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prokhorov. 1988 .

Sehen Sie, was „TVEL“ in anderen Wörterbüchern ist:

Siehe Brennstoffelement. * * * Brennelement Brennelement, siehe Brennelement (siehe Brennelement) ... Enzyklopädisches Wörterbuch

Brennelement: Brennelement und Brennstoffgerät in Kernreaktoren. TVEL ist ein russischer Verband, der Kernbrennstoff produziert... Wikipedia

Brennelement. Das Hauptstrukturelement des Kerns eines heterogenen Reaktors, in dessen Form Brennstoff geladen wird. In Brennelementen kommt es zur Spaltung der schweren Kerne U 235, Pu 239 oder U 233, begleitet von der Freisetzung von... ... Begriffe zur Kernenergie

Siehe Brennstoffelement... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Der Artikel befasst sich mit der Frage, was Brennstäbe sind, wofür sie benötigt werden, wo sie verwendet werden, wie sie hergestellt werden und ob es Reaktoren gibt, die keine Brennstäbe verwenden.

Atomzeitalter

Der wahrscheinlich jüngste Energiezweig ist die Kernenergie. Erst Ende des 19. Jahrhunderts konnten Wissenschaftler teilweise verstehen, was Radioaktivität ist und welche Stoffe diese Eigenschaften haben. Und dieses Wissen kostete vielen Menschen das Leben, da die zerstörerische Wirkung der Strahlung auf lebende Organismen lange Zeit unbekannt blieb.

Viel später fanden radioaktive Stoffe sowohl im zivilen als auch im militärischen Leben Anwendung. Derzeit verfügen alle entwickelten Länder über eigene Atomwaffen und Kernkraftwerke, die es ermöglichen, große Energiemengen unabhängig von fossilen Brennstoffen oder natürlichen Ressourcen wie Wasser (wir sprechen von Wasserkraftwerken) zu gewinnen.

TVEL ist...

Aber um für die Stromerzeugung oder andere Zwecke bauen zu können, muss man zunächst den entsprechenden Brennstoff herstellen, denn obwohl natürliches Uran radioaktiv ist, reicht seine Energie nicht aus. Daher wird in den meisten Reaktortypen Brennstoff verwendet, der wiederum in spezielle Vorrichtungen, sogenannte Brennstäbe, geladen wird. Ein Brennelement ist ein spezielles Gerät, das Teil eines Kernreaktors ist und dessen Konstruktion und Brennstoffart enthält, die wir genauer analysieren werden.

Design

Je nach Reaktortyp können einige Parameter der Brennelemente variieren, ihr allgemeiner Aufbau und ihr Konstruktionsprinzip sind jedoch gleich. Vereinfacht ausgedrückt ist ein Brennstab ein hohles Rohr aus anderen Metallen, in das Urandioxid-Brennstoffpellets eingebaut sind.

Kraftstoff

Uran ist das am häufigsten verwendete radioaktive Material; daraus werden viele andere Isotope hergestellt, die sowohl in der Industrie als auch in Waffen verwendet werden. Seine Gewinnung unterscheidet sich nicht wesentlich von der Kohleförderung und ist in seinem natürlichen Zustand für den Menschen absolut sicher. Die Geschichten darüber, wohin Gefangene verbannt werden, sind also nichts weiter als ein Mythos. Es ist wahrscheinlicher, dass ein Mensch an Mangel an Sonnenlicht und harter Arbeit in einer Mine stirbt als an Strahlenkrankheit.

Der Abbau von Uran ist sehr einfach: Das Gestein wird durch Explosionen zerkleinert und anschließend an die Oberfläche befördert, wo es sortiert und weiterverarbeitet wird. Der Prozess der Urananreicherung kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, in Russland erfolgt dies jedoch mithilfe von Gaszentrifugen. Zunächst wird Uran in einen gasförmigen Zustand überführt, anschließend wird das Gas in Zentrifugen unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft getrennt und die notwendigen Isotope getrennt. Anschließend werden sie in Urandioxid umgewandelt, zu Tabletten gepresst und in Brennstäbe geladen. Dies ist die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Brennstoffen für Brennelemente.

Anwendung

Die Anzahl der Brennstäbe in einem Reaktor hängt von seiner Größe, Art und Leistung ab. Nach der Herstellung werden sie in einen Reaktor geladen, wo eine nukleare Zerfallsreaktion beginnt, wodurch eine große Menge Wärme freigesetzt wird, die als Energiequelle dient. Außerdem kann die Reaktorleistung über die Anzahl der Brennelemente im Arbeitsbereich gesteuert werden. Von Zeit zu Zeit werden sie nach Gebrauch durch neue, durch „frische“ Urandioxid-Tabletten ersetzt. Jetzt wissen wir also, was Brennstäbe bedeuten, wie sie hergestellt werden und wofür sie benötigt werden. Allerdings benötigen nicht alle Kernreaktoren solche Elemente, und es handelt sich dabei um RTGs.

RTG

Ein Radioisotop ist ein Gerät, das im Prinzip Kernreaktoren ähnelt, deren Prozess jedoch nicht auf einer Kettenreaktion des Zerfalls von Atomen basiert, sondern auf einer thermischen. Vereinfacht gesagt handelt es sich um eine große Anlage, die mit radioaktivem Material viel Wärme erzeugt, die wiederum direkt in Strom umgewandelt wird. Im Gegensatz zu Kernreaktoren haben RTGs keine beweglichen Teile und sind zuverlässiger, kompakter und langlebiger. Gleichzeitig haben sie jedoch eine viel geringere Effizienz.

Sie wurden vor allem dort eingesetzt, wo die Energiegewinnung auf andere Weise nicht möglich oder sehr schwierig ist. In den Jahren der UdSSR wurden RTGs an Forschungs- und Wetterstationen im hohen Norden, Küstenleuchttürme, Seebojen usw. geliefert.

Mittlerweile ist ihre Nutzungsdauer abgelaufen, einige von ihnen befinden sich jedoch immer noch an ihrem ursprünglichen Standort und sind oft nicht einmal in irgendeiner Weise geschützt. Dadurch kam es zu Unfällen, zum Beispiel versuchten Nichteisenmetalljäger, mehrere dieser Anlagen abzubauen und erlitten starke Strahlung, und in Georgia nutzten die Anwohner sie als Wärmequellen und litten auch an Strahlenkrankheit.

Jetzt kennen wir den Aufbau von Brennelementen und haben ihre Definition analysiert. Brennstäbe sind wichtige Bestandteile des Reaktors, ohne die ein Betrieb nicht möglich ist.

Obwohl Kernenergie heute nicht völlig sicher ist, werden weltweit mehr Reaktoren und Kraftwerke gebaut als geschlossen. So hat die Zahl der in Betrieb befindlichen Reaktoren in den Vereinigten Staaten von Amerika knapp hundert überschritten, in Frankreich (die zweitgrößte Anzahl friedlicher Atome auf dem Planeten) etwa 60, und sie liefern etwa 80 % des im Land erzeugten Stroms.

Der Brennstoff für einen Kernreaktor sind Brennstäbe. Dabei handelt es sich um ein Element, bei dem direkt eine kontrollierte Kettenreaktion abläuft. Wie funktioniert das „Brennholz“ eines Atomkessels, wie wird es hergestellt und was passiert mit dem Brennstoff im Herzen des Kraftwerks?

Was ist eine nukleare Kettenreaktion?

Es ist bekannt, dass die Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. Beispielsweise enthält der Kern eines Uranatoms 92 Protonen und 143 oder 146 Neutronen. Die Abstoßungskraft zwischen positiv geladenen Protonen im Urankern ist einfach enorm, etwa 100 kgf in einem einzelnen (!) Atom. Allerdings verhindern intranukleare Kräfte, dass der Kern auseinanderfliegt. Trifft ein freies Neutron auf einen Urankern (nur ein neutrales Teilchen kann sich dem Kern nähern), verformt sich dieser und zerfällt in zwei Hälften plus zwei oder drei freie Neutronen.

Diese sehr freien Neutronen greifen die Kerne anderer Atome usw. an. Dadurch nimmt die Zahl der Kollisionen exponentiell zu und im Bruchteil einer Sekunde zerfällt die gesamte Masse des radioaktiven Metalls. Dieser Zerfall geht mit der Streuung von Fragmenten mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen einher; ihre Kollisionen mit Molekülen in der Umgebung führen zu einer Erwärmung von bis zu mehreren Millionen Grad. Dies ist ein Bild einer gewöhnlichen Atomexplosion. TVEL lenkt dieses Phänomen in eine friedliche Richtung. Wie kommt es dazu?

Kontrollierte Kernreaktion

Damit eine Kernreaktion aufrechterhalten und zu einer Kettenreaktion werden kann, ist eine ausreichende Menge an radioaktivem Brennstoff erforderlich (die sogenannte „kritische Masse“). Bei Atomwaffen wird dieses Problem einfach gelöst: Zwei Barren aus waffenfähigem Metall (Uran 235, Plutonium 239 usw.) mit einer Masse von jeweils etwas weniger als der kritischen Masse werden durch die Explosion von gewöhnlichem TNT zu einem Ganzen vereint.

Für die friedliche Nutzung des Atoms ist diese Methode nicht geeignet. Die Abbildung zeigt schematisch den Aufbau eines einfachen Kernreaktors. Jedes Brennelement (Brennelement - Uranbrennstoff) hat eine geringere Masse als die kritische Masse, aber ihr Gesamtgewicht überschreitet diese Marke. Da sich Brennstäbe in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, „tauschen“ sie freie Neutronen aus. Dank dieses gegenseitigen Neutronenbeschusses wird im Reaktor eine nukleare Kettenreaktion aufrechterhalten. Graphitstäbe spielen eine Art „Bremse“ des Kernprozesses. Graphit ist ein guter Neutronenabsorber; die Reaktion wird gedämpft, wenn Stäbe aus diesem Material zwischen Brennstäben platziert werden. Dadurch wird der Austausch freier Neutronen vollständig gestoppt.

Somit steht die Reaktion unter ständiger automatischer Kontrolle. Der Zerfall geht mit der Bewegung von Fragmenten von Urankernen im Kühlmittelmedium einher, die es auf die erforderliche Temperatur erhitzen.

Wie wird Strom erzeugt?

Der weitere Aufbau eines Kernkraftwerks unterscheidet sich kaum von einem konventionellen thermischen Kraftwerk, das mit Gas, Heizöl oder Kohle betrieben wird. Der Unterschied besteht darin, dass in einem Wärmekraftwerk Wärme durch die Verbrennung fossiler Kohlenwasserstoffe gewonnen wird, während in einem Kernkraftwerk das Kühlmittel durch die Brennstäbe von Kernreaktoren erhitzt wird.

Das auf eine Temperatur von 500–800 °C gebrachte Kühlmittel (es kann sich um überhitztes Wasser, geschmolzene Salze und sogar flüssige Metalle handeln) erhitzt das Wasser in einem speziellen Wärmetauscher und wandelt es in trockenen Dampf um. Der Dampf treibt eine Turbine an, die auf derselben Welle wie ein Generator montiert ist und elektrischen Strom erzeugt.

Was sind Sie?

Die ersten Kernreaktoren waren homogene Geräte. Es handelte sich um Kessel, die Kernbrennstoff (meist flüssig, seltener gasförmig) enthielten. Hierbei handelt es sich um eine Schmelze aus Uransalzen oder schwach angereichertem Uran, manchmal auch um eine Suspension von Uranstaub usw. Der Prozess wurde durch Einbringen eines Moderators in den Kern in Form von Platten oder Stäben aus einem Material reguliert, das freie Neutronen gut bremst. Die Wärme wurde über Wärmetauscher direkt im Kern auf das Wasser übertragen, ähnlich wie Roste in einem Kohleofen.

Unsere Zeichnung zeigt einen heterogenen Kernreaktor, von dem es weltweit mittlerweile die absolute Mehrheit gibt. Solche „Kernkessel“ sind einfacher zu warten, der Brennstoff darin zu wechseln, zu reparieren, sie sind sicherer und zuverlässiger als die alten homogenen Kessel.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Uran-Brennstäben besteht darin, dass in ihnen durch Neutronenbestrahlung von Urankernen ein Element wie Plutonium 239 erzeugt wird, das dann als Brennstoff für kleine Kernreaktoren und als Waffe verwendet wird Metall.

Woher kommt der Brennstoff für Kernkraftwerke?

Uran wird in vielen Ländern der Welt im Tagebau (Steinbruch) oder im Bergbau abgebaut. Das Erz enthält zunächst nicht einmal Uran selbst, sondern dessen Oxid. Die Trennung von Metall und Oxid ist eine komplexe Kette chemischer Umwandlungen. Nicht jedes Land der Welt kann es sich leisten, Unternehmen zur Produktion von Kernbrennstoffen zu erwerben.

Die weitere Aufgabe besteht darin, das geförderte Uran anzureichern. Weniger als 1 % von Uran 235 kommt in natürlichem Material vor, der Rest ist das Isotop 238. Die Trennung dieser beiden Elemente ist äußerst schwierig. Urananreicherungszentrifugen sind hochkomplexe Geräte.

Damit Uran stark angereichert wird (der Gehalt des Isotops 235 steigt auf 20 %), muss es nach der Umwandlung in Gas bis zu tausend Verarbeitungsschritte durchlaufen.

Wie funktioniert TVEL?

Angereichertes Uran fällt in die Hände von Ingenieuren, dient aber weiterhin als Kernbrennstoff. Die Herstellung dieses Kraftstoffs ähnelt der Pulvermetallurgie. Das pulverisierte Metall (oder seine chemischen Verbindungen) wird zu kleinen Tabletten mit etwa einem Zentimeter Durchmesser gepresst.

Produkte aus Uranmetall sind besser geeignet, den höllischen Bedingungen im Inneren eines Reaktors standzuhalten, allerdings ist die Herstellung des reinen Elements sehr teuer. Urandioxid ist deutlich günstiger, doch damit es unter enormem Druck und Hitze nicht zerbröselt, muss es unter enormem Druck bei einer Temperatur von über 1000 °C gebrannt werden.

Ein TVEL ist ein Satz solcher Unterlegscheiben mit einer Länge von etwa 2 bis 4 Metern, die in einem Rohr aus Stahl oder Eisen-Molybdän-Legierungen untergebracht sind. Die Brennstäbe selbst sind zu einem Bündel von mehreren Dutzend oder sogar Hunderten zusammengefasst. Dieses Set wird als Brennelement (FA) bezeichnet.

FAs werden direkt im Herzen eines Kernreaktors installiert. In einem Reaktor kann ihre Zahl mehrere Hundert erreichen. Wenn Uran zerfällt, verlieren Brennstäbe ihre Fähigkeit, Wärme zu erzeugen, und werden dann ersetzt. Aber ein Kilogramm technisches Uran, angereichert auf einen Gehalt von 235 Isotopen von 4 %, schafft es während seiner Lebensdauer in einem Kernreaktor, die gleiche Energiemenge zu erzeugen, die durch die Verbrennung von 300 Standard-Zweihundert-Liter-Fässern Heizöl gewonnen würde.

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Atomenergie und kann zur Herstellung von Brennstäben für Leistungsreaktoren eingesetzt werden. Das technische Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Brennstabkonstruktion zu schaffen, bei der Plutonium oder hochangereichertes Uran in Form von Legierungen oder Dioxiden verwendet werden kann, ohne sie mit abgereichertem oder natürlichem Uran oder Thorium zu verdünnen und gleichzeitig die erforderliche Beladung, das Verhältnis von, sicherzustellen spaltbare und fruchtbare Nuklide, wodurch die Ressource erhöht und die Betriebssicherheit, auch in Notfallsituationen, erhöht wird. Bei einem Brennelement ist ein Teil des Kerns mit einem Massenanteil an spaltbaren Nukliden von 200 bis 100 % in einer oder mehreren versiegelten Ampullen unterschiedlicher geometrischer Form eingeschlossen, die aus dem gleichen oder einem anderen Strukturmaterial wie die Brennelementhülle bestehen. Die Ampullen verfügen über ein freies Volumen, um das Aufquellen des Kernbrennstoffs auszugleichen und gasförmige Spaltfragmente aufzufangen. Der Rest des Brennstabkerns enthält Kernbrennstoff mit einem Massenanteil an spaltbaren Nukliden von 0,715 % und an fruchtbaren Nukliden von 0,01 bis 100 %. 5 Gehalt, 4 krank.

Die Erfindung bezieht sich auf die Kerntechnik und kann bei der Herstellung von Brennelementen (Brennelementen) mit Kernbrennstoff aus Plutonium oder hochangereichertem Uran für thermische Neutronenleistungsreaktoren eingesetzt werden. Die weltweite Kernenergieindustrie verwendet thermische und schnelle Neutronenreaktoren, aber 85 % des Stroms aller Kernkraftwerke wird in thermischen Leichtwasser-Neutronenreaktoren erzeugt, von denen die meisten Brennstäbe vom Containertyp verwenden. Bei solchen Brennelementen handelt es sich um eine zylindrische Metallhülle mit einem Durchmesser von 7 - 15 mm mit Endkappen, in die ein Kern in Form von Tabletten oder vibrationskompaktierten Granulaten aus Urandioxid oder einer Mischung aus Uran- und Plutoniumdioxid eingelegt ist In der Regel macht der Massenanteil der spaltbaren Nuklide Uran-235, Plutonium-239 und Plutonium-241 weniger als 6 % des Gesamtgehalts an Uran und Plutonium im Kernbrennstoff aus. Brennstäbe haben ein freies Volumen, um Volumenänderungen im Kernbrennstoff auszugleichen und gasförmige Spaltfragmente aufzufangen. Um das Temperaturniveau von Brennstabkernen zu senken, werden manchmal Löcher in die Pellets gebohrt und die freien Volumina mit Helium oder niedrig schmelzenden Materialien, beispielsweise Natrium, einer Natrium-Kalium-Legierung, einer Blei-Wismut-Legierung usw., gefüllt. / 1/. Neben Brennstäben vom Containertyp werden in Kernreaktoren und in noch größerem Umfang in Forschungsreaktoren auch Brennstäbe vom Dispersionstyp verwendet, die sich dadurch auszeichnen, dass ihr Kern aus Kernbrennstoffpartikeln besteht, die gleichmäßig in einer inerten Matrix verteilt sind . Diese Struktur des Brennstabkerns lokalisiert Spaltfragmente in den Kernbrennstoffpartikeln und den angrenzenden dünnen Matrixschichten, daher gibt es in den Brennstäben kein freies Volumen zum Sammeln gasförmiger Spaltfragmente /2/. Brennstäbe vom Containertyp sind einfach herzustellen und funktionieren zuverlässig bei stationären Reaktorleistungsniveaus während einer 2-, 3- und seltener 4-jährigen Kampagne mit einer hohen Umwandlungsrate von neuem Kernbrennstoff (bis zu 0,5). Die Energieproduktion solcher Brennstäbe wird durch volumetrische Änderungen des Kernbrennstoffs aus angesammelten Spaltfragmenten, den Massentransfer des Kernbrennstoffs von der heißen (bis zu 2000 °C) in die kalte Zone (ca. 300 °C) und die korrosive Wirkung begrenzt aggressive Spaltfragmente auf der Hülle und Manöver der Reaktorleistung durch thermomechanische Spannungen in Hülle und Kern, verbunden mit dem Unterschied in ihren Temperaturniveaus und Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien. Darüber hinaus kann das hohe Temperaturniveau des Brennstabkerns, die darin gespeicherte Wärmeenergie und die Restwärmefreisetzung in Notsituationen zum Durchbrennen der Hülle führen. Unabhängig vom Grund für die Druckentlastung des Brennelements, sei es ein Unfall, die Erschöpfung der Lebensdauer des Brennelements oder eine Notsituation, gelangen aus dem Kernbrennstoff freigesetzte Spaltfragmente in das Kühlmittel und seine Radioaktivität kann die maximal zulässigen Werte überschreiten. Bei dispersiven Brennelementen mit guter Wärmeleitfähigkeit der Matrix, die einen zuverlässigen thermischen Kontakt zwischen Kernbrennstoff und Hülle gewährleistet, wird das Temperaturniveau des Brennelementkerns deutlich reduziert, beispielsweise der Temperaturunterschied im Kern bei einer Aluminiumlegierung Matrix im Brennelement des WWER-1000-Reaktors kann um etwa eineinhalb Größenordnungen reduziert werden (von 1500 °C auf 100 °C). Dadurch können Sie Brennstäbe erfolgreich im manövrierfähigen Modus betreiben, sie in Notsituationen weniger sicher machen und im Falle einer Druckentlastung der Brennstäbe den Grad der Verunreinigung des Kühlmittels verringern, da es nur dann mit Kernbrennstoff in Kontakt kommt Ort des Mangels. Darüber hinaus unterliegt der Kernbrennstoff bei niedrigen Temperaturen weniger Volumenänderungen durch angesammelte Spaltfragmente und es wird möglich, andere Arten von Kernbrennstoff zu verwenden, beispielsweise Uransilizid, Uran-Molybdän-Legierung usw. Allerdings ist die geringere Konzentration in Der Kern des dispersiven Brennelements von Kernbrennstoff erfordert eine Erhöhung des Massenanteils des spaltbaren Nuklids, was die Umwandlungsrate von neuem Kernbrennstoff entsprechend verringert. Die Energieerzeugung dispersiver Brennstäbe wird durch die zulässige Vergrößerung des Brennstabdurchmessers bzw. die zulässige Verformung des Hüllmaterials begrenzt. Durch die Ausrichtung der Weltkernenergie auf Leichtwasserreaktoren mit Containerbrennstäben und Dioxidbrennstoff sind mehrere hundert Tonnen Plutonium mit einer polyisotopischen Zusammensetzung mit den Massenzahlen 238, 239, 240, 241 und 242 angesammelt . Das Problem der Plutoniumspeicherung und seiner weiteren Verwendung ist aufgetreten. Die effektivste Nutzung von Plutonium als Kernbrennstoff erfolgt in schnellen Neutronenreaktoren, deren Anzahl weltweit jedoch begrenzt ist und das Programm zum Bau neuer Reaktoren um mehrere Jahrzehnte verzögert wurde. Zu dem Problem der Verwendung von polyisotopischem Plutonium kommt noch das Problem der raschen Zerstörung von freigesetztem Uran und Plutonium infolge der Abrüstung hinzu. Die gebräuchlichste Lösung für den Einsatz von Plutonium in thermischen Neutronenreaktoren ist die Verdünnung mit abgereichertem oder natürlichem Uran, da der Massenanteil von Plutonium bei thermischen Neutronenreaktoren etwa 5 % betragen sollte. Dieser Brennstoff wird Uran-Plutonium oder Mischbrennstoff genannt. Es ist zu beachten, dass in thermischen Neutronenreaktoren nur ungeradzahlige Plutoniumisotope gespalten werden. Das Isotop von Plutonium-241, dessen Konzentration im polyisotopischen Plutonium 14 Gew.-% erreicht, hat eine Halbwertszeit von etwa 14 Jahren, während es mit harter Gammastrahlung Americium 241 bildet, was die Arbeit mit polyisotopischem Plutonium im Langzeitbetrieb erschwert Lagerung. Darüber hinaus kommt es zu Verlusten an energetisch wertvollem Plutonium (ca. 9 % über 10 Jahre). Im Gegensatz zu polyisotopischem Plutonium enthält waffenfähiges Plutonium hauptsächlich das Isotop 239 und kann als monoisotopisch betrachtet werden. Die Hauptschwierigkeit bei der Herstellung von gemischtem Dioxid-Kernbrennstoff besteht darin, eine homogene Mischung aus Plutonium und Urandioxid zu erzeugen, aus der Pellets gepresst werden. Es wird auch über die Möglichkeit und Machbarkeit nachgedacht, mikrosphärisches Dioxid-Mischbrennstoff entweder direkt für die Herstellung von Brennelementen mit vibrationsverdichtetem Kern oder für die Herstellung von Pellets daraus zu verwenden. Der Vorteil der Verwendung von Mikrokügelchen gegenüber Pulvern besteht in einer bequemeren Form für die Handhabung in allen Phasen des technologischen Prozesses und einer deutlich geringeren Staubbildung, was eine sicherere Arbeit für die Bediener gewährleistet. Die Technologie zur Herstellung von Pellets aus Pulvern mit etwa 5 % Plutoniumdioxid, die Ausrüstung von Brennstäben mit Pellets oder Mikrokügelchen aus gemischtem Dioxidbrennstoff und die Konstruktion von Brennstäben ähneln denen für Uranbrennstoff. Bei der Herstellung von Brennelementen mit gemischtem Dioxid-Kernbrennstoff, insbesondere bei der Verwendung von polyisotopischem Plutonium, besteht jedoch ein grundlegender Unterschied in der Organisation der Produktion selbst. Um in den Produktionsräumen eine normale Strahlungsumgebung zu schaffen, müssen alle Geräte in sicher verschlossenen Kammern untergebracht werden und der gesamte technologische Prozess muss so weit wie möglich automatisiert werden, einschließlich der Kontrollvorgänge. All dies führt zu einem Anstieg der Kosten für die Herstellung von Brennstäben. Das Design des Behälterbrennstabs, das dem vorgeschlagenen Brennstabdesign am nächsten kommt, ist. Das Brennelement besteht aus einer zylindrischen Hülle und Endstopfen aus einer Legierung auf Zirkoniumbasis, in deren Inneren sich ein Kern in Form von gesinterten Pellets aus Urandioxid oder Mischbrennstoff mit einem Gehalt an spaltbaren Isotopen von etwa 5 Gew.-% befindet. und freies Volumen, um sein Anschwellen und die Ansammlung gasförmiger Spaltfragmente zu kompensieren. Um die Wärmeübertragung vom Kernbrennstoff zur Hülle zu verbessern, wird das innere freie Volumen mit Helium /1, S. gefüllt. 45/. Der Nachteil eines solchen Brennstabs mit gemischtem Brennstoff besteht darin, dass die Herstellungskosten eines Brennstabs im Vergleich zu einem Brennstab mit Uranbrennstoff vier- bis fünfmal höher sind, verbunden mit der Gewährleistung der Homogenität der Dioxidmischung und dem Pressen der Pellets unter Einhaltung der Vorschriften mit Strahlenschutzanforderungen und Hygienevorschriften. Es ist auch zu beachten, dass zur Herstellung einer Mischung mit 5 % Plutoniumdioxid 20-mal mehr plutoniumhaltige Materialien verarbeitet werden müssen. Das technische Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstabdesign für thermische Neutronenleistungsreaktoren zu schaffen, in dem poly- oder monoisotopisches Plutonium oder Uran mit einem Massenanteil an spaltbaren Nukliden von bis zu 100 % als Kernbrennstoff verwendet werden könnte. Im Gegensatz zur bekannten Bauweise eines Brennelements in Behälterbauweise, dessen Kern aus einer homogenen Mischung von Uran- und Plutoniumdioxiden besteht, wird die Lösung des technischen Problems durch die Umschließung eines Teils des Brennelementkerns mit einem Massenanteil von erreicht spaltbare Nuklide von 20 bis 100 % in einer oder mehreren verschlossenen Ampullen unterschiedlicher geometrischer Form, hergestellt aus dem gleichen oder einem anderen Strukturmaterial als die Brennstabhülle. Die Ampullen verfügen über ein freies Volumen, um das Aufquellen des Kernbrennstoffs des Ampullenkerns auszugleichen und gasförmige Spaltfragmente aufzufangen. Der Rest des Brennstabkerns enthält Kernbrennstoff mit einem Massenanteil an spaltbaren Nukliden von bis zu 0,715 % und an fruchtbaren Nukliden von 0,01 bis 100 %. Um die Wärmeabfuhr aus den Ampullen und dem Kernbrennstoff des Brennstabkerns zu gewährleisten, werden die durch die Ampullen und den Kernbrennstoff gebildeten Hohlräume innerhalb der Brennstabhülle mit Kontaktmaterial gefüllt. Das durch die beanspruchte Erfindung erzielte technische Ergebnis besteht darin, dass neben der Reduzierung der Arbeitsintensität und des Volumens der verarbeiteten plutoniumhaltigen Materialien auch das Einbringen von Ampullen in den Brennstabkern, in denen mehr als 70 % der Spaltfragmente konzentriert sind, und Kontaktmaterial, das das Temperaturniveau des Brennstabkerns senkt, einen zuverlässigen Betrieb des Brennstabs in manövrierfähigen Betriebsmodi des Reaktors gewährleistet, zusätzliche zwei Schutzstufen für die Hauptquelle der Radioaktivität im Falle einer Druckentlastung des Brennstabs schafft, wodurch die Brennstab in Notsituationen weniger gefährlich. Das vorgeschlagene Brennstabdesign ermöglicht eine Steigerung seiner Energieproduktion, da die Geschwindigkeit und das Ausmaß der volumetrischen Änderungen im Teil des Brennstabkerns mit fruchtbaren Nukliden im Vergleich zum Brennstabkern des alten Designs aus gemischten Nukliden deutlich reduziert werden Brennstoff, da die Volumenänderungen in den Ampullenkernen, in denen sich der Großteil der Spaltfragmente ansammelt, in Ampullen kompensiert werden, hat der Brennstabkern außerdem eine deutlich niedrigere Betriebstemperatur. Die vorgeschlagene technische Lösung ermöglicht es, die Konstruktionen und Materialien der Ampullen, die Materialien und die Form des Kernbrennstoffs der Ampullen und Brennstabkerne, das Verhältnis der Mengen an spaltbaren und fruchtbaren Nukliden, die Verwendung derselben bzw unterschiedliche Kontaktmaterialien in den Ampullen und Brennstabkernen, gegebenenfalls die Verwendung in den Ampullen und Brennstabkernen und im Konstruktionsmaterial von Ampullen brennbarer Absorber, die Verwendung von Gettern in Ampullen. In den Brennstoffkernen von Ampullen empfiehlt es sich, Kernbrennstoff in Form von Partikeln beliebiger (Körner) oder sich wiederholender (Granulat) Form aus Plutoniumdioxid oder in Form von Drähten, Bändern oder Granulat aus Plutonium-Gallium-Legierungen zu verwenden bei der Verwendung von monoisotopischem Plutonium und im Brennstabkern - chemische Verbindungen oder Legierungen von Uran oder Thorium, zum Beispiel Dioxide, Silizide, Nitride, eine Uranlegierung mit 9 % Molybdän usw., während die geometrische Form und die Abmessungen nuklear sind Der Brennstoff in den Ampullenkernen und dem Brennstabkern kann gleich sein, zum Beispiel Sand-Korn, Granulat-Granulat, oder unterschiedlich sein, zum Beispiel Granulat-Granulat, Granulat-Blöcke usw. Strukturell können Ampullen in Form von Kugeln, Scheiben, Ringen, polyedrischen oder geformten Platten, gerade, relativ zur Längsachse gedreht, oder in Form verschiedener Spiralen mit runden, ovalen, dreieckigen, quadratischen, gewickelten Bändern oder Stäben hergestellt werden. rechteckiger, polyedrischer, drei- oder mehrlappiger oder anderer Querschnitt, auch mit Rippen zur Selbstdistanzierung im Brennstabkern. Die Länge des Brennstoffkerns der Ampullen kann der Länge des Brennstabkerns entsprechen oder ein Vielfaches davon betragen. Das Ausgleichsvolumen der Ampullen kann sich vollständig im Brennstabkern befinden oder bei gleicher oder geänderter Ampullengeometrie teilweise außerhalb desselben verlegt werden. Zusätzlich kann im Kompensationsvolumen ein Getter platziert werden. Wenn eine ungleichmäßige Beladung mit spaltbaren Isotopen über die Länge des Brennstabkerns erforderlich ist, kann dies durch die Anzahl und den Abstand der Ampullen sichergestellt werden, indem der Kernbrennstoff in Ampullen mit einer Kernlänge geladen wird, die ein Vielfaches der Brennstabkernlänge beträgt Länge und einen variablen Querschnitt, eine Verdrillungs- oder Wicklungssteigung, wobei die Länge der Ampullenkerne der Länge des Brennstabkerns entspricht. Als Kontaktmaterialien im Brennstabkern und den Ampullenkernen kommen Materialien in Betracht, die unter Betriebsbedingungen des Brennstabes in festem Zustand vorliegen, beispielsweise Magnesium, Aluminiumlegierungen etc., oder in flüssigem Zustand (Bleilegierung mit Wismut, Natrium). usw.) und in jeder beliebigen Kombination von Zuständen (flüssig-flüssig, fest-flüssig, fest-fest, flüssig-fest) und chemischen Zusammensetzungen verwendet werden. Das Material der Umhüllung des Brennelements und der Ampulle kann gleich sein, beispielsweise Zirkoniumlegierung E-110 – Zirkoniumlegierung E-110, Edelstahl EI-847 – Edelstahl EI-847 oder unterschiedlich, beispielsweise Zirkonium Legierung E-110 – Edelstahl EI-847, Zirkoniumlegierung E-110 – Zirkoniumlegierung E-125, Edelstahl EI-844BU-ID, Edelstahl EI-852 usw. Bei Bedarf können brennbare Absorber in den Kern eingeführt werden Brennstoff von Brennstäben und Ampullen und/oder in Form einer Mischung von Partikeln aus brennbarem Absorber mit Partikeln von Kernbrennstoff von Brennstäben und Ampullen und/oder in das Strukturmaterial von Ampullen, wenn sie chemisch gleich oder unterschiedlich sind Zusammensetzung und/oder Konzentration des absorbierenden Isotops. Beispielsweise befindet sich im Brennstabkern Gadoliniumoxid in der Zusammensetzung von Kernbrennstoffpartikeln, im Ampullenkern Gadoliniumoxid in Form von mit Kernbrennstoffpartikeln vermischten Partikeln und im Ampullenmaterial Bor in einer Zirkoniumlegierung. Eine vergleichende Analyse der vorgeschlagenen technischen Lösung mit der bekannten ermöglicht es uns, die Übereinstimmung der vorgeschlagenen technischen Lösung mit den Anforderungen an Erfindungen festzustellen. Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Abbildung 1 zeigt einen Brennstab mit drei zylindrischen Ampullen mit Kernen, deren Länge der Länge des Brennstabkerns entspricht, Kontaktmaterial im Brennstabkern, das sich unter Betriebsbedingungen des Brennstabs im festen Zustand befindet. In Abb. Abbildung 2 zeigt ein Brennelement mit zylindrischen Ampullen mit Kernen, deren Länge ein Vielfaches der Länge des Brennelementkerns beträgt, und Kontaktmaterialien der Ampullen und Brennelementkerne, die sich unter Betriebsbedingungen in flüssigem Zustand befinden. Abbildung 3 zeigt ein Brennelement mit einer Ampulle in Form eines gedrehten Bandes mit einer Kernlänge, die der Länge des Brennelementkerns entspricht, wobei sich außerhalb des Brennelementkerns ein Gassammler befindet. In Abb. Abbildung 4 zeigt ein Brennelement mit einer Ampulle in Form eines Profilbandes, zu einer zylindrischen Spirale gedreht, mit einer Kernlänge, die der Länge des Brennelementkerns entspricht, und einem Gassammler, der sich außerhalb des Brennelementkerns befindet. Der Aufbau des Brennelements (siehe Abb. 1) besteht aus einer an den Enden mit Stopfen (2) verschlossenen Hülle (1), in der sich ein Kern (3) befindet, der aus einer vibrationsverdichteten Mischung von Kernbrennstoffkörnern besteht fruchtbare Nuklide (4) enthaltend, und brennbares Absorbergranulat (5), in deren Zwischenräumen sich Kontaktmaterial (6) befindet, das sich unter Betriebsbedingungen des Brennelements in einem festen Zustand befindet. Im Brennstabkern befinden sich im Abstand von 120° drei zylindrische Ampullen (7). Zwischen den Ampullen und der Hülle besteht ein Spalt von mindestens dem 0,1-fachen Durchmesser der Ampullen, der Mindestdurchmesser des Granulats beträgt mindestens das 1,2-fache des Spalts. Die Ampulle ist ein zylindrisches dünnwandiges Rohr (8), das an den Enden mit Stopfen (9) verschlossen ist und in dessen Inneren sich ein Kern (10) befindet, der aus einer vibrationsverdichteten Mischung poröser Kernbrennstoffkörnchen mit spaltbaren Nukliden (11) besteht ) und einen Getter (12). Die maximale Korngröße beträgt nicht mehr als 0,3 des Innendurchmessers der Ampulle. Das Ausgleichsvolumen in der Ampulle (13) ist die intergranulare und intragranulare Porosität. Um den Anfang des Brennstabkerns und die Ampullen auszurichten, weist der Bodenstopfen eine Unterlegscheibe (14) mit Schlitzen für Ampullen auf, deren Dicke dem Abstand vom Ende der Ampulle zum Anfang des Ampullenkerns entspricht. Oberhalb der Schicht des Brennstabkerns befindet sich ein Stopfen (15) aus inertem Material, dessen Höhe größer ist als der über den Brennstabkern herausragende Teil der Ampulle. Das Material der Hülle und der Brennstabstopfen ist eine Zirkoniumlegierung, zum Beispiel E-110, und das Material der Ampulle und Stopfen ist Edelstahl, zum Beispiel EI-844BU-ID-Stahl. Als Kernbrennstoff für den Brennstabkern können je nach erforderlichem Verhältnis von spaltbaren und fruchtbaren Nukliden im Brennstab Legierungen und Verbindungen von abgereichertem oder natürlichem Uran oder Thorium mit Molybdän, Zirkonium, Stickstoff, Silizium, Aluminium usw. verwendet werden. Der Kern der Ampullen besteht aus Plutoniumdioxid oder hochangereichertem Uran. Als brennbarer Absorber können Gadoliniumoxid, Borcarbid, Gadoliniumtitanat etc. als Kontaktmaterial des Brennstabkerns verwendet werden. Als Gettermaterial werden bariumhaltige Verbindungen mit Zirkonium, Aluminium und Nickel verwendet. Bei dem Korkmaterial handelt es sich um gesinterte Aluminiumoxidpartikel (Mahlkorn). Der Aufbau des Brennelements (siehe Abb. 2) besteht aus einer Hülle (1), die an den Enden mit Stopfen (2) verschlossen ist und in deren Inneren sich ein Kern (3) befindet, der aus Kernbrennstoff besteht, der fruchtbare Nuklide (4) enthält in Form von zylindrischen Blöcken mit sechs Rillen alle 60° entlang der Mantellinien des Zylinders und Kontaktmaterial (6), das in den Spalten zwischen den Blöcken und der Brennelementhülle angeordnet ist und sich unter Betriebsbedingungen in flüssigem Zustand befindet. Das Niveau des Kontaktmaterials liegt 3-5 mm höher als das Niveau des letzten Blocks. In den Nuten der Blöcke befinden sich zylindrische Ampullen (7). Die Ampulle ist ein zylindrisches dünnwandiges Rohr (8), das an den Enden mit Stopfen (9) verschlossen ist und in dessen Inneren sich ein Kern (10) befindet, der aus Kernbrennstoff besteht, der spaltbare Nuklide (11) in Form von Granulat mit a enthält Durchmesser von nicht mehr als 0,3 oder einem Draht mit einem Durchmesser von nicht mehr als 0,7 des Innendurchmessers der Ampulle, und das Kontaktmaterial (16), das unter Betriebsbedingungen des Brennelements in flüssigem Zustand vorliegt. Der Füllstand des Kontaktmaterials ist 2 - 3 mm höher als der Füllstand des Kernbrennstoffs in der Ampulle. Das Ausgleichsvolumen in der Ampulle (13) ist das freie Volumen, das sich über dem Niveau des Kontaktmaterials befindet. Um den Anfang des Brennstabkerns und die Ampullen auszurichten, befindet sich am unteren Brennstabstopfen eine dem Profil der Blöcke folgende Unterlegscheibe (14), deren Dicke dem Abstand vom Ende der Ampulle bis entspricht der Beginn des Ampullenkerns. Die Ampullen sind entlang der Länge des Brennstoffelements so angeordnet, dass sich in den Nuten jedes Blocks mit Ausnahme des ersten alle 60 ° Kerne und Ausgleichsvolumina der Ampullen abwechseln. Dies wird dadurch erreicht, dass die Länge der Ampullen gleich der Höhe einer geraden Anzahl von Blöcken ist (in Abb. 1 ist sie gleich zwei Blöcken), die Länge der Brennstabkernblöcke ist gleich der Länge von der Ampullenkern und im ersten Block sind in drei Nuten Ampullensimulatoren (17) mit einer Länge gleich der halben Länge eingebaut Zur Distanzierung der Ampullen und Blöcke zwischen sich und der Hülle befindet sich auf der Außenfläche der Ampullen ein spiralförmig gewickelter Draht (18) mit einem Durchmesser von mindestens 0,1 des Ampullendurchmessers, dessen Enden in die Enden eingeschweißt sind der Ampullen. Um Volumenänderungen im Brennstabkern auszugleichen und darin freigesetzte gasförmige Spaltfragmente aufzufangen, befindet sich oberhalb des Niveaus des Kontaktmaterials ein Freivolumen (19). Die Materialien der Hülle und der Stopfen der Brennstäbe und Ampullen können die gleichen sein wie für den in Abb. 1 gezeigten Brennstab. Das Kernbrennstoffmaterial des Brennstabkerns kann aus Legierungen und Verbindungen von abgereichertem oder natürlichem Uran oder Thorium mit Molybdän, Zirkonium, Silizium, Aluminium usw. bestehen, und das Kernbrennstoffmaterial des Ampullenkerns kann eine Legierung aus Plutonium und Gallium sein oder eine Legierung aus hochangereichertem Uran mit Molybdän. Das Kontaktmaterial des Brennstabkerns kann eine Blei-Wismut-Legierung sein, und das Kontaktmaterial des Ampullenkerns kann auch eine Blei-Wismut-Legierung oder Natrium sein. Der Aufbau des Brennelements (siehe Abb. 3) besteht aus einer an den Enden mit Stopfen (2) verschlossenen Hülle (1), in deren Inneren sich ein Kern (3) befindet, der aus einer vibrationsverdichteten Mischung von Kernbrennstoffkörnern besteht (4), enthaltend fruchtbare Nuklide, und einen brennbaren Absorber (5), in dessen Zwischenräumen sich ein unter Betriebsbedingungen in festem Zustand befindliches Kontaktmaterial (6) befindet. Im Zentrum des Brennstabkerns befindet sich eine Ampulle (7). Die Ampulle ist ein Hohlband (8), das am unteren Ende mit einem Stopfen (9) verschlossen und relativ zur Längsachse verdreht ist und in dem sich ein Kern (10) befindet, der aus vibrationsverdichteten Kernbrennstoffkörnern mit fruchtbaren Nukliden besteht (11) mit einem maximalen Korndurchmesser von nicht mehr als 0,3 Kerndicke, und im oberen Teil der Ampulle, außerhalb des Brennstabkerns, ist ein Getter (12) angeordnet. Zur Ausrichtung des Brennstabanfangs und des Ampullenkerns ist eine Unterlegscheibe (14) mit einem Schlitz für die Ampulle vorgesehen, deren Dicke dem Abstand vom Ende der Ampulle zum Anfang des Ampullenkerns entspricht. Oberhalb der Schicht des Brennstabkerns befindet sich ein Stopfen (15) aus inertem Material, dessen Höhe gleich dem Abstand vom Brennstabkern zum Gassammler (20) ist. Das Ausgleichsvolumen der Ampulle (13) ist der intergranulare Porositäts- und Gassammler (20). Der Brennstoffkern der Ampulle ist durch ein gasdurchlässiges Pfropfen (21) vom Gassammler getrennt. Alle Materialien dieser Brennstabkonstruktion ähneln den Materialien der in Abb. gezeigten Brennstabkonstruktion. 1. Für dieses Brennelement können jedoch auch Aluminiumlegierungen als Ampullenhüllenmaterial verwendet werden. Der Aufbau des Brennelements (siehe Abb. 4) ist eine an den Enden mit Stopfen (2) verschlossene Hülle (1), in der sich ein Kern (3) befindet, der aus vibrationsverdichtetem Granulat besteht, das Kernbrennstoff mit fruchtbarem Inhalt enthält Nukliden (4) und einem abbrennbaren Absorber (5), in deren Zwischenräumen sich Kontaktmaterial (6) befindet, das sich unter Betriebsbedingungen in einem festen Zustand befindet. Im Brennstabkern befindet sich eine Ampulle (7). Die Ampulle ist ein in Form einer zylindrischen Spirale gewickeltes Profilband, auf dessen Außenfläche sich eine Rippe befindet, die einen Spalt zwischen dem zylindrischen Teil der Ampulle und der Hülle von mindestens 0,15 mm und einem Mindestdurchmesser von Das Brennstabkerngranulat ist 1,2-mal größer als der Spalt. Die Ampulle ist unten mit einem Stopfen (9) verschlossen. Im Inneren der Ampulle befindet sich ein Kern (10) mit einer Länge, die der Länge des Brennstabkerns entspricht und aus Kernbrennstoff besteht, der spaltbare Nuklide (11) enthält. Zur Ausrichtung des Brennstabanfangs und des Ampullenkerns ist eine Unterlegscheibe (14) mit einem Schlitz für die Ampulle vorgesehen, deren Dicke dem Abstand vom Ende der Ampulle zum Anfang des Ampullenkerns entspricht. Oberhalb der Schicht des Brennstabkerns befindet sich ein Stopfen (15) aus inertem Material, dessen Höhe gleich dem Abstand vom Brennstabkern zum Gassammler (20) ist. Das Ausgleichsvolumen der Ampulle (13) ist der intergranulare Porositäts- und Gassammler (20). Der Brennstoffkern der Ampulle ist durch ein gasdurchlässiges Pfropfen (21) vom Gassammler getrennt. Alle Brennstabmaterialien ähneln den Materialien der in Abb. gezeigten Brennstabkonstruktion. 1, wobei berücksichtigt wird, dass bei dieser Brennelementkonstruktion das Material des Ampullenmantels Aluminiumlegierungen sein kann. Herstellung des in Abb. dargestellten Brennelements. 1, unter Laborbedingungen getestet. Die Hülle (1) mit einem Durchmesser von 9,15 x 7,72 mm, einer Länge von 950 mm und Stopfen bestand aus der Zirkoniumlegierung E-110. Die Ampullen (7) wurden aus Kapillarröhrchen (8) mit einem Durchmesser von 1,5 x 1,26 mm hergestellt. Als Material für die Ampullen und deren Stopfen wurde EI-844BU-ID-Stahl verwendet. Die Ampullen enthielten einen Kern (10) aus einer vibrationskompaktierten Mischung aus Urandioxid-Granulat mit 98 Gew.-%. und Bariumlegierung mit Zirkonium 2 % Gew. Das Urandioxid-Granulat hatte eine innere Porosität von 12–15 %. Die fraktionierte Zusammensetzung der Granulatmischung betrug -0,4+0,08 mm. Die gesamte intra- und intergranulare Porosität, also das Kompensationsvolumen (13), wird mit 50 - 55 % berechnet. Die Länge des Ampullenkerns betrug 900-5 mm. Um die Kerne der Ampullen (10) und des Brennstabs (3) auszurichten, wurde eine 4 mm dicke Unterlegscheibe (14) aus der Zirkoniumlegierung E-110 eingebaut. Als Brennstabkernmaterial (3) wurde eine vibrationsverdichtete Mischung aus Urandioxid-Granulat (4) 95 Gew.-% verwendet. und Gadoliniumoxid (5) 5 Gew.-%. fraktionierte Zusammensetzung -0,5 + 0,315 mm, imprägniert mit Kontaktmaterial (7) - Aluminiumlegierung mit 12 % Gew. Silizium. Die Länge des Brennstabkerns betrug 900 - 5 mm und die volumetrische Füllung mit Granulat betrug 60 - 65 %. Über der Schicht des Brennstabkerns wurde ein Stopfen (15) aus Partikeln gesinterten Aluminiumoxids in runder Form (Schliff) mit einer Bruchteilszusammensetzung von 0,5 - 0,6 mm hergestellt, der ebenfalls mit Kontaktmaterial imprägniert wurde. Die Ampullen im Brennstabkern waren in Abständen von 120° angeordnet, mit einem Spalt zwischen den Ampullen und der Umhüllung von 0,2 mm. Die Herstellung der Ampullen erfolgte in folgender Reihenfolge. Zuschneiden des Rohrs, Verschließen eines Endes der Ampulle, Vibrieren, Füllen der Ampulle mit Helium und Verschließen des zweiten Endes der Ampulle, Überprüfen der Ampulle auf Dichtheit und gleichmäßige Verteilung des Kernbrennstoffs entlang der Länge der Ampulle. Die Herstellung von Brennelementen umfasste die folgenden technologischen Vorgänge. Zuschneiden des Rohrs und Abdichten eines Endes, Anbringen einer Unterlegscheibe und Ampullen, Rütteln des Brennstabs, Anbringen eines Stopfens und Imprägnieren des Brennstabkerns und Stopfens mit geschmolzener Aluminiumlegierung, Abdichten des zweiten Endes des Brennstabs, Crimpen des Brennstabs mit Helium und Überprüfung der Dichtheit, Überwachung der Verteilung des Kernbrennstoffs im Brennstab, der Qualität des Imprägnierungskontaktmaterials und des Aussehens. Die Ergebnisse der Herstellung von Laborproben von Brennstäben zeigten, dass die ungleichmäßige Verteilung des Kernbrennstoffs in Ampullen 7 % und in Brennstäben 10 % nicht überschreitet. Die Qualität der Imprägnierung der Brennstabkerne ist zufriedenstellend und das Aussehen der Brennstäbe entspricht den Kontrollproben. Die Herstellungstechnologie für die anderen angegebenen Varianten von Brennelementkonstruktionen ähnelt der oben angegebenen, lediglich bei Varianten mit Streifenbrennelementen werden die Rohre zusätzlich profiliert und den gefüllten Ampullen die erforderliche Form gegeben. Damit wurde die reale Möglichkeit aufgezeigt, Brennstäbe des vorgeschlagenen Designs herzustellen, und die Kombination ausgewählter Kernbrennstoffzusammensetzungen, Struktur-, Kontakt- und anderer Materialien sowie Designs von Ampullen wird eine Erhöhung der Ressourcen gewährleisten und die Zuverlässigkeit des Betriebs erhöhen von Brennstäben in manövrierfähigen Modi unter bestimmten Betriebsbedingungen des Reaktors. Bei der Umsetzung eines Brennstabs gemäß der beanspruchten Erfindung können andere Formen, Größen und Geometrien von Körnern, strukturellen, nuklearen, brennbaren Materialien und Gettern sowie deren Platzierung im Brennstabkern verwendet werden, die in den obigen Beispielen nicht berücksichtigt wurden. Die Verwendung von Brennstäben gemäß der beanspruchten Erfindung in Leistungsreaktoren ist im Vergleich zu Brennstäben, die gemischten Brennstoff verwenden, wirtschaftlicher und erfüllt besser die Anforderungen an Ökologie, Hygiene und Strahlungssicherheit. Verwendete Informationsquellen 1. „Entwicklung, Produktion und Betrieb von Brennelementen für Leistungsreaktoren“, Buch 1. Moskau, Energoatomizdat, 1995 (Prototyp auf S. 45). 2. A. G. Samoilov, A. I. Kashtanov, V. S. Volkov. „Verteilte Brennelemente von Kernreaktoren“, Band 1. Moskau, Energoizdat, 1982.

Zweck der Vorlesung: Einführung in brennstoffabgebende Elemente und Brennelemente

Fragen zum Thema:

1 TVEL und FA für WWER

2 Brennstäbe für RBMK

3 Brennelemente für schnellen Neutronenreaktor, BN600

4 Mikrosphären für Brennstäbe

Der Hauptbestandteil des Kerns eines Kernreaktors sind Brennstäbe, die zu Brennelementen (FA) zusammengesetzt sind und eine bestimmte Menge festen Kernbrennstoffs enthalten. Neben der Verbesserung der Kernzusammensetzung wird nun auch das Design von Brennelementen und Brennstoffpellets durch den Einsatz von Fertigungstechnologien, Sintern, Schweißen sowie chemischer und mechanischer Bearbeitung verbessert. All dies verbessert die Betriebseigenschaften von Kernbrennstoffen und erhöht seine Zuverlässigkeit und Sicherheit.

Ein Brennelement ist ein Strukturelement eines Kernreaktors, das Kernbrennstoff enthält. Brennstäbe werden im Kern eines Kernreaktors eingebaut und sorgen für die Erzeugung des Hauptteils der Wärmeenergie und deren Übertragung auf das Kühlmittel. Mehr als 90 % der gesamten im Reaktor bei der Kernspaltung freigesetzten Energie werden im Inneren der Brennstäbe freigesetzt und durch das die Brennstäbe umströmende Kühlmittel abgeführt. Brennstäbe arbeiten unter sehr schwierigen Bedingungen: Die Wärmeflussdichte vom Brennstab zum Kühlmittel erreicht 1-2 MW/m² und die Temperatur schwankt bis zu 3200 Grad. Die wichtigsten Phänomene aus Sicht der Analyse des Verhaltens von Brennstäben bei der Bestrahlung sind das Quellen des Brennstoffs und die Freisetzung gasförmiger Spaltprodukte, Änderungen des Innendrucks usw.

Das Brennelement ist in der Regel ein Brennstoffkern mit

versiegelte Hülle. Die Hülle verhindert das Austreten von Spaltprodukten und die Wechselwirkung von Brennstoff mit dem Kühlmittel. Das Hüllenmaterial muss Neutronen schwach absorbieren und akzeptable mechanische, hydraulische und thermische Leitfähigkeitseigenschaften aufweisen. Brennstäbe werden nach der Art des verwendeten Brennstoffs, der Form des Brennstabs, der Art des Kontakts zwischen Brennstoff und Hülle und der Art des Kernreaktors klassifiziert.

Form und geometrische Abmessungen des Brennelements hängen vom Reaktortyp sowie der Herstellungstechnologie ab. Die gebräuchlichste Form von Brennstäben ist ein langer zylindrischer Brennstab, der in einer Metallhülle eingeschlossen ist. Einige Reaktoren verwenden Brennstäbe in Form von Platten (Forschungsreaktoren), Kugeln (Hochtemperatur-Gas-Graphit-Reaktoren) oder anderen Konfigurationen. Einige Optionen für die Querschnitte von Brennstäben und ihre relativen Positionen im Reaktorkern sind in Abb. 2 dargestellt. Die Anordnung der Brennstäbe zu Baugruppen erfolgt über Distanzteile. Ein Brennelement ist ein Strukturelement eines Reaktorkerns, das das Be- und Entladen von Kernbrennstoff ermöglicht.

Anhand der Beschaffenheit des Brennstoffs und der Umhüllung unterscheidet man: Brennstäbe, bei denen der Brennstoff und die Umhüllung metallisch sind, Brennstäbe, die aus keramischem Brennstoff und einer Metallhülle bestehen, und vollständig keramische Brennstäbe, die mit in Graphit eingebetteten pyrolytischen Kohlenstofffilmen beschichtet sind Matrix. Lediglich durch die Art des Brennstoffs werden Brennstäbe unterschieden: Metallbrennstäbe, bei denen der Metallbrennstoff leicht legiert ist, Keramikbrennstäbe mit keramischem Brennstoff ohne verdünnende Zusätze, Dispersionsbrennstäbe, bei denen der Brennstoff eine stark verdünnte Legierung oder vollständig ist Keramik mit einem geringen Brennstoffgehalt pro Volumeneinheit. Basierend auf der Form der Brennstäbe werden sie als Plattenbrennstäbe klassifiziert; massiv zylindrisch, Draht, Stab, Tablette, Einzelring und Mehrring, röhrenförmig; Ball; lamellar; Monoblock perforiert. Je nach Art der Umsetzung des Kontakts „Brennstoffmantel“ werden unterschieden: Brennstäbe mit mechanischem Kontakt; Brennstäbe mit metallurgischem Kontakt; Brennstäbe mit Zwischenschicht. Um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern, können verschiedene Arten von Rippen verwendet werden: Längsrippen; quer; längs mit geraden Rippen und spiralförmigen Trennwänden; Spiral; Chevron

Bei den Brennelementen handelt es sich meist um gesinterte Uranoxid-Pellets in Aluminium-, Zirkonium- oder Edelstahlrohren; Tabletten aus Uranlegierungen mit Zirkonium, Molybdän und Aluminium, beschichtet mit Zirkonium oder Aluminium (im Falle einer Aluminiumlegierung); Graphittabletten mit dispergiertem Urankarbid, beschichtet mit undurchdringlichem Graphit.

Abb. 2. Optionen für den Querschnitt von Brennstäben und deren Abstand.

Für Druckwasserreaktoren werden Uranoxidpellets in Edelstahlrohren am meisten bevorzugt. Urandioxid reagiert nicht mit Wasser, weist eine hohe Strahlungsbeständigkeit auf und zeichnet sich durch einen hohen Schmelzpunkt aus. Graphitbrennstoffzellen eignen sich für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, haben jedoch einen gravierenden Nachteil: Durch Diffusion oder Defekte im Graphit können gasförmige Spaltprodukte durch ihre Hülle eindringen. Organische Kühlmittel sind mit Zirkonium-Brennelementen unverträglich und erfordern daher den Einsatz von Aluminiumlegierungen. Die Aussichten für organisch gekühlte Reaktoren hängen von der Entwicklung von Aluminiumlegierungen oder pulvermetallurgischen Produkten ab, die die Festigkeit (bei Betriebstemperaturen) und Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die für den Einsatz von Rippen erforderlich sind, die die Wärmeübertragung auf das Kühlmittel verbessern. Da der Wärmeaustausch zwischen dem Kraftstoff und dem organischen Kühlmittel aufgrund der Wärmeleitfähigkeit gering ist, ist es wünschenswert, Oberflächensieden zu nutzen, um die Wärmeübertragung zu erhöhen. Mit dem Oberflächensieden werden neue Probleme verbunden sein, die jedoch gelöst werden müssen, wenn die Verwendung organischer Flüssigkeiten von Vorteil sein soll.

Neben Pulvern und Granulaten gibt es seit Kurzem auch eine neue Mikrosphäre

körniger keramischer Brennstoff (Korndurchmesser beträgt mehrere Mikrometer), der

Wird zur Herstellung einer großen Klasse von dispergierten Brennstäben mit metallkeramischer Zusammensetzung, Brennstäben auf Basis einer Graphitmatrix, Mikrobrennstäben mit verschiedenen Arten von Beschichtungen für den Einsatz in gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktoren sowie verwendet vibrationsverdichtete Stabbrennstäbe. Ein solcher Brennstoff wird offenbar in einem modularen Gasturbinenreaktor verwendet.

In einem thermischen Reaktor bilden Brennstäbe ein Gitter, dessen Freiraum

mit Verzögerer gefüllt.

Aufgrund der Beschaffenheit des Brennstoffs und der Umhüllung werden Brennelemente unterschieden, bei denen der Brennstoff und die Umhüllung aus Metall bestehen; Brennelemente bestehend aus keramischem Brennstoff und einer Metallhülle; Vollkeramische Brennstäbe, beschichtet mit pyrolytischen Kohlenstofffilmen, eingebettet in eine Graphitmatrix. Lediglich durch die Art des Brennstoffs unterscheidet man Metallbrennstäbe, bei denen der Metallbrennstoff leicht legiert ist; Keramische Brennstäbe mit keramischem Brennstoff ohne verdünnende Zusätze; Dispersionsbrennstäbe, bei denen der Brennstoff eine stark verdünnte Legierung oder vollständig aus Keramik mit einem geringen Brennstoffgehalt pro Volumeneinheit ist. Die Form von Brennstäben ist: Platte; massiv zylindrisch (Block; Stab; Draht, Stab, Tablette; Einzelring und Mehrring; röhrenförmig); Ball; Monoblock; TVEL anderer Formen. Basierend auf der Art und Weise der Umsetzung des „Brennstoff-Hülle“-Kontakts werden Brennstäbe mit mechanischem Kontakt unterschieden; Brennstäbe mit metallurgischem Kontakt; Brennstäbe mit Zwischenschicht

Brennelemente heterogener Reaktoren gewährleisten die Erhaltung des Kernbrennstoffs und der daraus resultierenden Fragmente auf kleinem Raum. Brennstäbe bestehen in der Regel aus gegossenem Th, U, Pu, deren Legierungen oder einer gepressten Mischung – Keramik oder Metallkeramik – aus spaltbaren Stoffen in Form von Oxiden, Karbiden usw. mit einer Matrix aus Metallen, Oxiden usw. Die Matrix sorgt für die notwendige Verdünnung spaltbarer Isotope auf zulässige Konzentrationen im Hinblick auf spezifische thermische Belastungen. Heterogener Kernbrennstoff ist außen mit einer dichten Hülle aus Aluminium, Zirkonium oder Edelstahl beschichtet. Sätze von Brennstäben in Form von Platten, Rohren, Zylindern und Stäben werden häufig zu Baugruppen zusammengefasst, die in den Arbeitszellen von Kernreaktoren platziert werden.

TVEL und FA für WWER

In einem Reaktor vom WWER-Typ wird gesintertes Urandioxid als Kernbrennstoff mit einer anfänglichen Anreicherung von Uran-235 im stationären Modus im Bereich von 2,4 bis 4,4 % (Masse) verwendet. Die volle Brennstofflast des Reaktors beträgt 75 Tonnen.

Sechseckige Brennelemente (FAs) enthalten stabförmige Brennelemente (FELs) mit einem Urandioxidkern in Form von Tabletten, der sich in einer Hülle aus einer Zirkoniumlegierung befindet. Im Inneren der Zirkoniumhülle des Brennelements (Innendurchmesser 9,1 mm, Wandstärke 0,65 mm, Hüllenmaterial – Zr + 1 % Nb-Legierung) befinden sich Brennstoffpellets mit einem Durchmesser von 7,53 mm aus Urandioxid. Die Masse der UO2-Beladung in einem Brennstab beträgt 1565. Die garantierte Lebensdauer beträgt 4 Jahre. Bei der Brennelementanordnung WWER-1000 handelt es sich um ein Bündel von Brennstäben, die in einem dreieckigen Gitter mit einem Abstand von 12,76 mm angeordnet sind (das Bündel ist von einer Hülle aus einer Zirkoniumlegierung umgeben). Einige Eigenschaften von Brennelementen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Brennelemente wiederum sind ebenfalls zu einem dreieckigen Gitter mit einer Teilung von 147 mm (WWER-440) und 241 mm (WWER-1000) zusammengesetzt.

Tisch 2. Eigenschaften von WWER-1000-Brennstäben

Die Höhe des Brennelementes mit dem Steuerstabbündel beträgt 4665 mm. Das Brennelement enthält 317 Brennstäbe, 12 Führungskanäle für Steuerstäbe, einen Kanal für einen Energiefreisetzungsmesssensor und ein hohles Zentralrohr. In der Mitte des sechseckigen Kopfes des Brennelements befindet sich eine zylindrische Buchse, in der 12 Führungskanäle für absorbierende Elemente und ein Kanal für den Energiefreisetzungsmesssensor montiert sind. Die Kraftstoffmasse in der Kassette beträgt 455,5 kg. Die Buchse ist mit den sechs Ecken des Brennelementkopfes durch Rippen verbunden, in denen sich federbelastete Stifte befinden, die zum Festklemmen des Brennelements im Reaktor, zum Ausgleich von Temperaturausdehnungen und technologischen Toleranzen dienen. An den Rändern des Kopfes befinden sich Fenster, durch die das Kühlmittel aus dem Brennelement austreten kann. Im Gegensatz zu weltweiten Analoga von Brennelementkonstruktionen, die auf einer rechteckigen Form basieren, hat das WWER-1000-Brennelement einen sechseckigen Querschnitt und ein Brennstabverteilungsfeld. Dieses Brennelementverteilungsschema sorgt für eine hohe Gleichmäßigkeit des Kühlmittelflusses und ist günstiger

Wasser-Uran-Verhältnis im Kern. Die sechseckige Form gewährleistet die Sicherheit von Brennelementen beim Transport und bei technologischen Vorgängen in der Produktion und in Kernkraftwerken.

Seit der Inbetriebnahme von Kernkraftwerken mit WWER haben sich die Konstruktionen von Brennelementen erheblich verändert. In der Anfangsphase der Konstruktion und des Betriebs waren Brennelemente mit einer Schutzhülle versehen, d. h. abgedeckt, dann erschienen Brennelemente mit einer perforierten Abdeckung. Derzeit werden in allen Kernkraftwerken, die mit WWER-1000-Reaktoren geplant und gebaut werden, unbedeckte Brennelemente bevorzugt. Nicht ummantelte Brennelemente verbessern die Durchmischung des Kühlmittels im Kern; Reduzieren Sie die Lücke zwischen benachbarten

FA, das es ermöglicht, eine größere Anzahl von Brennelementen im gleichen Volumen des Behälters unterzubringen und dadurch die Leistung des Reaktors zu erhöhen; Reduzierung der ungleichmäßigen Energiefreisetzung aufgrund der dichten Packung der Brennstäbe; den hydraulischen Widerstand von Brennelementen reduzieren; Erhöhen Sie die Zuverlässigkeit der Kühlung im Notfallmodus, der mit einem Kühlmittelleck aufgrund der Querausbreitung von Wasser aus dem Notkühlsystem verbunden ist. Erhöhen Sie die Anzahl der verstellbaren Stäbe pro Brennelement, um die Festigkeitseigenschaften des tragenden Rahmens des Moduls zu erhöhen und die Anzahl der Antriebe des Schutzkontrollsystems zu verringern. Reduzieren Sie die Menge an teurem Material (Zirkonium), das in Brennelementen verwendet wird.

TVEL für RBMK

Urandioxid 235U wird als Brennstoff in RBMK-Reaktoren verwendet. Zur Verkleinerung des Reaktors wird in Anreicherungsanlagen der 235U-Gehalt im Brennstoff vorläufig auf 2,0 bzw. 2,4 % erhöht. Die Reaktorlast mit Uran beträgt 200 Tonnen. Der durchschnittliche Brennstoffabbrand beträgt 22,3 MW/kg.

TVEL ist ein Zirkonrohr mit einer Höhe von 3,5 m und einer Wandstärke von 0,9 mm, in dem Urandioxid-Pellets mit einer Höhe von 15 mm eingeschlossen sind. Zwei in Reihe geschaltete Brennelemente mit jeweils 18 Brennstäben bilden eine Brennstoffkassette mit einer Länge von 7 m. Die Brennstoffkassette ist im Technologiekanal installiert. Die Anzahl der technologischen Kanäle im Reaktor beträgt 1661. Wasser wird den Kanälen von unten zugeführt, wäscht die Brennstäbe, erwärmt sich und verwandelt sich teilweise in Dampf. Das entstehende Dampf-Wasser-Gemisch wird aus dem oberen Teil des Kanals entnommen.

Die Reaktorsteuerung erfolgt gleichmäßig verteilt im gesamten Reaktor

Stäbe, die ein neutronenabsorbierendes Element enthalten – Bor. Die Stangen bewegen sich

einzelne Servoantriebe in speziellen Kanälen, deren Aufbau technologischen ähnelt. Die Stäbe verfügen über einen eigenen Wasserkühlkreislauf mit einer Temperatur von 40 – 70°C. Durch den Einsatz von Stäben unterschiedlicher Bauart ist es möglich, die Energieabgabe im gesamten Reaktorvolumen zu regulieren und diesen bei Bedarf schnell abzuschalten.

FA für schnellen Neutronenreaktor, BN600

BN-600 – schneller Neutronenreaktor mit Natriumkühlmittel. Elektrisch

Leistung 600 MW. Der Konstruktionskern, der aus Brennelementen mit bestand

angereichert mit 21 % und 33 % 235U, war von 1980 bis 1986 in Betrieb. Der maximale Brennstoffabbrand, der darin erreicht wurde, betrug 7 % der schweren Atome, d. h. In den nächsten zwei Jahren wurde auf einen Kern mit drei Anreicherungsoptionen (17 %, 21 % und 26 % für 235U) umgestellt, um die spezifischen thermischen Belastungen der Brennstäbe zu reduzieren. Der maximale Brennstoffabbrand wurde auf 8,3 % t.a. erhöht. Die nächste Modernisierung erfolgte in den Jahren 1991-1993. Es basierte auf der Verwendung der strahlenbeständigsten und am besten entwickelten Strukturmaterialien durch die Industrie. Danach konnte ein Brennstoffabbrand von 10 % t.a. erreicht werden.

Der Kern und die Brutzone sind aus sechseckigen Kassetten-Brennelementen mit schlüsselfertigen Abmessungen von 96 mm zusammengesetzt. Das Brennelement besteht aus Brennstäben, einem Gehäuse, einem Kopf zum Greifen des Brennelements bei Überlastungen und einem Schaft, mit dem das Brennelement in die Fassung des Druckverteilers eingebaut und vertikal gehalten wird. Die Brennstäbe sind durch Befestigungselemente miteinander verbunden und werden durch eine Abdeckung geschützt, die alle Teile des Brennelements zu einem Ganzen verbindet. Die Brennstäbe sind entlang der Länge des Kerns mit Buchsen aus angereichertem Uranoxid (oder einer Mischung aus Uranoxid) und Plutoniumoxid gefüllt, und über und unter dem Kern befinden sich Endschirme aus Briketts aus „Abfall“-Uranoxid. Auch die Brennstäbe der Reproduktionszone sind mit Briketts aus „Abfall“-Uran gefüllt. Die Gashohlräume oberhalb des Natriumspiegels im Reaktor werden mit Argon gefüllt.

Mikrosphären für Brennstäbe

Derzeit werden mikrosphärische Granulatmaterialien in verschiedenen Branchen häufig verwendet. Von großem Interesse ist die Verwendung mikrosphärischer Keramikmaterialien als Brennstoffkomponente verschiedener Arten von Brennelementen. Kürzlich wurde körniger keramischer Kernbrennstoff zur Herstellung einer großen Klasse von dispergierten Brennstäben mit einer metallkeramischen Zusammensetzung, Brennstäben auf Basis einer Graphitmatrix und Mikrobrennstäben mit verschiedenen Arten von Beschichtungen für gasgekühlte Hochtemperaturbrennstoffe verwendet Reaktoren sowie vibrationsverdichtete Stabbrennstäbe. Die Hauptvorteile der Verwendung von körnigem mikrosphärischem Kraftstoff:

a) die Möglichkeit, einen automatisierten ferngesteuerten technologischen Prozess zur Herstellung von recyceltem Brennstoff aus Aktiniden zu schaffen;

b) Keine stauberzeugenden Arbeitsgänge im Vergleich zu herkömmlich genutzten Verfahren

Pulvertechnologie;

c) eine praktischere Materialform als Pulver in allen Phasen des technologischen Prozesses, wodurch die Dauer der Vibrationsverdichtung minimiert wird;

d) Mit Vorsicht können Mikrokügelchen mit einer Größe von wenigen Mikrometern bis zu 2...3 mm hergestellt werden

deren Kontrolle im Stadium der Gewinnung des Gels;

e) defekte minderwertige mikrosphärische Partikel können an den Anfang des Prozesses zurückgeführt werden;

f) Mikrokügelchen aus gemischten Actinoidoxiden können bei einer Temperatur, die 200 °C unter der Sintertemperatur von Tabletten liegt, zu einer hohen Dichte (mehr als 95 % der theoretischen Dichte) gesintert werden;

g) die Fähigkeit, Mikrokügelchen mit einer Porosität von 10 bis 30 % und hoher mechanischer Festigkeit zu erhalten und zu kontrollieren, was zusätzliche technologische Vorteile schafft.

Die ersten technologischen Konzepte basierten auf pulvermetallurgischen Methoden. Ein besonderes Merkmal dieser Verfahren zur Herstellung von mikrosphärischem Keramikbrennstoff ist die Verwendung von Kernbrennstoffpulver als Ausgangsmaterial.

dessen Zusammensetzung dem Endprodukt entspricht. Im letzten Jahrzehnt intensiv

Es werden Methoden zur Herstellung von mikrosphärischem Brennstoff entwickelt, bei denen wässrige Lösungen von Salzen spaltbarer und fruchtbarer Materialien als Ausgangsprodukte verwendet werden. Eine der „wässrigen“ Methoden zur Herstellung mikrosphärischer Keramikbrennstoffe ist das Sol-Gel-Verfahren.

Der Sol-Gel-Prozess bietet mehrere Möglichkeiten zur Gelierung von Aktiniden:

1) Ausfällung von Gelen – der Prozess basiert auf der Bildung eines Aktinidgels in einer Arbeitslösung, in der Komponenten, die in einer alkalischen Umgebung erstarren, gleichmäßig verteilt sind. Das Verfahren zeichnet sich auch durch Stoffaustausch aus.

2) Äußere Gelierung – gekennzeichnet durch Stoffübergang über die Phasengrenze (kugelbildendes alkalisches Medium – Ammoniaklösung, Gas mit Fällungskomponenten). Man unterscheidet zwischen direkter Außengelierung und umgekehrter Außengelierung.

3) Interne Gelierung – basierend auf der Tatsache, dass die Arbeitslösung Gelierzusätze (Ammoniakspender) enthält, die sich bei erhöhten Temperaturen in einem kugelbildenden Medium zersetzen. Ein charakteristisches Merkmal des Prozesses ist das Fehlen eines Stoffübergangs über die Phasengrenze hinweg.

Bei der äußeren und inneren Gelierung werden organische Flüssigkeiten als Dispersionsmedium verwendet, die in Wasser unlöslich oder schwer löslich sind.

Pulververfahren zur Herstellung von Brennstoffkernen haben neben dem Sol-Gel-Verfahren in der Brennstoffzellentechnologie für Hochtemperatur-Heliumreaktoren eine weite Verbreitung gefunden. Die am weitesten verbreitete Methode ist die Herstellung von Produkten aus plastifizierten Massen. Eine Variante dieser Methode ist die Methode der mechanischen Sphäroidisierung gemessener Brennstoffrohlinge, die als Grundlage für die Entwicklung der Brennstoffmikrosphärentechnologie gewählt wurde. Die Methode besteht darin, Brennstoffrohlinge aus plastifizierten Massen zu perfekten Mikrokugeln zu rollen.