НЕЙТРОНОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1999 года по МПК G21C7/24 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к поглощающим нейтроны материалам на основе редкоземельных элементов и может быть использовано в стержнях регулирования водоохлаждаемых реакторов.

Уровень техники.

Одним из основных требований, предъявляемых к поглощающим нейтроны материалам, особенно используемым в органах регулирования, является высокая устойчивость к радиационным повреждениям и коррозионная стойкость в воде - условиях их эксплуатации при температуре до (300 - 500)^oC и давлении до (200 - 250) МПа, а также способность в течение длительного времени сохранять достаточную стабильность поглощения нейтронов.

Из известных материалов, являющихся поглотителями нейтронов, в настоящее время наиболее перспективными являются оксиды редкоземельных элементов - самария, европия, гадолиния, диспрозия, эрбия (см. Поглощающие материалы для регулирования ядерных реакторов. Под ред. Б.Г. Арабея и В.В.Чепкунова, М., Атомиздат, 1965 г.).

Использование в качестве основы нейтронопоглощающего материала диспрозия имеет следующие преимущества по сравнению с другими редкоземельными элементами. Природная смесь изотопов диспрозия обладает высокой эффективностью поглощения нейтронов (сечение захвата порядка 1200 барн), а в результате поглощения нейтронов образуется длинная цепочка изотопов диспрозия, также имеющих достаточно высокое сечение захвата нейтронов (от 130 до 2780 барн), что обеспечивает длительный срок службы с сохранением нейтронопоглощающих свойств. При полном выгорании диспрозия образуются короткоживущие изотопы (Dy-166 и Но-166 с периодом полураспада 82 ч и 27 ч, соответственно), что упрощает хранение и переработку отработавших органов регулирования. Кроме того, в результате поглощения нейтронов диспрозием не образуются газообразные продукты деления.

Известно использование в качестве поглощающего нейтроны материала титаната диспрозия (см. В.М. Пастухов, Поглощающие материалы для систем управления атомных реакторов, М. , Атомиздат, 1968 г.). Титанат диспрозия стехиометрически реализуется соединениями двух типов: Dy₂O₃ • 2TiO₂ и Dy₂O₃ • TiO₂, которые имеют узкие области гомогенности. Вне данных областей составы системы оксидов диспрозия и титана представляют собой многофазные структуры, имеющие низкую коррозионную стойкость и радиационную устойчивость вследствие наличия несвязанных свободных оксидов диспрозия, титана или смежного титаната диспрозия.

Наиболее близким к описываемому материалу по технической сущности является нейтронопоглощающий материал, содержащий диспрозиевую основу, оксид титана, оксид ниобия и оксид циркония (см. патент РФ N 2080667, кл. G 21 F 5/00, 1997 г.). В качестве диспрозиевой основы использован диспрозиевый концентрат, получаемый, например при разделении редкоземельных элементов. Данный материал имеет повышенную устойчивость к радиационному воздействию поскольку имеет кубическую кристаллическую структуру, что обусловлено наличием легирующих добавок оксидов ниобия и циркония.

Однако содержание диспрозия в диспрозиевом концентрате недостаточно для широкого применения в органах регулирования ядерного реактора, а процентное содержание в диспрозиевом концентрате элементов с большим сечением захвата незначительно.

Сущность изобретения.

Задачей настоящего изобретения является создание нейтронопоглощающего материала, особенно для органов регулирования, обладающего повышенными нейтронопоглощающими свойствами, радиационной устойчивостью и коррозионной стойкостью.

При решении данной задачи возможно получение нового технического результата, заключающегося в повышении эффективности поглощения нейтронов при одновременном предотвращении возможности фазовых превращений при эксплуатации в органах регулирования ядерных реакторов.

Указанный технический результат достигается тем, что в нейтронопоглощающем материале, преимущественно для органов регулирования ядерного реактора, содержащем диспрозиевую основу, оксид титана, оксид ниобия и оксид циркония, в качестве диспрозиевой основы использован оксид диспрозия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид диспрозия - 70-85
Оксид титана - Остальное
Оксид ниобия - 2-7
Оксид циркония - 0,5-2
причем при содержании оксида диспрозия свыше 78 мас.%, содержание оксида ниобия составляет не менее 5 мас.%.

Отличительной особенностью описываемого материала является использование в качестве диспрозиевой основы оксида диспрозия, а также выбор массового содержания добавок для диапазона содержания оксида диспрозия. Повышение содержания оксида диспрозия выше 85 мас.% снижает коррозионную стойкость в воде при рабочих температурах и давлении в условиях эксплуатации. Уменьшение содержания оксида диспрозия менее 70% может привести к образованию свободной фазы окиси титана, что снижает радиационную стойкость нейтронопоглощающего материала.

Нижний предел содержания оксида ниобия (2 мас.%) определен исходя из отсутствия его положительного влияния на кристаллическую структуру получаемого материала, а также на технологические параметры процесса синтеза материала методом высокочастотного индукционного плавления смеси исходных оксидов в холодном тигле. Верхний предел содержания оксида ниобия (7 мас.%) определен из необходимости получения однофазного материала, т.к. при более высоком содержании оксида ниобия в синтезируемом материале при любых соотношениях остальных компонентов образуется самостоятельная фаза ортониобата диспрозия, кристаллизующегося в моноклинной структуре, претерпевающей под воздействием радиационного облучения полиморфные превращения, вследствие чего радиационная и коррозионная стойкость снижаются ниже заданного значения.

При содержании оксида диспрозия более 78 мас.% содержание оксида ниобия не должно быть менее 5 мас.% поскольку введение оксида ниобия в этом случае способствует расширению границ областей гомогенности (твердых растворов) и диктуется необходимостью получения однофазного материала при повышенных величинах содержания оксида диспрозия.

При содержании в материале оксида циркония менее 0,5 мас.% отсутствует его влияние на коррозионную стойкость в условиях эксплуатации нейтронопоглощающего материала. При увеличении содержания оксида циркония более 2 мас.% возможно образование самостоятельной фазы цирконата диспрозия, имеющей кубическую структуру.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Нейтронопоглощающий материал синтезируют методом высокочастотного индукционного плавления смеси оксидов диспрозия, титана, ниобия и циркония в холодном тигле. Поскольку синтез материала происходит в расплаве, обеспечивается высокая однородность распределения в нем всех составляющих, а также практическое отсутствие непрореагировавших оксидов. Расплав после завершения синтеза охлаждают с высокой скоростью, что способствует сохранению гранецентрированной кубической структуры типа флюорита.

Ниже приведены примеры конкретного получения нейтронопоглощающего материала.

Пример 1. Готовят шихту из оксидов диспрозия (82 мас.%), титана (10 мас. %), ниобия (6 мас.%) и циркония (2 мас.%) в количестве 1 кг, которую перемешивают в течение 20 мин в шаровой мельнице при соотношении масс шаров и шихты 1: 2. Затем полученную смесь оксидов загружают в водоохлаждаемый медный тигель емкостью 2,5 л высокочастотной индукционной установки, например типа "Кристалл-401". Для стартового нагрева шихты используют стружку металлического титана, циркония или, что предпочтительнее, ниобия, т.к. при сгорании стружки металлического ниобия образуется более легкоплавкий оксид, что облегчает образование первичной ванны расплава. Стружку в количестве около 5% от массы шихты вводят в виде компактного комка в слой шихты. При включении установки металлическая стружка сгорает до оксида, образуя первичную ванную расплава, обладающего достаточно высокой электропроводностью. После расплавления введенной первоначально порции шихты исходных материалов постепенно вводят оставшуюся шихту. Получив окончательный расплав всей массы загруженной шихты, установку выключают и расплав начинает кристаллизоваться. В заключение полностью охлажденный слиток очищают от гарнисажного слоя и подвергают измельчению до порошка требуемой дисперсности.

Пример 2. Готовят шихту из оксидов диспрозия (80 мас.%), титана (13 мас. %), ниобия (5 мас.%) и циркония (2 мас.%) в количестве 2-3 кг, которую перемешивают в течение 20 мин в шаровой мельнице при соотношении масс шаров и шихты 1:2. Затем полученную смесь засыпают толщиной около 100 мм в холодный тигель емкостью 5 л. В слой шихты вводят стружку металлического ниобия в виде компактного комка. После пуска установки и образования первичной ванны расплава добавляют шихту порциями от 1 кг до 2 кг с перерывами от 3-х до 5-и мин для качественного проплавления всей массы шихты. Далее процесс завершают как в примере 1.

Таким образом, изготовленный вышеприведенным способом нейтронопоглощающий материал с указанными интервалами содержания его компонентов представляет собой однофазную керамическую композицию, имеющую кубическую структуру типа флюорита, которая обладает повышенной коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиационному воздействию. Материал не претерпевает полиморфных превращений под воздействием радиационного облучения, имеет повышенное содержание диспрозия и не имеет легколетучих компонент.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к поглощающим нейтроны материалам на основе редкоземельных элементов и может быть использовано в стержнях регулирования водоохлаждаемых реакторов. Нейтронопоглощающий материал содержит диспрозиевую основу, оксид титана, оксид ниобия и оксид циркония. В качестве диспрозиевой основы использован оксид диспрозия при следующем соотношении компонентов, мас. %: оксид диспрозия 70 - 85, оксид титана остальное, оксид ниобия 2 - 7, оксид циркония 0,5 - 2. При содержании оксида диспрозия свыше 78 мас.% содержание оксида ниобия составляет не менее 5 мас.%. В результате повышается эффективность поглощения нейтронов и снижается возможность фазовых превращений материала.

Нейтронопоглощающий материал, преимущественно для органов регулирования ядерного реактора, содержащий диспрозиевую основу, оксид титана, оксид ниобия и оксид циркония, отличающийся тем, что в качестве диспрозиевой основы использован оксид диспрозия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид диспрозия - 70 - 85
Оксид титана - Остальное
Оксид ниобия - 2 - 7
Оксид циркония - 0,5 - 2
причем при содержании оксида диспрозия свыше 78 мас.% содержание оксида ниобия составляет не менее 5 мас.%.