ПОГЛОЩАЮЩИЙ СЕРДЕЧНИК ОРГАНА РЕГУЛИРОВАНИЯ АТОМНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1998 года по МПК G21C7/10 G21C7/24 

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в органах регулирования атомных реакторов.

Как известно, для управления атомным реактором в его органах регулирования применяют поглощающие нейтроны материалы, к которым предъявляются следующие основные эксплуатационные требования, определяющие рабочий ресурс органов регулирования:
высокая эффективность поглощения нейтронов, достаточная для выполнения функций управления, компенсации мощностных и температурных эффектов или остановки реактора:
низкая скорость выгорания поглощающих изотопов для длительного сохранения высокой эффективности поглощения в процессе эксплуатации в реакторе;
высокая стойкость к радиационным повреждениям, прежде всего, стабильность объема как при рабочих температурах эксплуатации, так и при перегревах;
совместимость с контактирующими конструкционными материалами в рабочем диапазоне температур;
коррозионная стойкость.

Поглощающие материалы входят в виде сердечников в поглощающие элементы (пэлы) органов регулирования, для чего из них изготавливаются таблетки, блочки, стержни, кольца, порошки и т.д. в зависимости от конструкции пэлов.

Известен поглощающий сердечник, изготовленный из металлического сплава 80% Ag-15% In-5%Cd, широко применяемый в пэлах органов регулирования реакторов PWR [B.E. Рэй Производство регулирующих стержней для ядерных реакторов//М., Атомиздат, 1965]. Основное его преимущество - наличие в одном материале трех компонентов с различной степенью поглощения тепловых и надтепловых нейтронов. Этим самым расширена область энергий поглощаемых нейтронов, что приводит к увеличению эффективности поглощения органов регулирования в целом.

Сплав имеет низкую коррозионную стойкость, поэтому он либо заливается в защитную оболочку из нержавеющей стали, либо помещается в нее в виде блочков (таблеток).

К основным недостаткам сплава следует отнести:
низкую температуру плавления (около 800^oC);
распухание при длительном реакторном облучении, приводящее к деформации и разрушению защитной оболочки;
снижение физической эффективности из-за быстрого выгорания кадмия;
недостаточную физическую эффективность в жестком спектре нейтронов при использовании МОХ-топлива (смешанного уран-плутониевого оксидного топлива);
накопление высокоактивных и долгоживущих радионуклидов Ag^110m.

Известен также поглощающий сердечник в виде порошка (крупки) титаната диспрозия (Dy₂O₃•TiO₂), размещенного внутри герметичной защитной оболочки [В. Б. Пономаренко и др. Органы регулирования и СВП ядерных реакторов ВВЭР-1000 и пути их усовершенствования.// ВАНТ, Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, вып. 2(62), 3(63), Харьков, 1994]. Главное его преимущество - высокая радиационная стойкость. При реакторном облучении, вплоть до флюнса нейтронов (5-6)•10²² см^-2, сердечник не изменяет своей структуры и объема: распухание материала до 3% полностью компенсируется за счет пористости порошка в сердечнике (≈15%). В результате, поглощающий сердечник не оказывает силового воздействия на защитную оболочку и не деформирует ее.

Другое преимущество сердечника из титаната диспрозия заключается в том, что скорость снижения эффективности поглощения ниже, чем у сердечника из сплава 80% Ag-15% In-5%Cd.

Недостатки поглощающего сердечника из порошка Dy₂O₃•TiO₂
- недостаточно высокая исходная физическая эффективность, которая на 20% ниже, чем у эталонного поглощающего материала - карбида бора;
- наличие только одного поглощающего компонента (Dy);
В качестве прототипа изобретения выбран поглощающий сердечник в виде порошка карбида бора (B₄C), размещенного внутри защитной оболочки [В.Б.Пономаренко и др. Органы регулирования и СВП ядерных реакторов ВВЭР-1000 и пути их усовершенствования.// ВАНТ, Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, вып. 2(62), 3(63), Харьков, 1994]. Преимущества такого поглощающего сердечника:
- высокая исходная физическая эффективность и возможность ее повышения путем обогащения по изотопу ¹⁰B;
- поглощение нейтронов в широкой области энергий - от тепловых до быстрых;
- высокая химическая стабильность и температура плавления (2450^oC);
- низкая стоимость и большие запасы сырья.

В настоящее время карбид бора широко применяется в качестве поглощающего материала в органах регулирования ядерных реакторов как в России (доля его использования на реакторах ВВЭР-1000 и РБМК-1000 составляет > 90%), так и за рубежом ( в различных странах от 40 до 80%), несмотря на ряд существенных недостатков, основными из которых являются:
- быстрый темп выгорания изотопа ¹⁰B и снижение эффективности поглощения;
- низкая радиационная стойкость из-за протекания ядерной реакции 10_B+1_{n___→} 7_Li+4_He с накоплением большого количества гелия. При 50% выгорании изотопа ¹⁰B образуется более 400 см³ гелия на 1 см³ B₄C;
- несовместимость с нержавеющей сталью при температуре выше 450^oC.

Экспериментально обнаружено, что сердечник из порошка карбида бора, при эксплуатации пэлов в реакторе, в результате действия температуры, давления и накопления лития, преобразуется в газонепроницаемый монолит. Это наступает при выгораниях изотопа ¹⁰B выше 30%. В результате, образовавшийся гелий остается в месте наибольшего выгорания и может создавать под оболочкой значительные давления, превышающие 100 МПа. Дальнейшее выгорание сопровождается деформацией и разрушением оболочки.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение ресурса органов регулирования атомных реакторов при сохранении исходной эффективности, уменьшении скорости снижения эффективности, увеличении радиационной стойкости и теплопроводности.

Для достижения этой цели в сердечник пэлов органов регулирования атомного реактора из сыпучего n, α-поглотителя нейтронов, например карбида бора, вводится сыпучий n, γ-поглотитель с объемной долей 10 - 50%. В качестве n, γ-поглотителя можно использовать порошок или крупку титаната диспрозия Dy₂O₃•Ti₂O.

Экспериментально показано, что использование вместо порошка карбида бора его смеси с порошком Dy₂O₃•TiO₂ позволяет:
1. предотвратить образование монолитного сердечника из исходного порошка при его облучении в реакторе, что способствует выходу гелия в газосборник и снижению деформации оболочки;
2. использовать в одном поглощающем сердечнике более одного поглощающего нейтроны компонента, что расширяет спектр поглощаемых нейтронов и повышает эффективность поглощения;
3. снизить скорость выгорания изотопа ¹⁰B за счет экранирования частиц B₄C частицами n, γ-поглотителя, что уменьшает скорость снижения эффективности органа регулирования;
4. получить сердечник с эффективноcтью поглощения в исходном состоянии, близкой к эффективности карбида бора;
5. уменьшить количество образующегося гелия в поглощающем сердечнике;
6. повысить теплопроводность сердечника и соответственно снизить температуру в нем при облучении.

Объемная доля n, γ-поглотителя может варьироваться от 10 до 50%. При объемной доле ниже 10% наблюдается частичное образование монолитного сердечника из порошка B₄C, а скорость выгорания изотопа ¹⁰B остается высокой, как и у порошка карбида бора. При объемной доле выше 50% заметно уменьшение исходной физической эффективности поглощающего сердечника.

Новые существенные признаки заявляемого решения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретательский уровень.

Промышленная применимость изобретения подтверждается примером конкретного исполнения.

Порошок карбида бора, используемый для производства штатных органов регулирования реакторов ВВЭР-1000, смешивается с крупкой титаната диспрозия до равномерного распределения частиц обоих материалов по объему. Объемная доля титаната диспрозия в смеси составляет 30-40%, что обеспечивает достаточную изоляцию частиц карбида бора друг от друга. Полученную механическую смесь используют для заполнения оболочки пэлов методом виброуплотнения с использованием стандартной технологии. Пэлы с сердечником, изготовленным таким образом позволяют увеличить ресурс органов регулирования примерно вдвое.

Вместо титанана диспрозия может использоваться порошок гафната диспрозия (общая формула nDy₂O₃•mHfO₂, где n и m - мольные доли оксидов диспрозия и гафния, n/m=1...4). В отличие от титаната диспрозия (Dy₂O₃•TiO₂), в нем содержится два поглощающих компонента - Dy и Hf, что повышает его исходную эффективность поглощения. Кроме того, этот материал имеет разупорядоченную флюоритоподобную кристаллическую структуру, легко получаемую технологически (в отличие от титаната диспрозия). Эта структура характеризуется высокой радиационной стойкостью, что обеспечивает длительную эксплуатацию пэлов с сердечником из гафната диспрозия без деформации оболочки.

Возможно также использование в качестве n, γ-поглотителя смеси титаната и гафната диспрозия в различных соотношениях при сохранении общей объемной доли в сердечнике 10-50%.

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в органах регулирования атомных реакторов. Изобретение позволяет увеличить ресурс органов регулирования атомных реакторов при сохранении исходной эффективности поглощения, уменьшении скорости снижения эффективности, увеличении радиационной стойкости и теплопроводности поглощающего сердечника. С этой целью в сыпучий n,α - поглотитель нейтронов поглощающего сердечника введен сыпучий n, γ - поглотитель нейтронов с объемной долей 10 - 50%. В качестве n, α - поглотителя использован порошок карбида бора, а в качестве n, γ - поглотителя - порошок или крупка титаната диспрозия (Dy₂O₃ • TiO₂), гафната диспрозия (nDy₂O₃ • mHfO₂) или их смеси. 3 з.п.ф-лы.

1. Поглощающий сердечник органа регулирования атомного реактора из сыпучего n, α-поглотителя нейтронов, отличающийся тем, что в него введен в качестве компонента сыпучий n, γ-поглотитель нейтронов с объемной долей от 10 до 50%. 2. Поглощающий сердечник по п.1, отличающийся тем, что в качестве n, α-поглотителя нейтронов использован порошок карбида бора, а n, γ-поглотителя - крупка или порошок титаната диспрозия (Dy₂O₃ • TiO₂). 3. Поглощающий сердечник по п.1, отличающийся тем, что в качестве n, α-поглотителя нейтронов использован порошок карбида бора, а n, γ-поглотителя - крупка или порошок гафната диспрозия (nDy₂O₃ • mHfO₂). 4. Поглощающий сердечник по п.1, отличающийся тем, что в качестве n, α-поглотителя нейтронов использован порошок карбида бора, а n, γ-поглотителя - смесь крупки или порошков титаната и гафната диспрозия.