ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2007 года по МПК G21C3/58 G21C3/42 G21C21/02 

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к конструкции топливного элемента исследовательского ядерного реактора. Такие топливные элементы предназначены для размещения в алюминиевой матрице сердечника тепловыделяющего элемента.

2. Уровень техники.

Известен топливный элемент исследовательского ядерного реактора, выполненный в виде сферической частицы из диоксида урана, предназначенной для размещения в алюминиевой матрице. (см., например, А.С.Займовский, В.В.Калашников, И.С.Головин, "Тепловыделяющие элементы атомных реакторов", Госатомиздат, Москва, 1962, с.254).

Такой топливный элемент не позволяет обеспечить в композиции твэла, при принятой технологии изготовления, концентрацию урана более 4,5 г/см³, что затрудняет решить проблему снижения обогащения по ²³⁵U до 19,5% в исследовательских реакторах.

С предлагаемым техническим решением этот топливный элемент совпадает по следующим существенным признакам:

- сферическая топливная частица,

- частица предназначена для размещения в алюминиевой матрице.

Известен также топливный элемент исследовательского ядерного реактора, выполненный в виде уран-молибденовой сферической частицы размером 50-200 мкм, предназначенной для размещения в алюминиевой матрице (см., например, М.И.Солонин, А.В.Ватутин и др., "Разработка способа измельчения высокоплотного топлива для исследовательских реакторов", "Избранные труды ВНИИНМ", т.1, Москва, 2002, с.201-203).

Недостатком такого топливного элемента является, прежде всего, образование на границе между уран-молибденовой частицей и матрицей продуктов взаимодействия, имеющих меньшую плотность, чем взаимодействующие материалы, что, наряду с повышенным газовыделением, приводит к значительным локальным формоизменениям твэла. Кроме того, вбитые в матрицу на глубину примерно 13 мкм продукты деления, диффузно распространяются в ней и, следовательно, увеличивают вероятность загрязнения теплоносителя при разгерметизации твэла.

С предлагаемым техническим решением этот топливный элемент совпадает по следующим существенным признакам:

- сферическая топливная частица,

- частица выполнена из уран-молибденового сплава,

- частица предназначена для размещения в алюминиевой матрице,

- размер частицы 50-200 мкм.

По совокупности существенных признаков последний топливный элемент наиболее близок к заявляемому устройству и выбран в качестве прототипа.

3. Сущность изобретения

Предлагаемый топливный элемент исследовательского ядерного реактора выполнен в виде уран-молибденовой сферической частицы размером 50-200 мкм, предназначенной для размещения в алюминиевой матрице, на которую нанесено покрытие из циркония толщиной 3-5 мкм.

От прототипа это устройство отличается тем, что на частицу нанесено покрытие из циркония толщиной 3-5 мкм.

Указанное отличие обеспечивает совместимость уран-молибденового топлива с алюминиевой матрицей, что позволяет достигнуть большего выгорания без формоизменения твэла.

В развитие заявляемого топливного элемента предлагается топливный элемент, в котором на топливную частицу с циркониевым покрытием нанесено покрытие из алюминия. Такое решение повышает выход годных твэлов за счет дистанционирования топливных частиц и снижения вероятности их непосредственного контакта при прессовании топливной композиции.

В развитие заявляемой конструкции предлагается топливный элемент, в котором на покрытии из циркония или между покрытиями из циркония и алюминия сформировано покрытие из интерметаллида ZrAl₃ толщиной 8-10 мкм. Введение этого покрытия позволяет локализовать в нем продукты деления, выделяющиеся из уран-молибденового топлива, поскольку их подвижность в указанном интерметаллиде (температура плавления 1560°С) существенно ниже их подвижности в алюминии (температура плавления 660°С).

Также в развитие заявляемой конструкции предлагается топливный элемент, в котором, наряду с введением покрытия из интерметаллида ZrAl₃, между покрытиями из интерметаллида ZrAl₃ и циркония сформирован буферный слой из интерметаллидов Zr_nAl_m системы Zr-Al, где n≥2, m≠3. Введение буферного слоя из более прочных, нежели ZrAl₃, интерметаллидов, позволяет увеличить в топливной частице сжимающие напряжения и тем уменьшить распухание.

В дальнейшее развитие всех заявляемых конструкций предлагается топливный элемент, в котором топливные частицы имеют размер 100-150 мкм и выполнены с пористостью Р[%]=(1,1-1,3)В[%], где В[%] - заданное выгорание тяжелых атомов.

Выбор указанных размеров топливных частиц и их пористости обеспечивает повышение геометрической стабильности твэла за счет компенсации "твердого" расширения ядерного топлива его пористостью.

4. Перечень фигур

Фиг.1. - Чертеж топливного элемента исследовательского ядерного реактора:

1 - уран-молибденовая сферическая частица;

2 - покрытие из циркония;

3 - покрытие из алюминия;

4 - покрытие из интерметаллида ZrAl₃;

5 - буферный слой из Zr_nAl_m системы Zr-Al, где n≥2, m≠3.

Фиг.2. - Шлиф топливного элемента:

1 - сферическая уран-молибденовая частица;

2 - покрытие из циркония.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Возможность осуществления изобретения проиллюстрируем конкретным примером. На фиг.1 приведен чертеж топливного элемента исследовательского ядерного реактора, состоящего из уран-молибденовой сферической частицы 1 размером в диапазоне 100-150 мкм, покрытия из циркония 2 толщиной 3-5 мкм, покрытия из алюминия 3, покрытие 4 из интерметаллида ZrAl₃ толщиной 8-10 мкм и буферного слоя 5 из Zr_nAl_m системы Zr-Al, где n≥2, m≠3.

Все покрытия наносятся и формируются при вакуумном магнетронном распылении соответствующих мишеней. В качестве примера на фиг.2 показан шлиф сферической уран-молибденовой частицы 1 с нанесенным покрытием 2 из циркония.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к конструкции топливного элемента исследовательского ядерного реактора. Топливный элемент исследовательского ядерного реактора выполнен в виде уран-молибденовой сферической частицы размером 50-200 мкм с покрытием из циркония толщиной 3-5 мкм. Он предназначен для размещения в алюминиевой матрице. На топливный элемент нанесено внешнее покрытие из алюминия. Изобретение повышает выход годных твэлов за счет дистанционирования топливных частиц и снижения вероятности их непосредственного контакта при прессовании топливной композиции. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Топливный элемент исследовательского ядерного реактора, выполненный в виде уран-молибденовой сферической частицы размером 50-200 мкм с покрытием из циркония толщиной 3-5 мкм и предназначенный для размещения в алюминиевой матрице, отличающийся тем, что на топливный элемент нанесено внешнее покрытие из алюминия.2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что между циркониевым покрытием и внешним покрытием сформировано покрытие из интерметаллида ZrAl₃ толщиной 8-10 мкм.3. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что между покрытиями из интерметаллида ZrAl_з и циркония сформирован буферный слой из интерметаллидов Zr_nAl_m системы Zr-Al, где n≥2, m≠3.4. Топливный элемент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что топливные частицы имеют размер 100-150 мкм и выполнены с пористостью Р[%]=(1,1-1,3)В[%], где В[%] - заданное выгорание тяжелых атомов.