Паливна збірка

Реферат: Паливні збірки ядерного реактора включають паливні елементи, які спікаються або відливаються для утворення заготовок і піддаються сумісній екструзії для отримання спіральної багатолопатевої форми. Паливний сердечник може містити металічний сплав з металічного паливного матеріалу і металічного непаливного матеріалу або керамічне паливо в металічній матриці з непаливного матеріалу. Паливні елементи можуть використовувати більш збагачений матеріал, що ділиться, і в той же час забезпечити підтримку безпечних робочих температур. Такі паливні елементи, виконані відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного UA 109437 C2 (12) UA 109437 C2 винаходу, можуть забезпечити вищу встановлену потужність за більш безпечних, нижчих температур, ніж це можливо у випадку використання традиційних паливних стрижнів з оксиду урану. Паливна збірка може також включати велику кількість традиційних паливних стрижнів з діоксиду урану, що може допомогти паливній збірці задовольнити вимоги щодо наявного простору для розміщення теплових збірок усередині традиційних ядерних реакторів. UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої відноситься винахід Даний винахід відноситься до паливних зборок ядерного реактора, які використовуються в активній зоні ядерного реактора, а конкретніше – до металічних ядерних паливних елементів. Рівень техніки У патентній заявці в США №2009/0252278 A1 описана паливна зборка ядерного реактора, яка включає блок запальної зони і блок зони відтворення ядерного реактора. Блок зони відтворення ядерного реактора включає паливні елементи на основі торію. Блок запальної зони ядерного реактора включає металічні паливні елементи, виготовлені з урану або плутонію, які використовуються для вивільнення нейтронів, які захоплюються паливними елементами з торію зони відтворення, в результаті утворюючи уран U-233, що ділиться і згорає на місці, виділяючи тепло для атомної електростанції. У традиційних атомних електростанціях зазвичай використовуються паливні зборки, які включають велику кількість паливних стрижнів, кожен з яких містить паливо з оксиду урану, поміщене в циліндрову трубку. Короткий опис винаходу Площу поверхні циліндрової трубки звичайних паливних стрижнів обмежує кількість тепла, яке може бути передане від стрижня до первинного теплоносія. Щоб уникнути перегрівання паливного стрижня в результаті обмеженої площі поверхні для відбору теплового потоку, кількість матеріалу, який ділиться, в цих паливних стрижнях з оксиду урану або паливних стрижнях із суміші оксиду плутонію і оксиду урану зазвичай істотно обмежувалася. Один або декілька варіантів здійснення даного винаходу дозволяють подолати різні недоліки, характерні для традиційних паливних стрижнів з оксиду урану, шляхом заміни їх повністю металічними багатолопастними паливними стрижнями, виготовленими за допомогою сумісної екструзії з використанням методу порошкової металургії (паливних елементів). Металічні паливні елементи мають значно більшу площу поверхні, ніж аналогічні стрижні з оксиду урану і, отже, можуть відводити значно більше тепла від паливного елементу до первинного теплоносія за нижчої температури. Спіральні ребра багатолопастних паливних елементів забезпечують конструкційну підтримку паливного елементу, що може сприяти зменшенню кількості або виключенню дистанціонуючих решіток, які за інакших умов були б необхідними. Зменшення кількості або виключення таких дистанціонуючих решіток дає ту перевагу, що при цьому зменшується сила гідравлічного опору потоку теплоносія, що може покращити теплопередачу до теплоносія. Вища теплопередача від металічних паливних стрижнів до теплоносія означає, що можливо генерувати більше тепла (тобто потужності) і в той же час підтримувати паливні елементи за нижчої робочої температури завдяки значно вищій теплопровідності металів у порівнянні з оксидами. Хоча традиційні паливні стрижні з оксиду або суміші оксидів зазвичай обмежені навантаженням матеріалу, що ділиться, порядку 4-5% із-за міркувань, пов'язаних з перегріванням, вищі теплопровідні властивості металічних паливних елементів, виконаних відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу, дозволяють використовувати значно вищі завантаження матеріалу, що ділиться, і при цьому підтримувати безпечну роботу палива. І нарешті, використання металічних паливних елементів запропоноване одним або кількома варіантами здійснення даного винаходу може забезпечити більшу величину потужності, що виробляється з тієї ж активної зони реактора, ніж це можливо при використанні традиційних паливних стрижнів з оксиду урану або суміші оксидів. Застосування повністю металічних паливних елементів запропоноване одним або кількома варіантами здійснення даного винаходу може мати ту перевагу, що воно зменшує ризик відмови палива, оскільки металічні паливні елементи знижують ризик викиду газоподібних продуктів ділення до теплоносія першого контуру, що є можливим у випадку використання традиційних паливних стрижнів з оксиду урану або суміші оксидів. Застосування повністю металічних паливних елементів запропоноване одним або кількома варіантами здійснення даного винаходу може бути, крім того, безпечнішим, ніж використання традиційних паливних стрижнів з оксиду урану, оскільки повністю металічна конструкція збільшує теплопередачу усередині паливного елементу, тим самим зменшуючи різницю температур усередині паливного елементу і зменшуючи ризик локального перегрівання паливного елементу. У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу пропонується паливна зборка для використання в активній зоні ядерного енергетичного реактора (наприклад, наземного або морського ядерного реактора). Зборка включає каркас, який має хвостовик, виконаний у формі і конфігурації, розрахованих на його кріплення до внутрішньої конструкції активної зони ядерного реактора, і багато видовжених металічних паливних елементів, які спираються на каркас. Кожен 1 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 з багатьох паливних елементів включає металічний паливний сердечник із сплаву металів, що містить металічний паливний матеріал і металічний непаливний матеріал. Паливний матеріал включає матеріал, який ділиться. Кожен паливний елемент також включає оболонку, яка оточує паливний сердечник. Багато видовжених металічних паливних елементів складають щонайменше 70% за об'ємом від всього матеріалу паливної зборки, що ділиться. У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу запропонована паливна зборка для використання в активній зоні ядерного енергетичного реактора. Зборка включає каркас, який містить хвостовик, виконаний у формі і конфігурації призначених для його кріплення до внутрішньої конструкції активної зони ядерного реактора. Зборка включає також велику кількість видовжених, виготовлених шляхом екструзії металічних паливних елементів, які спираються на каркас, причому кожен з вищезазначених багатьох паливних елементів має металічний паливний сердечник із сплаву, який включає металічний паливний матеріал і металічний непаливний матеріал. Паливний матеріал містить матеріал, який ділиться. Паливний елемент включає також оболонку, яка оточує паливний сердечник. Водно-паливне відношення в зоні металічних паливних елементів складає 2,5 або менше. У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу пропонується спосіб виготовлення паливної зборки для використання в активній зоні ядерного енергетичного реактора. Цей спосіб передбачає виготовлення кожного з великої кількості видовжених металічних паливних елементів з порошкоподібним металічним непаливним матеріалом, причому порошкоподібний металічний паливний матеріал включає матеріал, який ділиться, спікання змішаного порошкоподібного металічного паливного матеріалу і металічного непаливного матеріалу для утворення паливного сердечника, поміщення паливного сердечника в оболонку і сумісну екструзію паливного сердечника і матеріалу оболонки для формування паливного елементу. Цей спосіб передбачає також монтаж великої кількості видовжених металічних паливних елементів на каркасі паливної зборки. Водно-паливне відношення в зоні металічних паливних елементів може складати 2,5 або менше. Цей спосіб може передбачати позиціонування витіснювача усередині суміші порошкоподібного металічного паливного матеріалу і металічного непаливного матеріалу перед вищезазначеним спіканням, так що вищезазначене спікання призводить в результаті до утворення паливного сердечника, який включає витіснювач. Паливна зборка може розміщуватися в наземному ядерному енергетичному реакторі. Відповідно до одного або декількох цих варіантів здійснення даного винаходу велика кількість видовжених паливних елементів може складати щонайменше 60% від загального об'єму всіх паливних елементів паливної зборки. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу середня товщина оболонки становить щонайменше 0,6 мм. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка має термодинамічну конструкцію і виконується фізично у формі, придатний для експлуатації у складі наземного ядерного енергетичного реактора. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка може застосовуватися у поєднанні з наземним ядерним енергетичним реактором, причому паливна зборка розташовується усередині наземного ядерного енергетичного реактора. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу, щодо великої кількості паливних елементів: паливний матеріал паливного сердечника має збагачення до 20% або менше за ураном-235 і/або за ураном-233 і складає від 20% до 30% об'ємного вмісту паливного сердечника; непаливний метал складає від 70% до 80% об'ємного вмісту паливного сердечника. Щодо великої кількості паливних елементів ступінь збагачення паливного матеріалу може складати від 15% до 20%. Непаливний метал паливного сердечника може містити цирконій. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу сердечник включає δ-фазний UZr2. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу, щодо великої кількості паливних елементів: паливний матеріал паливного сердечника містить плутоній; непаливний метал паливного сердечника містить цирконій, причому непаливний метал паливного сердечника складає від 70% до 97% об'ємного вмісту паливного сердечника. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу паливний матеріал містить комбінацію: урану і торію; плутонію і торію; або урану, плутонію і торію. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу оболонка багатьох із великої кількості паливних елементів металургійно з'єднана з паливним 2 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сердечником. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу непаливний метал багатьох із великої кількості паливних елементів містить алюміній. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу непаливний метал багатьох із великої кількості паливних елементів містить жаростійкий метал. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу оболонка багатьох із великої кількості паливних елементів містить цирконій. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу багато із великої кількості паливних елементів виготовляються за допомогою сумісної екструзії паливного сердечника і оболонки. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка, один або більше число елементів паливної зборки і/або один або більше число паливних сердечників паливних елементів містять вигораючий поглинач. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу велика кількість видовжених металічних паливних елементів складають щонайменше 80% від загального об'єму матеріалу паливної зборки, що ділиться. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу наземний ядерний енергетичний реактор є традиційною ядерною енергетичною установкою, яка має конструкцію реактора, яка фактично експлуатувалася до 2010 р. Каркас паливної зборки може мати форму і конфігурацію, призначені для вбудовування в наземний ядерний енергетичний реактор замість традиційної паливної зборки на основі оксиду урану для реактора. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу один або більше число паливних елементів мають спіральний закручений багатолопастний профіль, який утворює велику кількість спіральних ребер. Дистанціонуючі ребра сусідніх паливних елементів з поміж великої кількості паливних елементів можуть періодично контактувати одні з одними уздовж осьової довжини паливних елементів, причому такий контакт допомагає підтримувати певну відстань між сусідніми паливними елементами. Паливна зборка може мати воднопаливне відношення щонайменше 2,5 або 2,5 і менше. Багатолопастний профіль може мати увігнуті зони між сусідніми ребрами. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу відповідні паливні сердечники з металічного сплаву багатьох металічних паливних елементів формуються за допомогою спікання паливного матеріалу і металічного непаливного матеріалу. Відповідно доодного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу багатолопастний профіль включає кінчики лопастей і проміжні секції між сусідніми лопастями, причому оболонка на кінчиках лопастей товстіша, ніж на проміжних секціях між лопастями. У одному або декількох таких варіантах здійснення даного винаходу запропонований спосіб виготовлення паливної зборки для використання в активній зоні наземного ядерного енергетичного реактора. Цей спосіб передбачає виготовлення кожного з великої кількості видовжених металічних паливних елементів шляхом змішування порошкоподібного металічного палива з порошкоподібним металічним непаливним матеріалом, причому порошкоподібний металічний паливний матеріал містить матеріал, що ділиться. Виготовлення кожного з видовжених металічних паливних елементів передбачає також спікання суміші порошкоподібного металічного палива і металічного непаливного матеріалу для утворення заготовки паливного сердечника, розміщення заготовки паливного сердечника в оболонку і сумісну екструзію паливного сердечника і матеріалу оболонки для утворення паливного елементу. Цей спосіб передбачає також монтаж великої кількості видовжених паливних елементів на каркасі паливної зборки, що містить хвостовик, який має форму і конфігурацію для кріплення до активної зони наземного ядерного енергетичного реактора. Множина видовжених металічних паливних елементів складає щонайменше 70% від загального об'єму матеріалу, який ділиться, паливної зборки. Паливна зборка має термодинамічну конструкцію і фізичну форму, розраховані на її експлуатацію в наземному ядерному енергетичному реакторі. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу цей спосіб також включає позиціонування витіснювача усередині суміші порошкоподібного металічного паливного матеріалу і металічного непаливного матеріалу перед спіканням, так щоб спікання призвело в результаті до формування паливного сердечника, який включає витіснювач. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу цей спосіб також включає розміщення паливної зборки усередині наземного ядерного енергетичного реактора. У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу запропонований ядерний реактор, який включає реактор з важкою водою під тиском і паливну зборку, розміщену в 3 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 реакторі з важкою водою під тиском. Паливна зборка включає велика кількість видовжених металічних паливних елементів, прикріплених один до одного. Кожен з великої кількості паливних елементів має металічний паливний сердечник із сплаву металів, виготовлений методом порошкової металургії, який містить металічний паливний матеріал і металічний непаливний матеріал, причому паливний матеріал містить матеріал, що ділиться. Кожен паливний елемент включає також оболонку, яка оточує паливний сердечник. Множина видовжених металічних паливних елементів складає щонайменше 70% від загального об'єму матеріалу, що ділиться, паливної зборки. Кожен з паливних елементів має спіральний закручений багатолопастний профіль, який утворює велику кількість спіральних дистанціонуючих ребер. У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу запропоновано ядерний реактор, який включає реактор з важкою водою під тиском і паливну зборку, розміщену в реакторі з важкою водою під тиском. Паливна зборка включає велику кількість видовжених металічних паливних елементів, прикріплених один до одного, причому кожен з вищезазначеної великої кількості паливних елементів включає: металічний паливний сердечник із сплаву, який містить металічний паливний матеріал і металічний непаливний матеріал, причому паливний матеріал містить матеріал, що ділиться, і оболонку, яка оточує паливний сердечник. Воднопаливне відношення в області металічних паливних елементів може складати 2,5 або менше. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка містить також велику кількість паливних елементів із діоксиду урану, що спираються на каркас, причому кожен з паливних елементів з діоксиду урану містить паливо UO2. Щонайменше деякі з поміж великої кількості видовжених паливних елементів з діоксиду урану можуть бути розташовані в поперечному напрямі назовні від багатьох видовжених металічних паливних елементів. Паливо з діоксиду урану може бути збагачене менше ніж на 15% ураном U-235. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка включає також кожух, який відокремлює потік теплоносія, який протікає поблизу великої кількості видовжених паливних елементів з діоксиду урану, від потоку теплоносія, який протікає повз велику кількість видовжених металічних паливних елементів. У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу запропонована паливна зборка для використання в активній зоні ядерного енергетичного реактора. Ця зборка включає каркас, який містить хвостовик, виконаний у формі і має конфігурацію, розраховані на кріплення хвостовика до внутрішньої конструкції активної зони ядерного реактора. Зборка включає велику кількість видовжених, виготовлених методом екструзії металічних паливних елементів, які спираються на каркас. Кожен з вищезазначеної великої кількості паливних елементів включає металічний паливний сердечник із сплаву, який містить металічний паливний матеріал і металічний непаливний матеріал, причому паливний матеріал містить матеріал, який ділиться, і оболонку, яка оточує паливний сердечник. Зборка включає велику кількість додаткових видовжених паливних елементів, які спираються на каркас. Якщо дивитися на вигляд у розрізі паливної зборки, то велика кількість додаткових видовжених паливних елементів можуть бути розташовані у вигляді кільця шириною в один паливний елемент, яке оточує велику кількість видовжених металічних паливних елементів, виконаних методом екструзії. Велика кількість видовжених металічних паливних елементів може становити щонайменше 60% від загального об'єму всіх паливних елементів паливної зборки. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу кожен паливний елемент з великої кількості додаткових видовжених паливних елементів традиційного контейнерного типу містить порожнистий стрижень з паливом у вигляді таблеток з діоксиду урану, розташованим усередині стрижня. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу частина паливної зборки, яка підтримує велику кількість додаткових видовжених паливних елементів, є невіддільною від частини паливної зборки, яка підтримує велику кількість видовжених металічних паливних елементів, виготовлених методом екструзії. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу велика кількість додаткових видовжених паливних елементів є невіддільними, як єдиний блок, від великої кількості видовжених металічних паливних елементів, виготовлених методом екструзії. Відповідно до одного або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка утворює решітку позицій 17×17, причому кожен з великої кількості видовжених металічних паливних елементів, виготовлених методом екструзії розташований в одній з позицій цієї решітки, жоден з багатьох видовжених металічних паливних елементів, виготовлених методом екструзії, не розташований в будь-якій з периферійних позицій ґрат 17×17, і кожен з великої кількості додаткових видовжених паливних елементів розташований у 4 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відмінній від інших периферійній позиції решітки 17×17. Відповідно до одного або декількох вищезазначених варіантів здійснення даного винаходу сердечник може містити керамічний паливний матеріал замість металічного паливного матеріалу. У одному або декількох таких варіантів здійснення даного винаходу паливний матеріал містить керамічний паливний матеріал, розташований в матриці з металічного непаливного матеріалу. На противагу цьому, в одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу щодо металічного палива: велика кількість видовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів містить велику кількість видовжених, виготовлених методом екструзії металічних паливних елементів, причому паливний матеріал містить металічний паливний матеріал, а паливний сердечник є паливним сердечником із сплаву металів, який містить сплав металічного паливного матеріалу і матрицю з металічного непаливного матеріалу. Ці та інші аспекти різних варіантів здійснення даного винаходу, а також способи експлуатації і функціонування відповідних елементів конструкції і комбінація частин і компонентів і аспекти економіки виготовлення стануть очевиднішими при розгляді подальшого технічного опису і наведеної формули винаходу з посиланням на додані креслення, які утворюють частину даного технічного опису, в якому однакові умовні позначення позначають відповідні аналогічні компоненти на різних малюнках. У одному варіанті здійснення даного винаходу конструкційні компоненти, показані на малюнках, зображені в масштабі. Слід, проте, розуміти, що креслення приведені лише з метою ілюстрації і опису, і не покликані обмежувати рамки обсягу даного винаходу. Крім того, слід розуміти, що конструкційні особливості, показані або описані в будьякому з варіантів здійснення даного винаходу, можуть бути використані також в інших варіантах здійснення даного винаходу. При використанні в технічному описі і формулі винаходу однина означає також, що дане поняття відноситься до множини, якщо тільки контекст не передбачає явно протилежного тлумачення. Короткий опис креслень Для кращого розуміння варіантів здійснення даного винаходу, а також інших цілей і додаткових характеристик даного винаходу посилання зроблені на подальший технічний опис, який повинен використовуватися у поєднанні з приведеними кресленнями, на яких: на Фіг. 1 подано вигляд в розрізі паливної зборки відповідно до одного із варіантів здійснення даного винаходу, причому розріз виконаний в площині самодистанціонування; на Фіг. 2 подано вигляд в розрізі паливної зборки, зображеної на Фіг. 1, причому розріз виконаний у площині, зсуненій на 1/8 аксіальної завивки паливних елементів у відношенні до вигляду, зображеного на Фіг. 1; на Фіг. 3 подано вигляд в розрізі паливної зборки, зображеної на Фіг. 1, виконаному в площині, паралельній до осьового напрямку паливної зборки; на Фіг. 4 подано загальний вид паливного елементу паливної зборки, зображеної на Фіг. 1; на Фіг. 5 подано вигляд в розрізі паливного елементу, зображеного на Фіг. 1; на Фіг. 6 подано вигляд в розрізі паливного елементу, зображеного на Фіг. 3, оточеного правильним багатокутником; на Фіг. 7А подано вигляд з торця на паливну зборку відповідно до альтернативного варіанту здійснення даного винаходу, призначену для використання в реакторі з важкою водою під тиском; на Фіг. 7В подано вигляд збоку на частину паливної зборки, зображеної на Фіг. 7А; на Фіг. 8 приведена принципова схема реактора з важкою водою під тиском, де використовується паливна зборка, зображена на Фіг.7A і 7B; на Фіг. 9 подано вигляд в розрізі паливного елементу, зображеного на Фіг. 3; на Фіг. 10 подано вигляд в розрізі паливної зборки відповідно до одного з варіантів здійснення даного винаходу. Здійснення винаходу На Фіг. 1-3 показана паливна зборка 10 відповідно до одного з варіантів здійснення даного винаходу. Як показано на Фіг. 3, паливна зборка 10 містить велику кількість паливних елементів 20, які спираються на каркас 25. Як показано на Фіг. 3, каркас 25 містить кожух 30, напрямні канали 40, головку 50, хвостовик 60, нижню решітку 70, верхню решітку 80 і/або інші конструктивні елементи, які дозволяють зборці 10 функціонувати як паливній зборці в ядерному реакторі. Одного або декількох з поміж цих компонентів каркаса 25 може не бути відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу, не виходячи за межі обсягу даного винаходу. Як показано на Фіг. 3, кожух 30 кріпиться до головки 50 і хвостовика 60. Хвостовик 60 (або інший відповідний конструктивний елемент зборки 10) має конструкцію і форму яка утворює 5 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 межу передачі потоку теплоносія між зборкою 10 і реактором 90, в який вбудовується зборка 10 для забезпечення протікання потоку теплоносія в активну зону реактора через зборку 10 за допомогою хвостовика 60. Головка 50 сприяє спрямовуванню потоку нагрітого теплоносія від зборки 10 до парогенераторів електростанції (для водно-водяного енергетичного реактора), турбін (для ядерних реакторів з киплячою водою) тощо. Головка 50, і хвостовик 60 мають форму, яка спеціально конструюється для точного поєднання з елементами внутрішньої конструкції активної зони реактора. Як показано на Фіг.3, нижня решітка 70 і верхня решітка 80 бажано жорстко кріпляться (наприклад, за допомогою зварювання, відповідних елементів кріплення (наприклад, болтів, гвинтів) тощо) до кожуха 30 або хвостовика 60 (і/або до інших придатних структурних компонентів зборки 10). Нижні аксіальні кінці елементів 20 утворюють штифти 20a, які вставляються в отвори 70a в нижній решітці 70 для підтримування елементів 20 і для того, щоб забезпечити належне дистанціонування між елементами 20. Штифти 20a кріпляться в отворах 70a так, щоб запобігти обертанню елементів 20 навколо своєї осі або їх осьовому переміщенню щодо нижньої решітки 70. Це обмеження обертання дозволяє гарантувати, що всі точки контакту між сусідніми елементами 20 мають місце в одних і тих же осьових позиціях уздовж елементів 20 (наприклад, у площинах самодистанціонування, описаних нижче). З'єднання між штифтами 20a і отворами 70a може бути виконане за допомогою зварювання, щільної посадки, сполучених нециліндричних елементів, що запобігають обертанню (наприклад, канавка шпони і шліц), і/або за допомогою придатного механізму, який служить для обмеження осьового і/або обертального переміщення елементів 20 відносно нижньої решітки 70. Нижня решітка 70 включає осьові канали (наприклад, сітку отворів), через які потік теплоносія надходить до елементів 20. Верхні аксіальні кінці елементів 20 утворюють штифти 20a, які вставляються в отвори 80a у верхній решітці 80, щоб дозволити верхнім штифтам 20a вільно переміщатися в осьовому напрямку вгору в верхній решітці 80, і в той же час підтримувати необхідну відстань між елементами 20. В результаті цього, коли елементи 20 нарощуються в осьовому напрямку під час реакції розщеплення атомних ядер, елементи 20, при подовжені можуть вільно проходити глибше у верхню решітку 80. Як показано на Фіг. 4, штифти 70a проходять у центральну частину елементу 20. На Фіг.4 і 5 показаний окремий паливний елемент/стрижень 20 зборки 10. Як показано на Фіг. 5, видовжена центральна частина паливного елементу 20 має чотирилопастний поперечний перетин. Поперечний перетин елементу 20 залишається власне рівномірним по всій довжині центральної частини елементу 20. Кожен паливний елемент 20 має паливний сердечник 100, який включає жаростійкий метал і паливний матеріал, який включає матеріал, що ділиться. Витіснювач 110, який містить жаростійкий метал, розташований уздовж подовжньої осі в центрі паливного сердечника 100. Витіснювач 110 допомагає обмежити температуру в центрі найтовщої частини паливного елементу 20 шляхом витіснення матеріалу, що ділиться, який інакше займав би цей простір і мінімізувати нерівномірність теплового потоку уздовж поверхні паливного елементу. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу витіснювач 110 може бути повністю виключений. Як показано на Фіг. 5, сердечник 100 поміщений в оболонку 120 з жаростійкого металу. Оболонка 120 бажано є достатньо товстою, достатньо міцною і достатньо гнучкою, щоб витримати без руйнування набрякання сердечника 100, спричиненого опроміненням (наприклад, без утворення контакту сердечника 100 з навколишнім середовищем зовні оболонки 120). Запропонована одним або кількома варіантами здійснення даного винаходу товщина всієї оболонки 120 складає щонайменше 0,3 мм, 0,4 мм, 0,5 мм і/або 0,7 мм. Запропонована одним або кількома варіантами здійснення даного винаходу товщина оболонки 120 складає щонайменше 0,4 мм, з тим щоб зменшити ризик пошкодження, пов'язаного з набряканням сердечника, пошкодження, пов'язаного з окисленням, і/або іншого механізму пошкодження оболонки 120. Оболонка 120 може мати власне рівномірну товщину в окружному напрямку (тобто навколо периметра оболонки 120, як показано на вигляді в розрізі Фіг. 5) і уздовж осьової/повздовжньої довжини сердечника 100 (як показано на Фіг. 4). У альтернативному варіанті, як показано на Фіг. 5, запропонованого одним або кількома варіантами здійснення даного винаходу, оболонка 120 є товщою на кінчиках лопастей 20b, ніж в увігнутій міжсекційній зоні 20c між лопастями 20b. Наприклад, запропоноване одним або кількома варіантами здійснення даного винаходу, оболонка 120 на кінчиках лопастей 20b може бути щонайменше на 10%. 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%, 125% і/або 150% товщою, ніж оболонка 120 в увігнутих міжсекційних зонах 20c. Товща оболонка 120 на кінчиках 20b забезпечує кращий опір до зносу 6 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 на кінчиках лопастей 20b, де сусідні паливні елементи 20 стикаються один з одним в площинах самодистанціонування (описаних нижче). Жаростійкий метал, який використовується у витіснювачі 110, паливному сердечнику 100 і оболонці 120, містить цирконій, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу. Термін «цирконій», який використовується в даному технічному описі, може означати чистий цирконій або цирконій у поєднанні з іншим легуючим матеріалом (матеріалами). Проте можуть використовуватися і інші жаростійкі метали замість цирконію, не виходячи за рамки обсягу даного винаходу (наприклад, ніобій, молібден, тантал, вольфрам, реній, титан, ванадій, хром, цирконій, гафній, рутеній, осмій, іридій і/або інші метали). Термін «жаростійкий метал», який використовується тут, означає будь-який метал/сплав, який має температуру плавлення вище 1800 °C (2073 K). Крім того, в деяких варіантах здійснення даного винаходу жаростійкий метал може бути замінений іншим непаливним металом, наприклад, алюмінієм. Проте використання нежаростійкого непаливного металу найпридатніше у випадку активних зон реакторів, які експлуатуються за нижчих температур (наприклад, малі активні зони, які мають висоту близько 1 м і номінальну електричну потужність порядку 100 МВт або менше). Жаростійкі метали бажано застосовувати в активних зонах з вищими робочими температурами. Як показано на Фіг. 5, центральна частина паливного сердечника 100 і оболонки 120 має чотирилопастний профіль, який створює спіральні дистанціонуючі ребра 130. Витіснювач 110 може також мати таку форму, щоб він виступав назовні біля ребер 130 (наприклад, кути витіснювача квадратного перетину можуть бути виконані співвісними з ребрами 130). Відповідно до альтернативного варіанту здійснення даного винаходу паливні елементи 20 можуть мати більше або менше число ребер 130, не виходячи за рамки обсягу даного винаходу. Наприклад, як в загальному вигляді показано на Фіг. 5, який ілюструє публікацію патентної заявки в США №2009/0252278 A1, паливний елемент може мати три ребра/лопасті, які бажано знаходяться на рівній відстані один від одного уздовж кола. Число лопастей/ребер 130 може залежати, щонайменше частково, від форми паливної зборки 10. Наприклад, чотирилопастний елемент 20 може добре працювати з паливною зборкою 10, що має квадратний перетин (наприклад, такий, що використовується в реакторі AP-1000). На противагу до цього, трилопастний паливний елемент може добре працювати з паливною зборкою, яка має гексагональний перетин (наприклад, такою, що використовується у водно-водяному ядерному реакторі). На Фіг. 9 показані різні розміри паливного елементу відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу будь-які з цих розмірів, параметрів і/або діапазонів, вказані в приведеній нижче таблиці, можуть бути збільшені або зменшені на 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50% або більше, не виходячи за межі обсягу даного винаходу. 7 UA 109437 C2 Параметр паливного елементу 20 Діаметр описаної окружності Умовне позначення Приблизні значення Одиниця вимірювання D 9-14 (наприклад, 12,3, 12,4, 12,5, 12,6) мм Товщина лопасті Δ Мінімальна товщина оболонки δ Товщина оболонки біля лопасті max δ Середня товщина оболонки Радіус скруглення оболонки біля периферії лопасті Радіус скруглення паливного сердечника біля периферії лопасті Радіус скруглення між сусідніми лопастями Бічна довжина центрального витіснювача Периметр паливного елементу Площа перетину паливного елементу Площа перетину паливного сердечника, 2 мм Рівень збагачення Доля урану 5 10 15 20 25 2,5-3,8 (наприклад, 2,5, 2,6, 2,7, 2,8, 2,9, 3,0, 3,1, 2,3, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8) змінна 0,4-1,2 (наприклад, 0,4-0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2) 0,4-2,2 (наприклад, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2,0, 2,1, 2,2), 1,5δ, 2δ, 2,5δ 0,4-1,8 (наприклад, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8), щонайменше 0,4, 0,5 або 0,6 мм мм мм мм R Δ/2, Δ/1,9, змінний мм rf 0,5-2,0 (наприклад, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2,0), (Δ2δ)/2 змінний мм R 2-5 (наприклад, 2, 3, 4, 5) змінний мм А 1,5-3,5 (наприклад, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2,0, 2,1, 2,2, 2,3, 2,4, 2,5, 2,6, 2,7, 2,8, 2,9, 3,0, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5) мм 25-60 (наприклад, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60) мм 50-100 (наприклад, 50, 60, 70, 80, 90, 100) мм 30-70 (наприклад, 30, 40, 50, 60, 70) мм ≤ 19,7 ≤ 25 Вагових % Об'ємн. % 2 2 Як показано на Фіг. 4, витіснювач 110 має форму поперечного перетину у вигляді правильного квадратного чотирикутника з кутами правильного квадратного чотирикутника, співвісними з ребрами 130. Витіснювач 110 утворює спіраль, яка співпадає із спіраллю ребер 130, так що кути витіснювача 110 залишаються співвісними з кутами ребер 130 уздовж аксіальної довжини паливного сердечника 100. У альтернативних варіантах здійснення даного винаходу з більшим або меншим числом ребер 130 витіснювач 110 бажано має поперечний перетин у формі правильного багатокутника з числом сторін, який дорівнює числу ребер елементу 20. Як показано на Фіг. 6, площа поперечного перетину центральної частини елементу 20 бажано є значно меншою, ніж площа квадрата 200, в якому кінець кожного з ребер 130 розташований на дотичній відносно однієї сторони квадрата 200. У більш загальному випадку можна сказати, що площа поперечного перетину елементу 20, який має n ребер, бажано є меншою, ніж площа правильного багатокутника, який має n сторін, в якому кінець кожного з ребер 130 направлений по дотичній до однієї сторони багатокутника. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу відношення площі перетину елементу 20 до площі квадрата (або відповідного правильного багатокутника для елементів 20, які мають більше або менше, ніж 4, число ребер 130), складає менше ніж 0,7, 0,6, 0,5, 0,4, 0,35, 0,3. Як показано на Фіг. 1, це співвідношення площ приблизно указує на те, скільки наявного простору усередині кожуха 30 займають паливні елементи 20, таким чином, менше співвідношення означає, що є більше простору для теплоносія, який також діє як уповільнювач нейтронів, і це збільшує воднопаливне співвідношення (що важливо для нейтронної фізики), зменшує гідравлічний опір і збільшує теплопередачу від елементів 20 до теплоносія. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу отримане в результаті водно-паливне співвідношення становить щонайменше 2,0, 2,25, 2,5, 2,75 і/або 3,0 (на відміну від співвідношення, рівного 1,96, у випадку 8 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 використання традиційних циліндрових паливних стрижнів із оксиду урану). Аналогічно до цього, відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу площа потоку теплоносія паливної зборки 10 збільшується більше на ніж 16% у порівнянні із застосуванням однієї або декількох традиційних паливних зборок, в яких використовуються циліндрові паливні стрижні з оксиду урану. Збільшена площа потоку теплоносія може зменшити перепад тиску теплоносія через зборку 10 (у порівнянні з традиційними паливними зборками з оксиду урану), що може мати переваги щодо прокачування теплоносія через паливну зборку 10. Як показано на Фіг. 4, елемент 20 є видовженим в осьовому напрямку. У проілюстрованому тут варіанті здійснення даного винаходу кожен елемент 20 є елементом повної довжини і проходить уздовж всієї ділянки від нижньої решітки 70 біля нижньої частини паливної зборки 10 до верхньої решітки 80 у верхньої частини паливної зборки 10. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу і конструкції реактора це може привести в результаті до того, що паливні елементи матимуть довжину від 1 м (для компактних реакторів) до більш ніж 4 м. Таким чином, для типових реакторів елементи 20 можуть мати довжину від 1 м до 5 м. Проте елементи 20 можуть бути видовжені або укорочені щоб відповідати реактору іншого розміру, не виходячи за межі обсягу даного винаходу. Хоча показані тут елементи 20 самі як такі мають повну довжину, елементи 20 в альтернативному варіанті можуть бути сегментовані, так що велика кількість сегментів разом утворює елемент повної довжини. Наприклад, чотири окремі сегменти паливного елементу 20 можуть бути зістиковані співвісним кінцем до кінця для утворення елементу повної довжини. Додаткові решітки 70, 80 можуть бути передбачені в місцях з'єднань між сегментами для підтримування аксіального дистанціонування і відносного розташування сегментів. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу паливний стрижень 100 містить комбінацію жаростійкого металу/сплаву і паливного матеріалу. Жаростійкий метал/сплав може містити сплав цирконію. Паливний матеріал може містити низькозбагачений уран (наприклад, U235, U233), плутоній або торій у поєднанні з низькозбагаченим ураном, як описано нижче і/або плутонієм. Термін «низькозбагачений уран», як він тут використовується, означає, що весь паливний матеріал містить менше ніж 20% за вагою матеріалу, що ділиться (наприклад, урану-235 або урану-233). Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу урановий паливний матеріал має ступінь збагачення в діапазоні від 1% до 20%, від 5% до 20%, від 10% до 20% і/або від 15% до 20% за вагою урану-235. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу паливний матеріал містить 19,7% збагаченого урану-235. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливний матеріал може складати 3-10%, 10-40% і/або 20-30% об'ємного вмісту паливного сердечника 100. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу жаростійкий метал може складати 60-99%, 6097%, 60-90%, 65-85% і/або 70-80% об'ємного вмісту паливного сердечника 100. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу об'ємний вміст в межах одного або декількох з цих діапазонів забезпечує сплав з бажаними властивостями, як показано на фазовій діаграмі матеріалу для сплаву конкретного складу. Паливний сердечник 100 може містити сплав цирконію-урану, який є високолегованим паливом (тобто з відносно високою концентрацією легуючого компоненту щодо вмісту урану), який містить або δ-фазний UZr2, або α-фазний Zr. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу δ-фаза бінарного сплаву U-Zr може знаходитися в діапазоні вмісту цирконію приблизно 65-81 вагових відсотків (приблизно від 63 до 80 атомних відсотків) паливного сердечника 100. Було виявлено, що здійснення одного або декількох варіантів даного винаходу призводить в результаті до низького об'ємного набрякання паливного елементу 20, спричиненого радіаційним опромінюванням. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу таке набрякання може бути значно меншим, ніж те, яке мало місце, в тому випадку, якщо використовувалися низьколеговані (тільки за α -фазою) склади (наприклад, щонайменше з 10%, 20%, 30%, 50%, 75%, 100%, 200%, 300%, 500%, 1000%, 1200%, 1500% або великим зменшенням об'ємного відсотка набрякання з розрахунку на атомний відсоток вигорання, ніж у випадку, якщо використовувалося низьколеговане паливо з α-фазного U-10Zr сплаву). Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу набрякання паливного елементу 20 або сердечника 100, спричинене радіоактивним опромінюванням, може становити менше ніж 20, 15, 10, 5, 4, 3 і/або 2 об'ємних відсотки з розрахунку на атомний відсоток вигорання. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу набрякання очікується на рівні приблизно одного об'ємного відсотка з розрахунку на атомний відсоток вигорання. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу паливний сердечник замінюється бінарним сплавом плутонію-цирконію з тим же самим або аналогічним об'ємним 9 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вмістом, як у описаних вище паливних сердечників 100 з U-Zr, або з іншим об'ємним вмістом, ніж у описаних вище сердечників 100 із сплаву U-Zr. Наприклад, вміст плутонію в сердечнику 100 може бути значно нижчим, ніж відповідний вміст урану у відповідному сердечнику 100 на основі урану, оскільки плутоній зазвичай містить близько 60-70% вагових відсотків ізотопів, що діляться, тоді як низькозбагачений уран містить 20% або менше вагових відсотків ізотопів U235, які діляться. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу об'ємний вміст плутонію в сердечнику 100 може складати менше ніж 15%, менше ніж 10% і/або менше ніж 5%, причому об'ємний вміст жаростійкого металу змінюється відповідно. Використання високолегованого сердечника 100, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу, може мати перевагу, яка полягає в стримуванні вивільнення газоподібних продуктів ділення під час радіаційного опромінювання. Застосування оксидних палив і палив з низьколегованих металів зазвичай супроводжується значним викидом газоподібних продуктів ділення, проблема яких зазвичай вирішується за допомогою конструкції паливних елементів, як правило, шляхом установки спеціальної порожнини всередині паливного стрижня для утримання в ній газоподібних продуктів ділення, які виділяються. Паливний сердечник 100, виконаний відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу, на відміну від цього, не викидає газоподібних продуктів ділення. Це відбувається частково завдяки нижчій робочій температурі паливного сердечника 100 і тому факту, що атоми газоподібних продуктів ділення (конкретно Xe і Kr), поводяться подібно до твердих продуктів ділення. Утворення бульбашок з газоподібних продуктів ділення, та їх міграція уздовж меж зерен до зовнішньої поверхні паливного сердечника не відбуваються, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу. За достатньо високих температур, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу, можуть утворюватися невеликі (діаметром в декілька мікрон) бульбашки з газоподібних продуктів ділення. Проте ці бульбашки залишаються ізольованими всередині паливного сердечника і не утворюють взаємозв'язаної сітчастої структури, яка сприяла б вивільненню газоподібних продуктів ділення, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу. Металургійне зв'язування між паливним сердечником 100 і оболонкою 120 може забезпечити додатковий бар'єр, який перешкоджає вивільненню газоподібних продуктів ділення. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливний сердечник 100 (або оболонка 120, або інша придатна частина паливного елементу 20) одного або декількох з паливних елементів 20 може бути легована вигораючим поглиначем, таким як гадоліній, бор, ербій або інший відповідний матеріал, який поглинає нейтрони, з тим щоб утворити інтегральний паливний елемент, який містить вигораючий поглинач. У різних паливних елементах 20 усередині паливної зборки 10 можуть використовуватися різні вигораючі поглиначі і/або різні кількості вигораючого поглинача. Наприклад, деякі з паливних елементів 20 паливної зборки 10 (наприклад, менше 75%, менше 50%, менше 20%, 1-15%, 1-12%, 2-12% тощо) можуть включати сердечники 100, які містять 25, 20 і/або 15 вагових відсотків або менше гадолінію (наприклад, 1-25 вагових %, 1-15 вагових %, 5-15 вагових % тощо). Інші паливні елементи паливної зборки 10 (наприклад, 10-95%, 10-50%, 20-25% або більше число паливних елементів 20 від кількості паливних елементів 20, в яких використовується гадоліній) можуть містити сердечники 100, які містять 10 або 5 вагових відсотків або менше ербію (наприклад, 0,110,0 вагових %, від 0,1 до 5,0 вагових % тощо). Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу вигораючий поглинач витісняє паливний матеріал (а не жаростійкий метал) в порівнянні з паливними елементами, які не містять вигораючого поглинача в їх сердечниках 100. Наприклад, відповідно до одного варіанта реалізації паливного елементу 20, сердечник якого інакше містив би 65 об'ємних відсотків цирконію і 35 об'ємних відсотків урану на випадок відсутності вигораючого поглинача, такий паливний елемент 20 включає сердечник, який містить 16,5 об'ємних відсотків Gd, 65 об'ємних відсотків цирконію і 18,5 об'ємних відсотків урану. Відповідно до одного або декількох варіантів здійснення даного винаходу вигораючий поглинач витісняє жаростійкий метал замість паливного матеріалу. Відповідно до одного або декількох варіантів здійснення даного винаходу вигораючий поглинач в сердечнику 100 витісняє жаростійкий метал і паливний матеріал в пропорційному ступені. Відповідно до цих різних варіантів здійснення даного винаходу вигораючий поглинач усередині паливного сердечника 100 може утримуватися в δ-фазі UZr2 або в α-фазі Zr, так що присутність вигораючого поглинача не змінює фазового стану сплаву UZr2 або сплаву Zr, в якому міститься вигораючий поглинач. Паливні елементи 20 з сердечником 100, який містить вигораючий поглинач, можуть складати частину (наприклад, 0-100%, 1-99%, 1-50% тощо) від загальної кількості паливних елементів 20 однієї або декількох паливних зборок 10, які використовуються в активній зоні 10 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 реактора. Наприклад, паливні елементи 20 з вигораючим поглиначем можуть бути розташовані в найбільш важливих місцях усередині решітки паливної зборки 10, яка включає також паливні елементи 20 без вигораючого поглинача для забезпечення контролю розподілу потужності і зменшення концентрацій розчинного бору на початку робочого циклу. Аналогічно до цього, деякі паливні зборки 10, які включають паливні елементи 20 з вигораючим поглиначем, можуть розташовуватися в найбільш важливих місцях усередині активної зони реактора в порівнянні зі зборками 10, які не включають паливних елементів 20 з вигораючим поглиначем, для забезпечення контролю розподілу потужності і для зменшення концентрацій розчинного бору на початку робочого циклу. Використання таких інтегральних вигораючих поглиначів може сприяти конструюванню більш тривалих робочих циклів. Альтернативно і/або додатково окремі непаливні стрижні з вигораючим поглиначем можуть бути включені до складу паливної зборки 10 (наприклад, поряд з паливними елементами 20, замість одного або декількох паливних елементів 20, вставленими в напрямні канали в паливних зборках 10, в яких не вставляються стрижні регулювання тощо). У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу такі непаливні стрижні з вигораючим поглиначем можуть бути сконструйовані у вигляді павукоподібної зборки, подібної до тієї, що застосовується в реакторах, сконструйованих фірмами Babcock and Wilcox або Westinghouse (які носять назву зборки стрижнів з вигораючим поглиначем (BPRA – burnable poison rod assembly)). Ці стрижні можуть потім вставлятися в напрямні канали і закріплюватися усередині деяких паливних зборок 10, де відсутні регулюючі блоки системи керування реактивністю - для початкового циклу роботи. Коли використовується кластер з вигораючим поглиначем, його можна видаляти, коли паливна зборка перевантажується для виконання наступного паливного циклу. Відповідно до альтернативного варіанта здійснення даного винаходу, в якому окремі непаливні стрижні з вигораючим поглиначем встановлюються замість одного або декількох паливних елементів 20, непаливні стрижні з вигораючим поглиначем залишаються в паливній зборці 10 і вигружаються разом з іншими паливними елементами 20, коли паливна зборка 10 досягає закінчення свого терміну служби. Паливні елементи 20 виготовляються методом порошкової металургії за допомогою сумісної екструзії. Як правило, порошкоподібний жаростійкий метал і порошкоподібний металічний паливний матеріал (а також порошкоподібний вигораючий поглинач, якщо він включений в сердечник 100) для паливного сердечника 100 перемішуються, заготовка витіснювача 110 встановлюється усередині порошкоподібної суміші, і потім комбінація з порошку і витіснювача 110 пресується і спікається в вихідний продукт/заготовку паливного сердечника (наприклад, в прес-формі, яка нагрівається до різного ступеня протягом різних інтервалів часу, з тим щоб забезпечити спікання суміші). Заготовка витіснювача 110 може мати таку ж або аналогічну форму поперечного перетину, що і остаточно сформований витіснювач 110. У альтернативному варіанті заготовка витіснювача 110 може мати форму, яка сконструйована для деформації до бажаної форми поперечного перетину витіснювача 110 після екструзії. Заготовка паливного сердечника (що включає витіснювач 110 і спечений матеріал паливного сердечника 100) вставляється в порожнистий стакан з оболонки 120, який має герметично закупорене дно і отвір на іншому кінці. Отвір на іншому кінці стакана потім герметизується за допомогою заглушки, виготовленої з того ж матеріалу, що і оболонка, для утворення заготовки. Заготовка може мати циліндрову форму, або мати форму, яка точніше нагадує остаточну форму поперечного перетину елементу 20, наприклад, як показано на Фіг. 5 і 9. Прес-заготовка потім піддається сумісній екструзії за певної температури і тиску шляхом продавлювання крізь філь’єру для формування елементу 20, включаючи остаточно сформований сердечник 100, оболонку 110 і витіснювач 120. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу, в яких використовується нециліндровий витіснювач 110, заготовка може бути належним чином зорієнтована відносно філь’єри екструзійного пресу, так що кути витіснювача 110 виявляються співвісними з лопастями 20b паливного елементу 20. Процес екструзії може здійснюватися шляхом прямої екструзії (тобто переміщення заготовки через нерухому філь’єру) або непрямої екструзії (тобто переміщення філь’єри до нерухомої заготовки). В результаті цього процесу забезпечується металургійне з'єднання оболонки 120 з паливним сердечником 100, що знижує ризик відшарування оболонки 120 від паливного сердечника 100. Стакан і заглушка оболонки 120 металургійно з'єднуються одне з одним для герметизації паливного сердечника 100 усередині оболонки 120. Високі температури плавлення жаростійких металів, які використовуються в паливних елементах 10, приводять до того, що порошкова металургія стає найбільш бажаним методом для виготовлення компонентів з цих металів. Відповідно до одного або декількох альтернативних варіантів здійснення даного винаходу заготовка паливного сердечника паливних елементів 20 може бути виготовлена шляхом 11 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відливання замість спікання. Порошкоподібний або монолітний жаростійкий метал і порошкоподібний або монолітний паливний матеріал (а також порошкоподібний вигораючий поглинач, якщо він включений в сердечник 100) можуть перемішуватися, розплавлятися і заливатися в ливарну форму. Ливарна форма може утворювати порожнину у формі заготовки витіснювача у відлитому сердечнику 100, таким чином, що заготовка витіснювача 110 може бути вставлена після завершення відливання сердечника 100, аналогічно до того, як додається оболонка 120 для формування прес-заготовки, призначеної для екструзії. Решта етапів виготовлення паливних елементів 20 можуть залишатися тими ж або аналогічними до описаних вище варіантів здійснення даного винаходу, в яких використовується спікання замість відливання. Подальша екструзія призводить в результаті до металургійного з'єднання між витіснювачем 110 і сердечником 100, а також між сердечником 100 і оболонкою 120. Відповідно до одного або декількох альтернативних варіантів здійснення даного винаходу паливні елементи 20 виготовляються з використанням порошкоподібного керамічного паливного матеріалу замість порошкоподібного металічного паливного матеріалу. Решта етапів виготовлення може бути такими ж, як і описані вище щодо варіантів здійснення даного винаходу з використанням порошкоподібного металічного паливного матеріалу. У різних варіантах реалізації даного винаходу з використання металічного палива і керамічного палива в процесі виготовлення утворюється паливний сердечник 100, який містить паливний матеріал, розташований в матриці з металічного непаливного матеріалу. У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу з використанням металічного палива отриманий в результаті паливний сердечник 100 містить металічний паливний сердечник із сплаву, що містить сплав металічного паливного матеріалу і матрицю з металічного непаливного матеріалу (наприклад, сплав урану-цирконію). У одному або декількох варіантах здійснення даного винаходу з використанням керамічного палива сердечник 100 містить керамічний паливний матеріал, розташований в (вкраплений всередину) матриці з металічного непаливного матеріалу. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу керамічний паливний матеріал, який використовується в процесі виготовлення, може містити порошкоподібний оксид урану або плутонію, порошкоподібний нітрид урану або плутонію, порошкоподібний карбід урану або плутонію, порошкоподібний гідрид урану або плутонію, або комбінацію вищезгаданих речовин. На відміну від традиційних паливних елементів з діоксиду урану, в яких таблетки з діоксиду урану розташовані в трубі, процес виготовлення відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу призводить в результаті до того, що керамічне паливо розташовується в монолітній матриці з непаливного матеріалу (наприклад, в матриці з цирконію). Як показано на Фіг. 4, крок осьового закручування спіральних ребер 130 вибирається відповідно до умови розташування осей сусідніх паливних елементів 10 з відстанню між ними, рівною ширині протилежних кутів, в поперечному перетині паливного елементу, і може складати від 5% до 20% довжини паливного елементу 20. Відповідно до одного варіанта здійснення даного винаходу, крок (тобто аксіальна довжина, на якій лопать/ребро робить повний поворот навколо своєї осі) складає приблизно 21,5 см, тоді як повна активна довжина елементу 20 складає приблизно 420 см. Як показано на Фіг. 3, стабільність вертикального розташування паливного елементу 10 забезпечується: внизу – за рахунок нижньої решітки 70, вгорі – за рахунок верхньої решітки 80, і відносно висоти активної зони – за рахунок кожуха 30. Як показано на Фіг. 1, паливні елементи 10 мають орієнтацію уздовж кола, так що профілі лопастей будь-яких двох сусідніх паливних елементів 10 мають загальну площину симетрії, яка проходить через осі двох сусідніх паливних елементів 10 щонайменше в одному поперечному перетині пучка паливних елементів. Як показано на Фіг. 1, гвинтове скручування паливних елементів 20 у поєднанні з їх орієнтацією забезпечує існування однієї або більшого числа площин самодистанціонування. Як показано на Фіг. 1, в таких площинах самодистанціонування ребра сусідніх елементів 20 стикаються одні з одними для забезпечення відповідної відстані між такими елементами 20. Таким чином, відстань між центрами елементів 20 буде приблизно такою ж, як ширина між кутами кожного елементу 20 (12,6 мм в елементі, показаному на Фіг. 5). Залежно від числа лопастей 20b у кожному паливному елементі 20 і відносного геометричного розташування паливних елементів 20 всі сусідні паливні елементи 20 або тільки частина сусідніх паливних елементів 20 контактуватимуть одні з одними. Наприклад, в проілюстрованому тут варіанті здійснення даного винаходу з чотирма лопастями кожен паливний елемент 20 контактує зі всіма чотирма сусідніми паливними елементами в кожній площині самодистанціонування. Проте у варіанті здійснення даного винаходу з трилопастними паливними елементами, в якому паливні елементи розташовані у вигляді гексагональної структури, кожен паливний елемент 12 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 контактуватиме тільки з трьома з шести сусідніх паливних елементів в даній площині самодистанціонування. Трилопастний паливний елемент контактуватиме з іншими трьома сусідніми паливними елементами в наступній аксіально розташованій площині самодистанціонування (тобто зміщеній на 1/6 повороту від попередньої площини самодистанціонування). У n-лопастному елементі 20, в якому n паливних елементів є сусідніми по відношенню до конкретного паливного елементу 20, площина самодистанціонування існуватиме в кожному 1/n гвинтовому повороті (наприклад, через кожну 1/4 частину повороту для чотирилопастного паливного елементу 20, розташованого в квадратній структурі, так що чотири інших паливних елементи 20 є сусідніми з паливним елементом 20; через кожну 1/3 частину гвинтового повороту для трилопастного елементу, в якому три паливні елементи є сусідніми з паливним елементом (тобто через кожних 120 градусів уздовж периметра паливного елементу). Крок гвинтового скручування може бути змінений для утворення більшого або меншого числа площин самодистанціонування уздовж аксіальної довжини паливних елементів 20. Відповідно до одного варіанта здійснення даного винаходу кожен чотирилопастний паливний елемент 20 включає велику кількість скручувань, так що існує велика кількість площин самодистанціонування уздовж аксіальної довжини набору паливних елементів 20. У проілюстрованому варіанті здійснення даного винаходу всі елементи 20 скручені в одному і тому ж напрямку. Проте, відповідно до альтернативного варіанта здійснення даного винаходу сусідні елементи 20 можуть бути скручені в протилежних напрямках, не виходячи за межі обсягу даного винаходу. Формула для числа площин самодистанціонування уздовж довжини паливного стрижня є наступною: N = n*L/h, де L – довжина паливного стрижня n – число лопастей (ребер) і число паливних елементів, сусідніх по відношенню до паливного елементу h – крок гвинтового скручування. Ця формула трохи відрізнятиметься, якщо число лопастей і число паливних елементів, сусідніх відносно даного елементу, будуть різними. В результаті такого самодистанціонування в паливній зборці 10 можуть бути відсутніми дистанціонуючі ґрати, які б інакше могли бути необхідними для забезпечення необхідної відстані між елементами уздовж довжини зборки 10. Завдяки виключенню дистанціонуючих ґрат теплоносій може вільніше протікати через зборку 10, що є перевагою, оскільки збільшує теплопередачу від елементів 20 до теплоносія. Проте, згідно альтернативним варіантам здійснення даного винаходу зборка 10 може включати дистанціонуючі ґрати, не виходячи за межі обсягу даного винаходу. Як показано на Фіг. 3, кожух 30 утворює трубчасту оболонку, яка проходить аксіально уздовж всієї довжини паливних елементів 20 і оточує елементи 20. Проте, відповідно до альтернативного варіанта здійснення даного винаходу кожух 30 може містити аксіально розташовані бандажі з простором між ними, кожний з яких оточує паливні елементи 20. Один або декілька таких бандажів можуть в аксіальному напрямку бути розташованими співвісно з площинами самодистанціонування. Аксіально розташовані кутові опори можуть проходити між такими аксіально розташованими бандажами для підтримки бандажів, підтримки центрівки бандажів і збільшення міцності паливної зборки. Альтернативно і/або додатково отвори можуть бути вирізані в решті трубчатого/багатокутного кожуха 30 в тих місцях, де кожух 30 не є необхідним або є небажаним для забезпечення опори. Використання суцільного кожуха 30 може сприяти більш якісному регулюванню окремих потоків теплоносія через кожну окрему паливну зборку 10. На противагу до цього, використання бандажів або кожуха з отворами може полегшити краще перемішування теплоносія між сусідніми паливними зборками 10, що може мати перевагу, яка полягає в зниженні перепадів температур теплоносія між сусідніми паливними зборками 10. Як показано на Фіг. 1, периметр поперечного перетину кожуха 30 має форму, яка відповідає реактору, в якому використовується зборка 10. У реакторах, таких як AP-1000, в яких використовуються квадратні паливні зборки, кожух має квадратний поперечний перетин. Проте кожух 30 може альтернативно мати будь-яку відповідну форму, залежно від типу реактора, в якому він використовується (наприклад, гексагональну форму для використання у водноводяному енергетичному реакторі (наприклад, як показано на Фіг. 1 публікації патентної заявки в США №2009/0252278 A1). Напрямні канали 40 призначені для вставки стрижнів регулювання з поглиначем, 13 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виготовлених на основі карбіду бору (B4C), срібно-індієво-кадмієвого сплаву (Ag, In, Cd), титанату диспрозію (Dy2O3·TiO2) або інших придатних сплавів або матеріалів, які використовуються для керування реактивністю (не показано), або елементів з вигораючими поглиначами, виготовлених на основі карбіду бору, оксиду гадолінію (Gd2O3) або інших придатних матеріалів (не показані), і розташовані у головці 50 з можливістю еластичного осьового зсуву. Напрямні канали 40 можуть містити сплав цирконію. Наприклад, зборка напрямних каналів 40, показана на Фіг. 1, є зборкою, яка використовується в реакторі AP-1000 (наприклад, 24 напрямні канали, які розташовані в двох кільцевих рядах в позиціях, показаних на решітці 17 × 17). Форма, розмір і характерні особливості каркаса 25 залежать від конкретної активної зони реактора, для якої повинна використовуватися зборка 10. Таким чином, кваліфікований фахівець в даній галузі техніки зрозуміє, яким чином слід виготовити каркас з відповідними формою і розміром для паливної зборки 10. Наприклад, каркас 25 може бути виконаний у формі і конфігурації для встановлення в активну зону реактора традиційної атомної електростанції замість традиційної паливної зборки з оксиду урану або суміші оксидів урану та плутонію (мокспалива) для активної зони ядерної установки. Ядерна енергетична установка може містити конструкцію активної зони реактора, яка була у фактичній експлуатації до 2010 р. (наприклад, 2х, 3-х і чотирьохконтурні водно-водяні реактори PWR, легководні киплячі ядерні реактори BWR4). У альтернативному варіанті ядерна енергетична установка може мати абсолютно нову конструкцію, яка спеціально пристосована для використання з паливною зборкою 10. Як пояснювалося вище, проілюстрована паливна зборка 10 призначена для використання в реакторі AP-1000 або EPR (європейський реактор з водою під тиском). Зборка включає решітку 17 × 17 з паливних елементів 20, 24 з яких замінені напрямними каналами 40, як пояснювалося вище для загального числа з 265 паливних елементів 20 в реакторі EPR або 264 паливних елементів 20 в реакторі AP-1000 (у реакторі AP-1000, на додачу до 24 паливних елементів, що замінюються напрямними каналами, центральний паливний елемент також замінений інструментальною трубкою). Елемент 20 бажано забезпечує 100% всього матеріалу паливної зборки 10, що ділиться. У альтернативному варіанті деяка частина матеріалу зборки 10, що ділиться, може бути забезпечена за допомогою паливних елементів, які відрізняються від елементів 20 (наприклад, безлопастних паливних елементів, паливних елементів з оксиду урану, елементів, які мають величини співвідношення палива і/або ступінь збагачення, які відрізняються від елементів 20). Відповідно до різних таких варіантів здійснення даного винаходу на паливні елементи 20 припадає щонайменше 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90% і/або 95% об'єму всього матеріалу паливної зборки 10, що ділиться. Використання металічних паливних елементів 20 відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу забезпечує різноманітні переваги в порівнянні з паливом з оксиду урану або суміші оксидів, які зазвичай використовуються у водно-водяних ядерних реакторах на легкій воді (LWR) (включаючи киплячі водяні реактори і реактори з водою під тиском), такі як сконструйовані фірмою «Вестінгауз» (Westinghouse) реактори AP-1000, сконструйовані фірмою «АРЕВА» (AREVA) реактори EPR або сконструйовані фірмою «Дженерал Електрик» (GE) реактори ABWR. Наприклад, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу номінальна потужність для реактора LWR, що працює на стандартному паливі з оксиду урану або суміші оксидів, може бути збільшена приблизно на 30% шляхом заміни повністю металічними паливними елементами 20 і/або паливною зборкою 10 стандартних паливних елементів з оксиду урану і паливних зборок, які використовуються на даний час в існуючих типах реакторів LWR або в нових типах реакторів LWR, які були запропоновані. Одним з основних обмежень для збільшення номінальної потужності реакторів типу LWR, які працюють на стандартному паливі з оксиду урану, була мала площа поверхні циліндрових паливних елементів, які використовуються в такому паливі. Циліндровий паливний елемент має найменше відношення площі поверхні до об'єму для будь-якого типу профілю поперечного перетину паливного елементу. Іншим значним обмеженням стандартного палива з оксиду урану був відносно низький ступінь вигорання, який може бути досягнутий в таких паливних елементах при одночасному задоволенні прийнятних робочих характеристик палива. В результаті цього вказані чинники, зв'язані з використанням стандартного палива з оксиду урану або суміші оксидів, значно обмежують рівень, до якого може бути збільшена номінальна потужність існуючих реакторів. Один або декілька варіантів здійснення даного винаходу з повністю металічними паливними елементами 20 дозволяє подолати вказані вище обмеження. Наприклад, як пояснювалося вище, відсутність дистанціонуючих ґрат може зменшити гідравлічний опір і відповідно збільшити 14 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 потік теплоносія і тепловий потік від елементів 20 до первинного теплоносія. Гвинтове скручування паливних елементів 20 може збільшити перемішування і турбулентність теплоносія, що може також збільшити тепловий потік від елементів 20 до теплоносія. Результати попередніх нейтронного і термогідравлічного аналізів приведені нижче, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу. - Теплова номінальна потужність реактора LWR може бути збільшена на 30,7% або більше (наприклад, теплова номінальна потужність реактора EPR може бути збільшена від 4,59 ГВт до 6,0 ГВт). - За об'ємного вмісту урану в суміші урану-цирконію на рівні 25 % і рівня збагачення ураном235, що становить 19,7%, активна зона реактора EPR з чотирилопастною конфігурацією паливних елементів 20 може працювати протягом приблизно 500-520 ефективних діб з повною потужністю за збільшеної теплової номінальної потужності до 6,0 ГВт, у випадку заміни 72 паливних зборок при перевантаженні (один раз кожні 18 місяців) або протягом 540-560 ефективних діб з повною потужністю, у випадку заміни 80 паливних зборок при перевантаженні (один раз кожні 18 місяців). - Завдяки збільшеній площі поверхні в багатолопастному паливному елементі, навіть за збільшеної номінальної потужності, що становить 6,0 ГВт теплової потужності, середня величина поверхневого теплового потоку багатолопастного паливного елементу, як показано, може бути на 4-5% нижчою, ніж середня величина теплового потоку для циліндрових паливних елементів з оксиду урану, які працюють за номінальної теплової потужності 4,59 ГВт. Це може забезпечити більший запас міцності відносно критичного теплового потоку (наприклад, більший запас до кризи тепловіддачі в реакторах PWR або в реакторах BWR). Крім того, це може дозволити використовувати 12 паливних елементів з вигораючим поглиначем у розрахунку на одну зборку. Вигораючі поглиначі можуть використовуватися для видалення зайвої радіоактивності на початку циклу або для збільшення дії доплерівського ефекту під час прогрівання активної зони. - Таким чином, паливні зборки 10 можуть забезпечити велику вихідну теплову потужність за нижчої робочої температури палива, ніж у разі використання традиційних паливних зборок з оксиду урану або суміші оксидів. Для використання підвищеної вихідної потужності зборки 10 традиційні енергетичні установки можуть бути модернізовані (наприклад, з установкою більшого числа і/або додаткових насосів для теплоносія, парогенераторів, теплообмінників, компенсаторів тиску, турбін). Насправді, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу модернізація може забезпечити на 30-40% більше електричної потужності в порівнянні з існуючим реактором. Така можливість може дозволити уникнути необхідності спорудження повного другого реактора. Вартість модернізації може швидко окупитися завдяки збільшенню вихідної електричної потужності. У альтернативному варіанті, можуть бути споруджені нові енергетичні установки, які включають необхідні системи для управління і використання вищої вихідної теплової потужності зборок 10. Крім того, один або декілька варіантів здійснення даного винаходу можуть дозволити реактору LWR працювати з тією ж номінальною потужністю, що і при використанні стандартного палива з оксиду урану або суміші оксидів, з використанням існуючих систем реактора без будьяких або істотних модифікацій реактора. Наприклад, відповідно до одного варіанта здійснення даного винаходу: - Реактор EPR мав би таку ж вихідну потужність, як неначебто використовувалося б традиційне паливо з оксиду урану, а саме 4,59 ГВт теплової потужності. - З об'ємним вмістом урану, що становить 25% суміші урану і цирконію і ступенем збагачення урану-235, що становить приблизно 15%, активна зона реактора EPR з чотирилопастною конфігурацією металічних паливних елементів 20 могла б працювати протягом зразкового 500-520 ефективних діб з повною потужністю, у випадку заміни 72 паливних збірок під час перевантаження, або протягом 540-560 ефективних діб з повною потужністю, у випадку заміни 80 паливних зборок під час перевантаження. - Середня величина поверхневого теплового потоку для елементів 20 зменшується приблизно на 30% в порівнянні з середньою величиною поверхневого теплового потоку для циліндрових твелів з традиційним паливом з оксиду урану (наприклад, 39,94 Вт/см2 проти 57,34 Вт/см2). Оскільки підвищення (перепад) температури теплоносія, який протікає через зборку 10 (наприклад, різниця між температурою на вході і температурою на виході) і величина витрати теплоносія, що протікає через зборку 10 залишаються приблизно такими ж, як і у разі традиційних паливних зборок, зменшена середня величина поверхневого теплового потоку приводить в результаті до відповідного зменшення температури поверхні твела, що сприяє 15 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 збільшенню запасів міцності відносно критичного теплового потоку (тобто підвищеному запасу до кризи тепловіддачі в реакторах PWR або BWR). Додатково і/або альтернативно паливні зборки 10 відповідно до одного або декількох варіантів даного винаходу можуть поступово завантажуватися в активну зону реактора замість традиційних паливних зборок. Під час перехідного періоду паливні зборки 10, які мають характеристики відносно виходу матеріалу, що ділиться/нейтронів/теплової потужності, аналогічні до традиційних паливних зборок, можуть поступово замінювати такі традиційні паливні зборки під час послідовних етапів перевантажень палива, без зміни робочих параметрів енергетичної установки. Таким чином, паливні зборки 10 можуть бути вбудовані в існуючу активну зону, що може бути важливим під час перехідного періоду (тобто початок з частковою активною зоною з паливними зборками 10 і поступовий перехід до повної паливної зони з паливними зборками 10). Крім того, завантаження зборок 10 матеріалом, що ділиться, може бути пристосоване до конкретного переходу, бажаного для оператора установки. Наприклад, завантаження матеріалом, що ділиться, може бути збільшене відповідним чином, з тим щоб збільшити теплову вихідну потужність реактора приблизно на 0% - 30% або більше відносно використання традиційних паливних зборок, які замінюються зборками 10. Відповідно оператор енергетичної установки може вибрати конкретне значення збільшення потужності на основі існуючої інфраструктури енергетичної установки або можливостей роботи енергетичної установки під час проведення модернізації. Один або декілька варіантів реалізації паливних зборок 10 і паливних елементів 20 відповідно до даного винаходу можуть бути використаними в реакторах на швидких нейтронах (на противагу до реакторів на легкій воді), не виходячи за межі обсягу даного винаходу. У реакторах на швидких нейтронах непаливний метал паливного сердечника 100 бажано є жаростійким металом (наприклад, чистим молібденом або комбінацією молібдену та інших металів), а оболонка 120 бажано виготовлена з неіржавіючої сталі (яка включає будь-який різновид неіржавіючого сплаву) або іншого матеріалу, придатного для використання з теплоносієм в таких реакторах (наприклад, натрій). Такі паливні елементи 20 можуть бути виготовлені за допомогою описаного вище процесу сумісної екструзії або будь-якого іншого придатного способу (наприклад, вакуумної плавки). Як показано на Фіг. 7A, 7B і 8, паливні зборки 510, виконані відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу, можуть бути використані в реакторі на важкій воді під тиском 500 (див. Фіг. 8), такому як реактор CANDU. Як показано на Фіг. 7A і 7B, паливна зборка 510 містить велику кількість паливних елементів 20, змонтованих на каркасі 520. Каркас 520 містить дві торцеві пластини 520a, 520b, які змонтовані на протилежних осьових кінцях паливних елементів 20 (наприклад, за допомогою зварювання, щільної посадки, будь-якого із способів кріплення, описаних вище і призначених для кріплення елементів до нижньої решітки 70). Елементи 20, які використовуються в паливній зборці 510, як правило, є значно коротшими, ніж елементи 20, які використовуються в зборці 10. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу і конструкцій реактора 500 елементи 20 і зборки 510, які використовуються в реакторі 500, можуть мати довжину близько 18 дюймів. Елементи 20 можуть розташовуватися один відносно одного в зборці 510 таким чином, що площини самодистанціонування підтримують відстань між елементами 20 у такий же спосіб, як описано вище у відношенні зборки 10. Альтернативно елементи 20 зборок 510 можуть бути розташовані на такій відстані одні від одних, що сусідні елементи 20 ніколи не торкаються один одного, а замість цього повністю покладаються на каркас 520 для підтримування необхідного дистанціонування між елементами 20. Додатково дистанціонуючі пристрої можуть бути прикріплені до елементів 20 на їх ребрах в різних позиціях уздовж аксіальної довжини елементів 20 для контакту з сусідніми елементами 20 і щоб сприяти забезпеченню необхідної відстані між елементами 20 (наприклад, аналогічно тому, як і дистанціонуючі пристрої використовуються в традиційних паливних стрижнях традиційних паливних зборок для реакторів з важкою водою під тиском для підтримування відстані між стрижнями). Як показано на Фіг. 8, зборки 510 вставляються в каландрові труби 500a реактора 500 (які іноді називаються в даній галузі техніка як «каландри 500»). Реактор 500 використовує важку воду 500b як уповільнювач потоку нейтронів і первинний теплоносій. Первинний теплоносій 500b циркулює горизонтально трубами 500a і потім поступає в теплообмінник, де тепло передається в контур вторинного теплообмінника, який зазвичай використовується для вироблення електроенергії за допомогою турбін. Завантажувальні механізми паливних зборок (не показані) використовуються для завантаження паливних зборок 510 в один бік каландрових труб 500a і виштовхування відпрацьованих зборок 510 з протилежної сторони труб 500a, 16 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зазвичай під час роботи реактора 500. Паливні зборки 510 можуть бути сконструйовані як безпосередня заміна традиційних паливних зборок (також відомих в даній галузі техніки як пучки тепловиділяючих стрижнів ТВС) для існуючих традиційних реакторів з важкою водою під тиском (наприклад, для реакторів CANDU). В такому варіанті здійснення даного винаходу зборки 510 вставляються в реактор 500 замість традиційних зборок/пучків ТВС). Такі паливні зборки 510 можуть бути сконструйовані таким чином, що вони мають нейтронні/теплові властивості, аналогічні до замінених традиційних зборок. У альтернативному варіанті паливні зборки 510 можуть бути сконструйовані для забезпечення вищої теплової потужності. У таких варіантах здійснення даного винаходу із збільшенням теплової потужності нові або модернізовані реактори 500 можуть бути сконструйовані для забезпечення вищої вихідної теплової потужності. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка 10 призначена для заміни традиційної паливної зборки традиційного ядерного реактора. Наприклад, паливна зборка 10, показана на Фіг. 1, спеціально сконструйована для заміни традиційної паливної зборки, в якій використовується решітка 17 × 17 паливних стрижнів з діоксиду урану. Якщо напрямні канали зборки 10 залишаються в точності тих же позиціях, в яких вони б використовувалися в традиційній паливній зборці і якщо всі паливні елементи 20 мають однаковий розмір, то величина кроку між паливними елементами/стрижнями залишається незмінною між традиційною паливною зборкою з діоксиду урану і одним або декількома варіантами реалізації паливної зборки відповідно до даного винаходу (наприклад, крок, який дорівнює 12,6 мм). Іншими словами, подовжні осі паливних елементів 20 можуть бути розташовані в тих же місцях, в яких подовжні осі традиційних паливних стрижнів з діоксиду урану знаходилися б в аналогічній традиційній паливній зборці. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливні стрижні можуть мати більший діаметр по колу, ніж аналогічні паливні стрижні з діоксиду урану (наприклад, 12,6 мм в порівнянні із зовнішнім діаметром 9,5 мм для типового паливного стрижня з діоксиду урану). В результаті цього в площині самодистанціонування, показаній на Фіг. 1, в поперечному перетині довжина і ширина простору, який займають паливні елементи 20, можуть бути трохи більшими, ніж довжина і ширина простору, який займають традиційними паливними стрижнями з діоксиду урану в традиційній паливній зборці (наприклад, 214,2 мм для паливної зборки 10 (тобто 17 паливних елементів 20 × 12,6 мм діаметру описаного кола для одного паливного елементу) на відміну від 211,1 мм для традиційної паливної зборки з діоксиду урану, яка включає решітку 17 × 17 паливних стрижнів з діоксиду урану діаметром 9,5 мм, відокремлених один від одного кроком 12,6 мм). У традиційних паливних зборках з діоксиду урану дистанціонуючі ґрати оточують паливні стрижні і збільшують загальну площу поперечного перетину традиційної паливної зборки до розміру 214 мм × 214 мм. У паливній зборці 10 кожух 30, аналогічно до цього, збільшує загальну площу поперечного перетину паливної зборки 10. Кожух 30 може мати будьяку придатну товщину (наприклад, 0,5 мм або 1,0 мм. У варіанті здійснення даного винаходу, де використовується кожух 30 завтовшки 1,0 мм, загальна площа поперечного перетину варіанту реалізації паливної зборки 10 може складати 216,2 × 216,2 мм (наприклад, 214 мм, які зайняті 17 паливними елементами діаметром 12,6 мм, плюс подвійна товщина кожуха 30 завтовшки 1,0 мм). В результаті цього, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка 10 може бути дещо більшою (наприклад, 216,2 мм × 216,2 мм), ніж типова паливна зборка з діоксиду урану (214 мм × 214 мм). Більший розмір може ускладнити можливість відповідного вбудовування паливної зборки 10 в позиції, призначені для паливної зборки, одного або декількох традиційних реакторів, які були сконструйовані для використання з традиційними паливними зборками з діоксиду урану. Для виконання такої зміни розміру, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу, може бути сконструйований і споруджений новий реактор для можливості використання більш крупних паливних зборок 10. Відповідно до альтернативного варіанту здійснення даного винаходу діаметр описаного кола всіх паливних елементів 20 може бути трохи зменшений, з тим щоб зменшити загальну площу поперечного перетину паливної зборки 10. Наприклад, діаметр описаного кола кожного паливного елементу 20 може бути зменшений на 0,13 мм до 12,47 мм, так що загальна площа поперечного перетину, яка зайнята паливною зборкою 10, залишається порівнянною із загальною площею 214 мм × 214 мм традиційної паливної зборки (наприклад, 17 паливних елементів 20 діаметром 12,47 мм, плюс дві товщина по 1,0 мм кожуха, що дає в результаті 214 мм). Таке зменшення розміру решітки 17 × 17 призведе до деякої зміни положень напрямних каналів 40 в паливній зборці 10 по відношенню до положень напрямних каналів в традиційній паливній зборці. Для задоволення цієї невеликої зміни в положеннях напрямних каналів 40 17 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 положення відповідного кластеру стрижнів регулювання, і приводних механізмів стрижнів регулювання в реакторі можуть бути трохи зміщені для установки напрямних каналів 40 із зміненим положенням. У альтернативному варіанті, якщо забезпечені достатні зазори і допуски для стрижнів регулювання, в традиційному реакторі, традиційно розташовані стрижні регулювання, можуть бути прийнятно вставлені в трохи зміщені канали 40 паливної зборки 10. У альтернативному варіанті діаметр периферійних паливних елементів 20 може бути трохи зменшений, так щоб вся зборка 10 вставлялася в традиційний реактор, сконструйований для використання звичайних паливних зборок. Наприклад, діаметр описаного кола зовнішнього ряду паливних елементів 20 може бути зменшений на 1,1 мм, так щоб загальний розмір паливної зборки складав 214 мм × 214 мм (наприклад, 15 паливних елементів 20 діаметром 12,6 мм, плюс два паливні елементи 20 діаметром 11,5 мм, плюс дві товщини по 1,0 мм кожуха 30). Альтернативно діаметр описаного кола двох зовнішніх рядів паливних елементів 20 може бути зменшений кожен на 0,55 мм, так що загальний розмір паливної зборки залишається 214 мм × 214 мм (наприклад, 13 паливних елементів діаметром 12,6 мм, плюс 4 паливних елементу діаметром 12,05 мм, плюс подвійна товщина по 1,0 мм кожуха 30). У такому варіанті здійснення даного винаходу величина кроку і розташування решітки 13 × 13 паливних елементів 20 і напрямних каналів 40 залишаються незмінними, так що напрямні канали 40 виявляються співвісними з матрицею стрижнів регулювання, і приводними механізмами стрижнів регулювання, в традиційному реакторі. На Фіг. 10 показана паливна зборка 610 відповідно до альтернативного варіанта здійснення даного винаходу. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка 610 призначена для заміни традиційної паливної зборки з діоксиду урану в традиційному реакторі, з одночасною підтримкою положень стрижнів регулювання реакторів, призначених для використання з різними традиційними паливними зборками з діоксиду урану. Паливна зборка 610 в загальному випадку аналогічна до паливної зборки 10, яка була описана вище і показана на Фіг. 1, проте вона містить декілька відмінностей, які допомагають зборці 610 краще вбудовуватися в один або декілька існуючих типів реакторів (наприклад, в реактори, які використовують конструкцію паливної зборки фірми «Вестінгауз», в якій застосовується решітка з 17 × 17 стрижнів з діоксиду урану), без зміни положень стрижнів керування, і приводних механізмів стрижнів керування. Як показано на Фіг. 10, паливна зборка включає матрицю відстаней решітки 17 × 17. Центральну решітку 15 × 15 займають 200 паливних елементів 20 і напрямні канали 40, як описано вище відносно аналогічної паливної зборки 10, показаної на Фіг. 1. Залежно від конкретної конструкції реактора центральний напрямний канал 40 може бути замінений додатковим паливним елементом 20, якщо в конструкції реактора не використовується центральний канал 40 (тобто 201 паливний елемент 20 і 24 напрямні канали 40). Положення напрямних каналів 40 відповідають положенням напрямних каналів, які використовуються в реакторах, призначених для використання традиційних паливних зборок з діоксиду урану. Периферійні положення (тобто положення, розташовані в поперечному напрямку назовні від паливних елементів 20) матриці/решітки 17 × 17 паливної зборки 610 займають 64 паливних елементи/стрижні 650 з діоксиду урану. Як відомо в даній галузі техніки, паливні стрижні 650 можуть містити стандартне таблетоване паливо з діоксиду урану, розташоване в порожнистому стрижні. Таблетоване паливо з діоксиду урану може бути збагачене ураном U-235 із ступенем збагачення менше 20%, менше 15%, менше 10% і/або менше 5%. Стрижні 650 можуть мати трохи менший діаметр (наприклад, 9,50 мм), ніж діаметр описаного кола паливних елементів 20, що трохи зменшує загальні розміри в поперечного перетину паливної зборки 610, так що зборка 610 краще входить в простір, розрахований для встановлення традиційної паливної зборки з діоксиду урану. У проілюстрованому варіанті здійснення даного винаходу паливні стрижні/елементи 650 містять таблетоване паливо з діоксиду урану. Проте паливні стрижні/елементи можуть альтернативно використовувати будь-яку іншу відповідну комбінацію з одного або декількох матеріалів, що діляться і/або відтворюють (наприклад, торію, плутонію, урану-235, урану-233, будь-якої комбінації вказаних матеріалів). Такі паливні стрижні/елементи 650 можуть містити металічне паливо і/або оксидне паливо. Відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу паливні стрижні 650 можуть займати менше, ніж всі 64 периферійних позиції. Наприклад, паливні стрижні 650 можуть займати верхній ряд і лівий стовпчик периферії, тоді як нижній ряд і правий стовпчик периферії можуть займати паливні елементи 20. Альтернативно паливні стрижні 650 можуть займати будь-які дві інші сторони периферії паливної зборки. Кожух 630 може бути модифікований, з тим щоб включати додаткові паливні елементи на периферії паливної зборки. 18 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Такі модифіковані паливні зборки можуть бути розташовані по сусідству одна з одною, так що ряд/стовпчик периферійних паливних елементів в одній зборці завжди буде межувати з рядом/стовпчиком паливних елементів 20 в сусідній паливній зборці. В результаті цього додатковий простір для паливних зборок забезпечується за рахунок того, що межа розділу між сусідніми паливними зборками виявляється трохи зміщена у бік зборки, яка включає паливні елементи 650 на периферійній стороні, біля межі розділу. Така модифікація може забезпечити можливість використання більшого числа паливних елементів 20 з більшою вихідною тепловою потужністю, ніж передбачено в теплових зборках 610. Кожух 630 оточує решітку паливних елементів 20 і відокремлює елементи 20 від елементів 650. Головка 50, хвостовик 60, кожух 630, канали для теплоносія, сформовані між ними, відносні перепади тиску на елементах 20 і елементах 650 і/або збільшений перепад тиску на дистанціонуючих ґратах 660 (описаний нижче), які оточують елементи 650, можуть призвести в результаті до більшої величини витрати теплоносія, що протікає усередині кожуха 630 і поряд з паливними елементами 20 з вищою вихідною тепловою потужністю, ніж величина витрати теплоносія, що протікає зовні кожуха 630 і поряд з паливними стрижнями 650, що мають меншу вихідну теплову потужність. Канали і/або отвори в кожусі можуть бути передбачені для оптимізації відносних величин витрати теплоносія, що протікає поряд з елементами 20, 650, виходячи із їх відносних величин вихідної теплової потужності і розрахункових робочих температур. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу водно-паливне відношення для паливних елементів 20 паливної зборки 610 менше або дорівнює 2,7, 2,6, 2,5, 2,4, 2,3, 2,2, 2,1, 2,0, 1,9 і/або 1,8. У проілюстрованому варіанті здійснення даного винаходу водно-паливне відношення дорівнює величині відношення (1) загальної площі усередині кожуха 630, присутньої для теплоносія/уповільнювача (наприклад, апроксимованою загальною площею поперечного перетину усередині кожуха 630, мінус загальна площа поперечного перетину, яку займають паливні елементи 20 (у припущенні, що напрямні канали 40 заповнені теплоносієм) до (2) загальної площі поперечного перетину сердечників 100 паливних елементів 20 усередині кожуха 630. Відповідно до альтернативного варіанта здійснення даного винаходу кожух 630 може бути замінений одним або декількома кільцевими бандажами або може бути забезпечений отворами в кожусі 630, як пояснювалося вище. Використання бандажів або отворів в кожусі 630 може сприяти взаємному перемішуванню теплоносія між паливними елементами 20 і паливними елементами 650. Як показано на Фіг. 10, паливні елементи 650 розташовані усередині кільцевої дистанціонуючої решітки 660, яка в загальному випадку є аналогічною до зовнішньої частини дистанціонуючої решітки, яка використовуються в традиційній паливній зборці з діоксиду урану. Дистанціонуюча решітка 660 може бути жорстко сполучена з кожухом 630 (наприклад, за допомогою зварювання, болтів, гвинтів та інших елементів кріплення). Дистанціонуюча решітка 660 виконана бажано такого розміру, що забезпечує ту ж величину кроку між паливними елементами 650 і паливними елементами 20, яка забезпечується між центральними паливними елементами (наприклад, крок 12,6 мм між осями всіх паливних елементів 20, 630). Для забезпечення такої відстані між елементами паливні елементи 630 можуть бути розташовані ближче до зовнішньої сторони дистанціонуючої решітки 660, ніж до кожуха 630 і внутрішньої сторони дистанціонуючої решітки 660. Паливна зборка 610 і дистанціонуюча решітка 660 також бажано виконуються таких розмірів і розташування, що така ж величина кроку забезпечується між паливними елементами 650 сусідніх паливних зборок (наприклад, розмір кроку 12,6 мм). Проте відстань між будь-яким з паливних елементів 20, 650 може змінюватися відносно відстані між іншими паливними елементами 20, 650, не виходячи за межі обсягу даного винаходу. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливні елементи 20 займають щонайменше 60%, 65%, 70%, 75% і/або 80% загального об'єму всіх паливних елементів 20, 650, які містять матеріал, що ділиться, паливної зборки 610. Наприклад, відповідно до одного або кількох варіантів здійснення даного винаходу, в яких паливна зборка 610 включає 201 паливний 2 елемент 20, кожен з яких має площу поперечного перетину, яка становить приблизно 70 мм , і 64 паливних елементи 650, кожен з яких має діаметр 9,5 мм, паливні елементи 20 складають близько 75,6% загального об'єму всіх паливних елементів 20, 650 (201 паливний елемент × 70 2 2 2 мм = 14070; 64 паливних елементи 650 ×  × (9,5/2) =4534 мм ; площі паливних елементів 20, 2 2 650 є власне пропорційними до об'ємів паливних елементів; (14070 мм /(14070 мм + 4534 2 мм )= 75.6%)). Висота паливної зборки 610 відповідає висоті аналогічної традиційної паливної зборки, яку зборка 610 може замінити (наприклад, висоті стандартної паливної зборки для конструкції 19 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 реактора фірми «Вестінгауз» або «АРЕВА»). Проілюстрована паливна зборка 610 може бути використана в решітці 17 × 17 реактора PWR, такого як 4-контурний реактор, AP-1000 або реактор EPR фірми «АРЕВА». Проте конструкція паливної зборки 610 може бути також модифікована для сумісності з реакторами іншої конструкції (наприклад, конструкції реактора, в якій використовується гексагональна паливна зборка; в цьому випадку зовнішню периферію шестикутника займають стрижні з діоксиду урану, тоді як внутрішні позиції займають паливні елементи 20, або конструкції реакторів на киплячій воді, або малих модульних реакторів). Хоча конкретні розміри вказані відносно конкретних варіантів здійснення даного винаходу, різноманіття паливних елементів 20, 650 і паливних зборок 10 з іншими розмірами можуть бути використані у поєднанні з різноманітними реакторами або типами реакторів, не виходячи за межі обсягу даного винаходу. Залежно від конкретної конструкції реактора додаткові позиції стрижнів паливної зборки можуть бути замінені стрижнями з діоксиду урану. Наприклад, хоча паливна зборка 610 включає стрижні з діоксиду урану тільки в зовнішньому периферійному ряду, паливна зборка 610 може альтернативно включати стрижні з діоксиду урану в зовнішніх двох рядах, не виходячи за межі обсягу даного винаходу. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу частина паливної зборки 610, яка підтримує паливні елементи 650, є невіддільною від частини паливної зборки 610, яка підтримує паливні елементи 20. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливні елементи 20 є невіддільними, як єдиний блок, від паливних елементів 650 паливної зборки 610 (навіть не дивлячись на те, що окремі паливні елементи 20, 650 можуть вийматися із зборки 610, наприклад, у випадку відмови окремого паливного елементу). Аналогічно до цього, відсутній замикаючий механізм, який вибірково блокував би частину паливних елементів 650 паливної зборки з частиною паливних елементів 20 паливної зборки 610. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливні елементи 20 і паливні елементи 650 паливної зборки 610 мають однаковий розрахунковий термін служби, так що вся паливна зборка 610 використовується усередині реактора і потім знімається як єдиний утилізований блок. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу збільшена вихідна теплова потужність паливних елементів 20 усередині паливної зборки 610 може забезпечити збільшення номінальної потужності в порівнянні з традиційною тепловою зборкою, яка містить всі паливні стрижні з діоксиду урану і яку замінює зборка 610. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу збільшення номінальної потужності складає щонайменше 5%, 10% і/або15%. Збільшення номінальної потужності може перебувати в діапазоні від 1 до 30%, від 5 до 25% і/або від 10 до 20%, відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу. Відповідно до різних варіантів здійснення даного винаходу паливна зборка 610 забезпечує щонайменше 18місячний паливний цикл, проте може досягати більше ніж 24-місячного або 36-місячного паливного циклу. Відповідно до варіанту здійснення даного винаходу відносно паливної зборки 610, в якій використовуються паливні елементи 20, які мають приблизні параметри, вказані вище відносно елементів 20, зображені на Фіг. 10, зборка 610 забезпечує збільшення номінальної потужності на 17% в порівнянні з традиційною паливною зборкою з діоксиду урану при робочих параметрах, вказаних в приведених нижче таблицях. Робочий параметр для реактора EPR фірми «АРЕВА» Потужність реактора Тривалість паливного циклу Кількість паливних зборок, які перевантажуються Ступінь збагачення паливного елементу 20 Ступінь збагачення UO2 стрижнів 650 Величина витрати теплоносія * rv = значення із довідника 20 Значення Одиниця вимірювання 5,37 18 1/3 ≤ 19.7 ≤5 117% ГВт місяців активна зона вагових % вагових % rv UA 109437 C2 Параметр паливної зборки Конструкція паливної зборки Величина кроку паливної зборки Розмір паливної зборки Висота активної частини палива Число паливних стрижнів Величина кроку між паливними елементами 20 (тобто відстань між осями) Середній зовнішній діаметр паливного елементу 20 (діаметр описаного кола) Середній мінімальний діаметр паливного елементу 20 Водно-паливне відношення, в запальній зоні (навколо елементів 20) Водно-паливне відношення, в зоні відтворення (навколо елементів 650) 5 10 15 20 Значення 17 × 17 215 214 4200 265 Одиниця вимірювання 12,6 мм 12,6 мм 10,44 мм мм мм мм 2,36 1,9 Паливні зборки 10, 510, 610 бажано термодинамічно сконструйовані і виконані у фізичній формі для використання в наземному ядерному реакторі 90, 500 (наприклад, в наземних ядерних реакторах на легкій воді (включаючи реактори типу BWR і PWR), наземних реакторах на швидких нейтронах, наземних реакторах на важкій воді), які призначені для генерації електроенергії і/або тепла, яке використовується в цілях, відмінних від генерації електроенергії (наприклад, для опріснення води, хімічної обробки, генерації пари тощо). Такі наземні ядерні енергетичні реактори 90 включають, разом з іншими, водно-водяні реактори VVER, реактори AP-1000, EPR, APR-1400, ABWR, BRW-6, CANDU, BN-600, BN-800, Toshiba 4S, Monju тощо. Проте, відповідно до альтернативних варіантів здійснення даного винаходу паливні зборки 10, 510, 610 можуть бути сконструйовані для використання і використовуватися в морських ядерних реакторах (наприклад, атомних енергоустановках, які встановлені на кораблях і підводних човнах) плавучих електростанціях, призначених для вироблення електроенергії для її використання на побережжі, або в інших застосуваннях ядерних реакторів. Проілюстровані варіанти здійснення даного винаходу призначені для ілюстрації конструктивних і функціональних принципів даного винаходу і не повинні розглядатися як такі, що обмежують обсяг даного винаходу. Навпаки, принципи даного винаходу призначені для охоплювати всі будь-які зміни, модифікації і/або заміни, виконані в дусі і межах приведеної формули винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 1. Паливна збірка для використання в активній зоні ядерного енергетичного реактора, яка містить каркас, який включає кожух та хвостовик, виконаний у формі і конфігурації, яка забезпечує його монтаж до внутрішньої конструкції активної зони ядерного реактора, і велику кількість подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів, які спираються на каркас, розташованих в кожуху, кожен з яких містить паливний сердечник, який містить паливний матеріал, що ділиться, розташований в матриці з металевого непаливного матеріалу, і оболонку, яка оточує паливний сердечник, причому воднопаливне відношення в зоні паливних елементів дорівнює величині відношення загальної площі усередині кожуха, присутньої для теплоносія/уповільнювача мінус загальна площа поперечного перерізу, яку займають паливні елементи до загальної площі поперечного перерізу сердечників паливних елементів усередині кожуха, і складає 2,4 або менше. 2. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що велика кількість подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів містить велику кількість подовжених, виготовлених методом екструзії металевих паливних елементів, паливний матеріал містить металевий паливний матеріал, і паливний сердечник містить сердечник з металевого паливного сплаву, який містить сплав металевого паливного матеріалу і металевого непаливного матеріалу. 3. Паливна збірка за п. 2, яка відрізняється тим, що сердечник містить -фазний UZr2. 4. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що паливний матеріал містить керамічний паливний матеріал, розташований в матриці з металевого непаливного матеріалу. 21 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 5. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що множина подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів становить щонайменше 60 % загального об'єму всіх паливних елементів паливної збірки. 6. Паливна збірка за п. 5, яка відрізняється тим, що загальний об'єм всіх паливних елементів паливної збірки включає загальний об'єм всіх паливних елементів, які підтримуються хвостовиком. 7. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що середня товщина оболонки паливних елементів становить щонайменше 0,6 мм. 8. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що відповідні паливні сердечники великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів, виготовлені за допомогою спікання паливного матеріалу і металевого непаливного матеріалу. 9. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що в великої кількості паливних елементів паливний матеріал паливного сердечника збагачений до 20 % або менш ураном-235 і/або ураном-233 і складає від 20 % до 30 % об'ємного вмісту паливного сердечника; і непаливний матеріал складає від 70 % до 80 % об'ємного вмісту паливного сердечника. 10. Паливна збірка за п. 9, яка відрізняється тим, що у великої кількості паливних елементів, ступінь збагачення паливного матеріалу складає від 15 % до 20 %. 11. Паливна збірка за п. 9, яка відрізняється тим, що у великій кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів, непаливний метал паливного сердечника містить цирконій. 12. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що у великій кількості паливних елементів паливний матеріал паливного сердечника містить плутоній; непаливний метал паливного сердечника містить цирконій; і непаливний метал паливного сердечника складає від 70 % до 97 % об'ємного вмісту паливного сердечника. 13. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що паливний матеріал містить комбінацію: урану і торію або плутонію і торію, або урану, плутонію і торію. 14. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що оболонка великої кількості паливних елементів металургійно скріплена з паливним сердечником. 15. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що непаливний метал великої кількості паливних елементів містить алюміній. 16. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що непаливний метал великої кількості паливних елементів містить жаростійкий метал. 17. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що оболонка великої кількості паливних елементів містить цирконій. 18. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що кожен з поміж багатьох паливних елементів має спіральний закручений багатолопатевий профіль, який утворює велику кількість спіральних ребер. 19. Паливна збірка за п. 18, яка відрізняється тим, що спіральні ребра сусідніх паливних елементів з вищезазначеної великої кількості паливних елементів періодично контактують один з одним уздовж осьової довжини паливних елементів, причому такий контакт допомагає підтримувати необхідну відстань між сусідніми паливними елементами. 20. Паливна збірка за п. 18, яка відрізняється тим, що багатолопатевий профіль містить увігнуті області між сусідніми лопатями. 21. Паливна збірка за п. 18, яка відрізняється тим, що багатолопатевий профіль має кінчики лопатей і проміжні секції між сусідніми лопатями, і оболонка товща біля кінчиків, ніж біля проміжних секцій. 22. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що паливна збірка містить вигораючий поглинач. 23. Паливна збірка за п. 22, яка відрізняється тим, що, щонайменше один з-поміж великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів містить вигораючий поглинач. 24. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що паливна збірка додатково містить велику кількість паливних елементів з діоксиду урану, які спираються на каркас, причому кожен з вищезазначеної великої кількості паливних елементів з діоксиду урану містить паливо з діоксиду урану. 25. Паливна збірка за п. 24, яка відрізняється тим, що щонайменше деякі з великої кількості подовжених паливних елементів з діоксиду урану розташовані в поперечному напрямку назовні від великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів. 22 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 26. Паливна збірка за п. 25, яка відрізняється тим, що кожух відокремлює потік теплоносія, який протікає біля великої кількості подовжених паливних елементів з діоксиду урану, від потоку теплоносія, який протікає біля великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів. 27. Паливна збірка за п. 24, яка відрізняється тим, що паливо з діоксиду урану містить менше 15 % ступеня збагачення ураном-235. 28. Паливна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що вміст урану багатьох із вищезазначеної великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів дорівнює 25 % або менше за об'ємом. 29. Спосіб виготовлення паливної збірки, призначеної для використання в активній зоні ядерного енергетичного реактора, який передбачає: виготовлення кожного з великої кількості подовжених паливних елементів за допомогою змішування порошкоподібного паливного матеріалу з порошкоподібним металевим непаливним матеріалом, причому порошкоподібний паливний матеріал містить матеріал, що ділиться, спікання суміші порошкоподібного паливного матеріалу і металевого непаливного матеріалу для формування заготовки паливного сердечника, охоплення заготовки паливного сердечника матеріалом оболонки, і сумісної екструзії прес-заготовки паливного сердечника і матеріалу оболонки для формування паливного елемента; і прикріплення великої кількості подовжених паливних елементів до каркаса паливної збірки. 30. Спосіб за п. 29, який відрізняється тим, що: велика кількість подовжених паливних елементів містить велику кількість подовжених металевих паливних елементів, порошкоподібний паливний матеріал містить порошкоподібний металевий паливний матеріал, і заготовка паливного сердечника є металевою заготовкою паливного сердечника, яка містить сплав металевого паливного матеріалу і металевого непаливного матеріалу. 31. Спосіб за п. 29, який відрізняється тим, що порошкоподібний паливний матеріал містить порошкоподібний керамічний паливний матеріал. 32. Спосіб за п. 29, який відрізняється тим, що множина подовжених паливних елементів становить щонайменше 60 % загального об'єму всіх паливних елементів паливної збірки. 33. Спосіб за п. 29, який відрізняється тим, що середня товщина оболонки після сумісної екструзії становить щонайменше 0,6 мм. 34. Спосіб за п. 29, який відрізняється тим, що додатково передбачає розміщення витискувача усередині суміші порошкоподібного паливного матеріалу і металевого непаливного матеріалу до вищезазначеного спікання, так що вищезазначене спікання приводить в результаті до утворення заготовки паливного сердечника, яка включає витискувач. 35. Спосіб за п. 29, який відрізняється тим, що: велика кількість подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів, які спираються на каркас паливної збірки, розташовані в кожуху, і водно-паливне відношення в зоні паливних елементів дорівнює величині відношення загальної площі усередині кожуха, присутньої для теплоносія/уповільнювача мінус загальна площа поперечного перерізу, яку займають паливні елементи, до загальної площі поперечного перерізу сердечників паливних елементів усередині кожуха. 36. Паливна збірка, призначена для використання в активній зоні ядерного енергетичного реактора, містить: каркас, який включає хвостовик, виконаний у формі і конфігурації, призначені для його монтажу до внутрішньої конструкції активної зони ядерного реактора; першу велику кількість подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів, які спираються на каркас, причому кожен з вищезазначеної першої великої кількості паливних елементів містить: паливний сердечник, який містить паливний матеріал, розташований в матриці з металевого непаливного матеріалу, причому паливний матеріал містить матеріал, що ділиться, і оболонку, яка оточує паливний сердечник; і другу велику кількість подовжених паливних елементів, які спираються на каркас причому в поперечному перерізі паливної збірки друга велика кількість подовжених паливних елементів розташовується у вигляді кільця шириною в один паливний елемент, яке оточує першу велику кількість подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів; перша велика кількість подовжених паливних елементів становить щонайменше 60 % загального об'єму всіх паливних елементів паливної збірки, причому вказаний об'єм всіх паливних елементів паливної збірки включає загальний об'єм всіх паливних елементів, які спираються на каркас. 23 UA 109437 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 37. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що кожен із другої великої кількості подовжених паливних елементів містить порожнистий стрижень з паливом у таблетках з діоксиду урану, розташованим усередині стрижня. 38. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що частина паливної збірки, яка підтримує другу велику кількість подовжених паливних елементів, є невіддільною від частини паливної збірки, яка підтримує першу велику кількість подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів. 39. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що друга велика кількість подовжених паливних елементів, є невіддільною, як єдиний блок, від першої великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів. 40. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що: паливна збірка утворює решітку позицій 17×17; кожен з першої великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів розташований в одній з позицій решітки; жоден з першої великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів нерозташований в будь-якій з периферійних позицій решітки 17×17; і кожен з другої великої кількості подовжених паливних елементів розташований в різній позиції з-поміж периферійних позицій решітки 17×17. 41. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що вищезазначений загальний об'єм всіх паливних елементів паливної збірки включає загальний об'єм всіх паливних елементів, які спираються на хвостовик. 42. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що перша велика кількість подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів містить велику кількість подовжених, виготовлених методом екструзії металевих паливних елементів паливний матеріал містить металевий паливний матеріал, і паливний сердечник містить сердечник з металевого паливного сплаву, який містить сплав металевого паливного матеріалу і металевого непаливного матеріалу. 43. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що сердечник містить -фазний UZr2. 44. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що паливний матеріал містить керамічний паливний матеріал, розташований в матриці з металевого непаливного матеріалу. 45. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що кожна друга велика кількість подовжених паливних елементів містить подовжений, виготовлений методом екструзії металевий паливний елемент, що включає паливний сердечник, який містить паливний матеріал, розташований в матриці металевого непаливного матеріалу, паливний матеріал, що містить матеріал, який ділиться, і оболонку, що оточує паливний сердечник. 46. Паливна збірка за п. 45, яка відрізняється тим, що друга велика кількість подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів містить велику кількість подовжених, виготовлених методом екструзії металевих паливних елементів, паливний матеріал в кожній другій великій кількості подовжених паливних елементів містить металевий паливний матеріал, і паливний сердечник в кожній другій великій кількості подовжених паливних елементів містить сердечник з металевого паливного сплаву, який містить сплав металевого паливного матеріалу і металевого непаливного матеріалу. 47. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що щонайменше 80 % матеріалу паливної збірки, який ділиться, забезпечується подовженими, виготовленими методом екструзії металевими паливними елементами, які містять: паливний сердечник, який містить паливний матеріал, розташований в матриці металевого непаливного матеріалу, паливний матеріал, що містить матеріал, який ділиться, і оболонку, що оточує паливний сердечник. 48. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що щонайменше 100 % матеріалу паливної збірки, який ділиться, забезпечується подовженими, виготовленими методом екструзії металевими паливними елементами, які містять: паливний сердечник, який містить паливний матеріал, розташований в матриці металевого непаливного матеріалу, паливний матеріал, що містить матеріал, який ділиться, і оболонку, що оточує паливний сердечник. 24 UA 109437 C2 49. Паливна збірка за п. 36, яка відрізняється тим, що відповідні паливні сердечники першої великої кількості подовжених, виготовлених методом екструзії паливних елементів формуються шляхом спікання паливного матеріалу і металевого непаливного матеріалу. 25 UA 109437 C2 26 UA 109437 C2 27 UA 109437 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 28