МИКРОТВЭЛ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2008 года по МПК G21C3/28 G21C3/62 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микротвэлам ядерного реактора.

Микротвэл (МТ) ядерного реактора - это топливная микросфера (ТМ) из ядерного материала со слоями защитного покрытия (Беденг Д. Газоохлаждаемые высокотемпературные реакторы. Пер. с нем., М.: Атомиздат, 1975, 224 с).

Защитные покрытия микротвэлов ядерного реактора (пироуглерод-РуС и карбид кремния SiC) выполняют многоцелевые функции:

- удержание газообразных и твердых продуктов деления в пределах микротвэла, снижая, таким образом, стоимость защиты и эксплуатации конструкций, находящихся вне активной зоны реактора и обеспечивая возможность использования теплоносителя (гелия) без промежуточного теплообменника для выработки электрической мощности, например, по газотурбинному циклу;

- компенсация несоответствия в коэффициентах линейного термического расширения материала топливной микросферы и высокоплотных слоев покрытия;

- защита топливного материала и силового карбидокремниевого слоя от охрупчивания, коррозии в теплоносителе или от примесей, особенно, металлических в материале твэла;

- создание «свободного» объема для локализации газообразных продуктов деления в пределах частицы в ходе облучения - эту функцию выполняет буферный пироуглерод (первый от топливной микросферы защитный высокопористый слой).

Толщины покрытий микротвэлов оптимизируются применительно к конкретным условиям работы реактора.

Таким образом, в процессе облучения каждый из защитных слоев микротвэла ядерного реактора взаимосогласованно противодействует выходу газообразных (ГПД) и твердых продуктов деления (ТПД) за пределы частицы: высокопористый РуС защищает высоплотный РуС от прямой бомбардировки ядрами отдачи и локализует газообразные продукты деления; внутренний высокоплотный РуС является первым диффузионным барьером по отношению к газообразным и твердым продуктам деления, одновременно защищая SiC от коррозионного воздействия на него ТПД; в силу своих превосходных физико-механических и теплофизических характеристик SiC является основными силовым слоем МТ и диффузионным барьером по отношению, прежде всего, ТПД.

Целостность многослойного покрытия МТ в процессе облучения зависит, в первую очередь, от степени структурных изменений пироуглерода. Поведение РуС покрытий при облучении быстрыми нейтронами во многом аналогично поведению других углеграфитовых материалов: анизотропия свойств приводит к различным размерным изменениям в зависимости от направления осей кристаллографической ориентации (Baier J. Über den Einflüss des schnellen Neutrzonenflüssen auf das mechanische Verhalten Beschichteter Drennstoffteilchen in HTR: Jül. - 1038, Jülich, 1974).

В направлении, параллельном плоскости осаждения РуС, происходит значительная усадка, зависящая от температуры облучения и исходной плотности материала. В направлении, перпендикулярном плоскости осаждения, происходит первоначальная усадка, которая с увеличением флюенса нейтронов переходит в распухание.

Степень размерной стабильности РуС связана с изотропностью материала. Анизотропия радиационно-размерных изменений под облучением приводит к росту напряжений в РуС. В результате, в точке, расположенной на внутренней стороне РуС, где развиваются максимальные напряжения, появятся трещины. Помимо нарушения взаимосогласованного осуществования системы слоев покрытий МТ, образующиеся копьевидные усадочные трещины, открывают прямой доступ к основному силовому слою конструкции МТ-SiC монооксида углерода (СО) и твердых продуктов деления, лимитирующих его целостность за счет коррозии.

Карбид кремния при температурах эксплуатации 1000°С и более является превосходным диффузионным барьером по отношению к большинству ГПД и ТПД, обладает высокой прочностью и теплопроводностью, в существенно меньшей степени, чем РуС подвержен радиационным размерным изменениям (Price R.J. Properties of silicon carbide for nuclear fuel particle coatings. - Nuclear technology, vol.35, №2, p.320-336).

Известен микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу на основе UO₂ и многослойное защитное покрытие, в котором первый от топливной микросферы слой выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой - из карбида циркония, четвертый слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода (Minato К., Ogawa Т., Fukuda К. Fission products Release from ZrC coated particles during post-irradiation heating at 1600°C. - J, of Nucl. Mater., vol.224, №2 (1995), p.85-92).

Недостатком указанного микротвэла является низкая радиационно-химическая стойкость ZrC слоя по отношению к таким продуктам деления, как Cs, Sr, Ba, Fe, Co, Ni, Cr, a также СО. Наиболее существенно это проявляется на стадии глубокого выгорания топлива в условиях градиента температур в пределах микротвэла. Повреждаемость ZrC слоя происходит также из-за химического воздействия снаружи диффундирующими через наружный пироуглерод Si, Cr, Fe, Mn, Ni, являющимися примесями матричной углеграфитовой композиции на стадии прессования твэлов на основе микротвэлов.

Известен микротвэл ядерного реактора с BISO или TRISO покрытием, в состав (Th, U)O₂ или UO₂ топливной микросферы которого введено 5 вес.% алюмосиликатной добавки в виде Al₂О₃+SiO₂. Целью ведения алюмосиликатной добавки является уменьшение выхода твердых продуктов деления за пределы топливной микросферы (Förthmann R. Irradiation performance of coated fuel particles with fission product retaining kernel additives. - Nuclear Thechnology, vol.56, Jan. 1982, p.81-92).

Недостатком указанного микротвэла является то, что введенная добавка алюмосиликата оказалась эффективной для удержания только Sr, Zr, Mo и частично Cs, в то время как часть Cs, полностью Ва, Sm, Eu, Ru, Fe, Ni, Co, Cr, Ag выходили за пределы топливной микросферы и диффундировали через пироуглеродные покрытия (BISO), а при достижении SiC слоя (TRISO) вызывали его повреждение.

Наиболее близким аналогом-прототипом предложенному техническому решению является микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу на основе UO₂ и многослойное защитное покрытие, в котором первый от топливной микросферы слой выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой - из карбида кремния, четвертый слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода (Mehner A.W., Heit W., Rölling К., Radoss H. and Müller H. Spherical fuel elements for advanced HTR manufacture and qualification by irradiation testing. - J. of Nucl. Mater., v.171 (1990), p.9-18.

Недостатком указанного микротвэла является повреждаемость карбидокремниевого слоя, особенно, на стадии высокого выгорания топлива или при высокотемпературной (1800-1900°С) обработке твэлов на основе МТ металлическими примесями из углеграфитовой матрицы твэла.

Повреждаемость SiC слоя при облучении обусловлена следующими физико-химическими превращениями.

Образующийся в процессе деления UO₂ кислород после выхода из топливной микросферы реагирует с атомами кислорода первого слоя с образованием СО. Последний в местах выхода к SiC взаимодействует с образованием оксикарбидных фаз состава SiC_xO_y, локализующихся преимущественно по границам зерен SiC. Под действием нейтронного облучения в гетерогенной композиции SiC-SiC_xO_y протекают процессы накопления радиационных дефектов, приводящие к радиационно-размерным изменениям в этом слое. По мере выгорания топлива протекают процессы накопления как газообразных, так и твердых продуктов деления. Начиная с 3% выгорания топлива возрастает и выход из топливной микросферы таких высокоподвижных изотопов, как ¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs, ⁹⁰Sr, ^110mAg, ¹²⁹I, так и реакционноспособных по отношению к SiC нуклидов ⁸⁷Rb, ¹¹⁵In, ¹⁴²Се, ¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁷Sm, ¹³⁸Ва, ⁹³Zr и стабильных изотопов Pd, Fe, Ni, Cr и др. (Verfondern К., Shek W., Nabielek H. Passive safety characteristics of fuel for a modular high-temperature Reactor and fuel performance modeling under accident conditions. - Nuclear Technology, Vol.91, Aug. 1990, p.235-246), которые с композицией SiC-SiC_xO_y образуют, например, структуры типа BaSiO₃, SrZrO₃·SiO₂, Cs₂Cr₂O₄, или структуры типа муллит (=Fe₆Si₂O₁₃). Известно, что под облучением силикатные структуры подвержены анизотропным размерным изменениям, что приводит к образованию дополнительных напряжений в SiC слое.

Релаксация напряжений выражается в образовании сквозных трещин в SiC слое и выходе продуктов деления за пределы микротвэла. Это ограничивает ресурс эксплуатации микротвэлов (глубины выгорания топлива).

Перед авторами предложенного технического решения стояла задача повышения ресурса эксплуатации (глубины выгорания топлива) микротвэлов за счет повышения коррозионной стойкости силового карбидокремниевого слоя.

Поставленная задача решается тем, что в микротвэле ядерного реактора, содержащем топливную микросферу и многослойное защитное покрытие, в котором между вторым (высокоплотным изотропным пироуглеродом) и третьим (карбидом кремния), третьим и четвертым (высокоплотным изотропным пироуглеродом) слоями микротвэл дополнительно содержит слои из титано-кремнистого карбида состава Ti₃SiC₂.

Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом заключается в следующем, микротвэл ядерного реактора, выполненный в виде топливной микросферы с шестислойным покрытием, при этом первый от топливной микросферы слой выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой - из титано-кремнистого карбида, четвертый слой - из карбида кремния, пятый слой - из титано-кремнистого карбида, шестой слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода.

Каждый из слоев предложенного микротвэла ядерного реактора выполняет следующие функции:

- первый слой из пироуглерода низкой плотности создает «свободный» объем для локализации ГПД;

- второй высокоплотный изотропный пироуглерод является диффузионным барьером для ГПД;

- третий слой из титано-кремнистого карбида является геттером для ТПД и СО и защищает SiC слой от их коррозионного воздействия;

- четвертый слой из SiC является основным силовым слоем, противостоящим высокому внутреннему давлению ГПД, и слоем, противостоящим высокому внутреннему давлению ГПД, и диффузионным барьером для ТПД;

- пятый слой из титано-кремнистого карбида является геттером для металлических примесей из углеграфитовой матрицы твэла и защищает SiC-слой от их коррозионного воздействия;

- шестой слой из высокоплотного изотропного пироуглерода защищает хрупкие слои SiC и Ti₃SiC₂ от внешних механических воздействий.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. Согласно аналогу-прототипу образующийся в результате ядерных превращений кислород реагирует с пироуглеродом с образованием СО. Диффундируя через дефекты в пироуглеродном покрытии СО вступает в химическое взаимодействие с титано-кремнистым карбидом, образуя оксикарбидные фазы внедрения в гексанальную кристаллическую решетку материала, в котором три упакованных слоя атомов титана чередуются с одним слоем атомов кремния, а атомы углерода занимают октаэдрические поры между атомами титана. Поскольку в Ti₃SiC₂ существуют два типа межатомной связи: жестконаправленная ковалентная Ti-C и металлическая Ti-Si, а силы связи атомов Si между собой и с атомами Ti намного меньше сил связи Ti-C, взаимодействие Ti₃SiC₂ с СО не приводит к образованию дополнительных газообразных продуктов. Учитывая слоистый характер элементарной ячейки Ti₃SiC₂ (а=0,30665 нм и с=1,767 нм, т.е. большое отношение осей с/а=5,76) важным обстоятельством является также и то, что поглощение СО не сопровождается существенными линейными или объемными изменениями слоя титано-кремнистого карбида.

Пример осуществления предлагаемого технического решения. Шестислойное защитное покрытие на топливные микросферы из диоксида урана диаметром 500 мкм последовательно осаждают в кипящем слое:

- пироуглерод низкой плотности (температура пиролиза (Т)=-1450°С, концентрация С₂Н₂ в смеси с аргоном 60 об.%; суммарный расход газовой смеси (G)=1500 л/ч);

- высокоплотный изотропный пироуглерод - Т=1300°С, концентрация С₃Н₆ в смеси с аргоном 30 об.%; суммарный расход газовой смеси G=1400 л/ч;

- титано-кремнистый карбид - Т=1350°С, концентрация TiCl₄ 3,0 об.% (носитель TiCl₄ аргон); концентрация SiCl₄ - 1,0 об.%, концентрация CH₄ - 2,0 об.%; G аргона = 600 л/ч, G водорода = 900 л/ч;

- карбид кремния - Т=1550°С; концентрация СН₃SiCl₃ - 1,0 об.%, G водорода = 1500 л/ч;

- пятый слой титано-кремнистого карбида осаждают по режиму предыдущего (третьего) слоя;

- шестой слой высокоплотного изотропного пироуглерода осаждают по режиму предыдущего (второго) слоя.

В таблице приведено сопоставление эксплуатационных характеристик известного микротвэла ядерного реактора с микротвэлом по предложенному техническому решению.

ТаблицаСопоставление ресурса эксплуатации известного микротвэла с заявляемым микротвэлом.ПараметрМикротвэлИзвестныйПредложенныйОграничение по величине флюенса быстрых нейтронов(2,0-4,0)·10²¹до (1,0-2,0)·10²²Максимально допустимая температура эксплуатации топлива до начала разгерметизации покрытий, °С900-11001350-1400Глубина выгорания топлива на момент разгерметизации покрытий, % т.ат.10¹⁾-15²⁾15¹⁾-20²⁾Примечание.1) Глубина выгорания топлива 10 и 15% т.ат. связана с температурой эксплуатаци (облучения) 1100 и 1400°С соответственно;2) глубина выгорания топлива 15 и 20% т.ат. связана с температурой эксплуатаци (облучения) 900 и 1350°С.

Как следует из приведенных в таблице данных, предложенный микротвэл ядерного реактора обеспечивает повышенный ресурс эксплуатации за счет большей радиационно-химической стойкости покрытий.

Изобретение относится к области ядерной энергии, в частности к микротвэлам ядерного реактора. Первый слой микротвэла с шестислойным покрытием выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй - из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий - из титана-кремнистого карбида состава Ti₃SiC₂, четвертый - из карбида кремния, пятый - из титана-кремнистого карбида состава Ti₃SiC₂, шестой - из высокоплотного изотропного пироуглерода. Изобретение позволяет повысить ресурс эксплуатации (глубины выгорания топлива) за счет уменьшения повреждаемости карбидокремниевого слоя на стадии его эксплуатации. 1 табл.

Микротвэл ядерного реактора, включающий топливную микросферу и многослойное защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на микросферу слоев пироуглерода низкой плотности, высокоплотного изотропного пироуглерода, карбида кремния и внешнего слоя высокоплотного изотропного пироуглерода, отличающийся тем, что микротвэл между слоем высокоплотного изотропного пироуглерода и слоем карбида кремния, а также между внешним слоем изотропного пироуглерода и слоем карбида кремния содержит слои титано-кремнистого карбида состава Ti₃SiC₂.