СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ НА ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОБОЛОЧКИ ТОПЛИВНОГО СТЕРЖНЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА И ТОПЛИВНЫЙ СТЕРЖЕНЬ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, ОБЛАДАЮЩИЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ, СФОРМИРОВАННОЙ НА ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЕГО ОБОЛОЧКИ Российский патент 2013 года по МПК G21C3/08 

Область техники

Данное изобретение относится к способу обработки поверхности оболочки топливных стержней ядерного реактора.

Уровень техники

Цирконий, имеющий температуру плавления 1852°С и являющийся химически стабильным, обладает высокой стойкостью к внешней коррозии. Таким образом, цирконий, циркалой или оксид циркония применяют для продукции или изделий, которые не должны подвергаться коррозии, например, для оболочки, покрывающей топливный стержень в ядерном реакторе, противопригарной керамической кухонной утвари, инструментов, применяемых для обработки химических лекарственных средств и т.п.

Между тем, ядерное топливо покрывают пленкой алюминиевого или магниевого покрытия, чтобы предотвратить смешивание с охлаждающей средой и попадание во внешнюю среду ядерных отходов, полученных в ходе ядерного распада. В случае ядерных реакторов с водяным охлаждением никзообогащенный порошок диоксида урана (UO₂) спекают с образованием цилиндрической таблетки, имеющей диаметр 2 см, и высоту 2 см и получают темно-коричневую таблетку, которую затем помещают в тонкую металлическую трубку, имеющую толщину 3 мм, плакированную (или покрытую) циркалоем, который обладает хорошей коррозионной стойкостью к высокотемпературной охлаждающей воде, а затем оба конца металлической трубки герметизируют.

Обычно от десятков до сотен таких металлических трубок объединяют с образованием тепловыделяющей сборки (или пучка), и такую тепловыделяющую сборку применяют в виде блока. Ядерный реактор содержит сотни таких сборок. Трубку-оболочку изготавливают так, чтобы она имела толщину порядка 1 мм или менее, чтобы облегчить теплопроводность. В ходе ядерного распада температура в центре топливной таблетки составляет примерно 200°С, температура поверхности топливной таблетки составляет 600°С, а температуры внутренней поверхности и внешней поверхности топливного стержня ядерного реактора составляют 400°С и 300°С соответственно.

Таким образом, если топливный стержень под действием высокой температуры разрушается, может произойти утечка продуктов ядерного распада, что потенциально вызывает серьезные проблемы, поэтому существует потребность в повышении стабильности.

Данное изобретение обеспечивает способ формирования шероховатости на внешней поверхности оболочки, содержащей цирконий, с обеспечением ее гидрофильности, чтобы таким образом улучшить стабильность топливного стержня, применяемого в ядерных реакторах.

Воплощение данного изобретения обеспечивает способ формирования шероховатости на внешней поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора, содержащей цирконий, включающий помещение оболочки топливного стержня ядерного реактора на первый электрод и соединение его с положительным полюсом, и помещение электропроводной пластины на второй электрод, и соединение его с отрицательным полюсом; помещение оболочки топливного стержня ядерного реактора в раствор электролита и подачу напряжения на положительный электрод и на отрицательный электрод, чтобы вызвать окисление на внешней поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора.

Температуру раствора электролита можно поддерживать на уровне 10°С или ниже. Способ можно осуществлять, поддерживая температуру раствора электролита от 0°С до 10°С.

Раствор электролита может представлять собой 0,01% мас. - 1,0% мас. раствор плавиковой кислоты (HF). Напряжение, приложенное к положительному электроду и к отрицательному электроду в ходе осуществления способа, может составлять от 20 В до 40 В.

Время приложения напряжения к положительному и отрицательному электроду при осуществлении данного способа может составлять от 10 до 30 мин.

Согласно воплощению данного изобретения, в способе формирования шероховатости на внешней стороне оболочки топливного стержня ядерного реактора, содержащей цирконий, на внешней поверхности циркония и циркалоя может быть посредством анодирования сформирована гидрофильная оксидная пленка, имеющая тонкодисперсную структуру, при этом анодирование обходится дешевле по сравнению с таким способом, как применение микроэлектромеханических систем (MEMS) или т.п.

Кроме того, поскольку с помощью анодирования можно обработать даже большую искривленную поверхность, легко можно обработать поверхность, имеющую цилиндрическую форму, такую как у топливного стержня ядерного реактора, для придания ей гидрофильности.

Также, поскольку оболочку топливного стержня ядерного реактора формируют с обеспечением ее гидрофильности, можно уменьшить угол контакта по отношению к жидкости, чтобы увеличить эффективность теплопереноса, и, таким образом, можно повысить эффективность ядерной энергоустановки.

Описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение топливного стержня ядерного реактора, входящего в состав тепловыделяющей сборки, применяемой в ядерных реакторах.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение тепловыделяющей сборки, применяемой в ядерных реакторах.

Фиг.3 представляет собой полученную с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) микрофотографию с увеличением 10000, изображающую внешнюю поверхность циркалоя, обработанного анодированием по способу в соответствии с первым воплощением данного изобретения.

Фиг.4 представляет собой полученную с помощью СЭМ микрофотографию с увеличением 80000, изображающую внешнюю поверхность циркалоя, обработанного анодированием по способу в соответствии с первым воплощения данного изобретения.

Фиг.5 представляет собой полученную с помощью СЭМ микрофотографию с увеличением 80000, изображающую внешнюю поверхность циркалоя, обработанного анодированием по способу в соответствии со вторым воплощением данного изобретения.

Фиг.6 представляет собой полученную с помощью СЭМ микрофотографию с увеличением 80000, изображающую внешнюю поверхность циркалоя, обработанного анодированием по способу в соответствии с третьим воплощением данного изобретения.

Фиг.7 представляет собой полученную с помощью СЭМ микрофотографию с увеличением 10000, изображающую внешнюю поверхность циркалоя, не обработанного анодированием (сравнительный пример 1).

Фиг.8 представляет собой полученную с помощью СЭМ микрофотографию с увеличением 80000, изображающую внешнюю поверхность циркалоя, обработанного анодированием в условиях сравнительного примера 2.

Фиг.9 представляет собой полученную с помощью СЭМ микрофотографию с увеличением 80000, изображающую внешнюю поверхность циркалоя, обработанного анодированием в условиях сравнительного примера 3.

Фиг.10 представляет собой фотографию, показывающую измерение угла контакта на внешней поверхности циркалоя в соответствии со сравнительным примером 1.

Фиг.11 представляет собой фотографию, изображающую измерение угла контакта на внешней поверхности циркалоя в соответствии с примером 1 по данному изобретению.

Далее подробно описаны воплощения данного изобретения, со ссылкой на сопровождающие чертежи, так что специалист сможет легко осуществить такие воплощения. Как понятно специалисту, описанные воплощения могут быть модифицированы различным образом в пределах сущности и объема данного изобретения. Чертежи и описание следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие. Одинаковые цифровые обозначения указывают на одинаковые элементы по всему описанию.

Согласно предшествующим исследованиям (см. Kandlikar S.G., 2001 "А Theoretical Model to Predict Pool Boiling CHF Incorporating Effects of Contact Angle and Orientation", Journal of Heat Transfer, Vol.123, pp.1071-1079), в нагревательном устройстве, работающем в режиме кипения, поскольку внешняя поверхность нагревателя близка к гидрофильности, величина критического удельного теплового потока (КТП) увеличивается (а именно, чем более гидрофильной является внешняя поверхность нагревателя, тем больше возрастает величина КТП). КТП относится к точке, начиная с которой температура внешней поверхности нагревателя резко возрастает, в то время как тепловой поток, идущий к жидкости, не увеличивается дополнительно, в состоянии, в котором тепловой поток повышают путем работы нагревателя. Если нагревание продолжается и переходит эту точку, нагреватель выходит из строя под действием тепла, так что в действительности, из соображений безопасности, тепловой двигатель работает на уровне, который ниже КТП.

Если величина КТП возрастает в результате модификации поверхности, поскольку тепловой двигатель может работать при более высокой температуре, энергетическую эффективность можно повысить в соответствии с принципом цикла Ренкина. К тому же, даже если фактическая рабочая температура не возрастает, можно также повысить стабильность и безопасность, поскольку разница между тепловым потоком и КТП становится больше.

Этот принцип можно применить для ядерных реакторов, чтобы сделать гидрофильной внешнюю поверхность оболочки топливного стержня, подвергаемую воздействию высокой температуры, чтобы таким образом повысить величину КТП и обеспечить высокую стабильность.

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение топливного стержня, входящего в состав тепловыделяющей сборки, применяемой в ядерных реакторах, а Фиг.2 представляет собой схематическое изображение тепловыделяющей сборки, применяемой в ядерных реакторах.

Топливные стержни 10, каждый из которых включает диоксид урана (UO₂), можно расположить по схеме 16×16 и закрепить дистанционирующими решетками 21 и 23, чтобы составить тепловыделяющую сборку 20 ядерного реактора. Топливный стержень 10 имеет цилиндрическую форму. В топливный стержень 10 уложены цилиндрические таблетки 12 и, чтобы предотвратить перемещение таблеток 12 в топливном стержне 10, с верхней стороны от таблеток можно вставить сжимающую пружину 15.

Оболочка 17, образующая внешнее покрытие топливного стержня 10 ядерного реактора, может быть изготовлена из циркалоя, сплава олова и циркония, полученного смешиванием с хромом и железом.

Между тем, чтобы сделать поверхность твердого тела гидрофильной, можно использовать способ изменения химических характеристик поверхности и способ изменения формы поверхности в микромасштабе или в наномасштабе, и в данном воплощении применяют способ изменения формы поверхности в микро- или наномасштабе.

А именно, в данном воплощении на внешней поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора можно сформировать микро/наномасштабную структуру при ускорении окисления на внешней поверхности оболочки электрохимическим способом, путем анодирования оболочки. Анодирование можно успешно проводить на большой поверхности, на искривленной поверхности или т.п., при низкой стоимости по сравнению с применением микроэлектромеханической системы (MEMS), которая нуждается в больших объемах посевных инвестиций, поскольку она по сути требует обеспечения чистых помещений и оборудования и в ней используют фотолитографию, которую вряд ли можно применять для большой площади или искривленной поверхности.

Чтобы осуществить анодирование внешней поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора, содержащей цирконий, во-первых, оболочку топливного стержня помещают на первый электрод и соединяют его с положительным полюсом, а электропроводную пластину помещают на второй электрод и соединяют его с отрицательным полюсом. В качестве электропроводной пластины, соединенной с отрицательным электродом, можно использовать электропроводную пластину, изготовленную из платины.

Оболочку топливного стержня, соединенную с положительным электродом, и электропроводную пластину, соединенную с отрицательным электродом, помещают в раствор электролита. В качестве раствора электролита можно использовать раствор фтористоводородной кислоты в диапазоне концентраций от 0,01% мас. до 1,0% мас. Если концентрация раствора фтористоводородной кислоты менее 0,01% мас., скорость окисления слишком мала, чтобы ее можно было применять на практике, а если концентрация фтористоводородной кислоты превышает 1,0% мас., окисленная пленка оболочки топливного стержня полностью отслаивается, создавая эффект электрополировки, так что невозможно получить гидрофильную поверхность.

После этого, когда подают напряжение на положительный и отрицательный электроды, начинается окисление от внешней поверхности оболочки топливного стержня.

В этом случае, чтобы вызвать окисление, температуру можно изменить, регулируя температуру внешней охлаждающей воды, и температуру раствора электролита можно поддерживать на уровне 10°С или ниже, и можно поддерживать температуру от 0°С до 10°С. Если температура раствора электролита ниже 0°С, скорость окисления слишком мала, чтобы применять ее на практике, а если температура раствора электролита выше 10°С, окисленная пленка оболочки топливного стержня отслаивается, без образования гидрофильной поверхности.

Также и напряжение, прилагаемое к положительному и отрицательному электродам, можно селективно подавать в диапазоне от 20 В до 40 В, а время приложения напряжения к положительному и отрицательному электроду может составлять от 10 до 30 мин. Если приложенное напряжение ниже 20 В, скорость окисления слишком мала, чтобы применять ее на практике, а если приложенное напряжение выше 40 В, окисленная пленка оболочки топливного стержня полностью отслаивается, создавая эффект электрополировки, так что невозможно получить гидрофильную поверхность. Если время реакции составляет менее 10 мин, смачиваемость внешней поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора является недостаточной, а если время реакции превышает 30 мин, окисленная пленка оболочки топливного стержня отслаивается, и гидрофильная поверхность не сможет образоваться.

Когда выполняют процесс анодирования на поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора, содержащей цирконий, внешняя поверхность оболочки обладает гидрофильностью, имея угол контакта приблизительно 10°. Угол контакта получают путем измерения угла между поверхностью капли и поверхностью твердого вещества, например металла или т.п., к которому прикреплена капля.

Примеры

Оболочку топливного стержня ядерного реактора, изготовленную из циркалоя, присоединили к положительному электроду, а к отрицательному электроду присоединили платиновую пластину, и провели анодирование с использованием раствора фтористоводородной кислоты (HF) в качестве раствора электролита. Анодирование проводили, изменяя концентрацию раствора электролита, температуру раствора электролита, приложенное напряжение и время реакции, как показано в нижеприведенной таблице 1.

Таблица 1 Классификация Раствор электролита Температура раствора электролита Приложенное напряжение Время реакции Угол контакта Пример 1 0,5% мас. HF 10°С 30 В 30 мин 8° Пример 2 0,5% мас. HF 10°С 30 В 20 мин 10° Пример 3 0,5% мас. HF 10°С 15 В 60 мин 12° Сравнительный пример 1 Анодирование не проводили 70° Сравнительный пример 2 0,5% мас. HF 25°С 5 В 20 мин 78° Сравнительный пример 3 0,1% мас. HF 25°С 5 В 30 мин -

А именно, в примерах 1-3 при проведении анодирования 0,5% мас. раствор фтористоводородной кислоты поддерживали при 10°С, приложенное напряжение изменяли до 30 В или 15 В, а время реакции устанавливали на 30 мин, 20 мин и 60 мин.

В сравнительном примере 1 анодирование не проводили, в то время как в сравнительных примерах 2 и 3 анодирование проводили в условиях, при которых температуру раствора электролита поддерживали при комнатной температуре (25°С), концентрация раствора фтористоводородной кислоты составляла 0,5% мас. и 0,1% мас., соответственно, приложенное напряжение составляло 5 В, а время реакции составляло 20 мин и 30 мин соответственно.

Результаты примера 1 показаны на Фиг.3 и 4, а результаты примеров 2 и 3 показаны на Фиг.5 и 6 соответственно. Результаты сравнительного примера 1 показаны на Фиг.7, а результаты сравнительных примеров 2 и 3 показаны на Фиг.8 и 9 соответственно.

По сравнению со сравнительным примером 1 (анодирование не проводили) было отмечено, что в примерах 1-3 на внешней стороне оболочки образуются микро/наноструктуры различного характера.

Также, при рассмотрении Фиг.8 и 9, в случае сравнительных примеров 2 и 3 отмечено, что окисленная пленка отслаивалась, и на ней не наблюдали какой-либо микро/наноструктуры, и показано, что внешняя поверхность оболочки имела вид, сходный со сравнительным примером 1, в котором анодирование не проводили. В частности, в случае сравнительного примера 3, из-за того, что окисленная пленка частично отслоилась, внешняя поверхность оболочки стала неоднородной, что сделало невозможным измерение угла контакта.

Что касается угла контакта на внешней поверхности оболочки в сравнительном примере 1 и угла контакта на внешней поверхности оболочки в примере 1, со ссылкой на Фиг.10 и 11, угол контакта, измеренный в сравнительном примере 1, составлял примерно 70°, в то время как в примере воплощения 1 он составлял примерно 8°, а в примерах 2 и 3, как было измерено, они составляли 10° и 12° соответственно.

Таким образом, было подтверждено, что внешняя поверхность оболочки топливного стержня ядерного реактора, содержащей цирконий, посредством анодирования была изменена таким образом, что она стала гидрофильной.

В то время как данное изобретение было описано в связи с практическими примерами реализации, следует понимать, что изобретение не ограничено описанными примерами, но, напротив, подразумевается, что оно охватывает различные модификации и эквивалентные исполнения, включенные в сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к способам обработки поверхности тепловыделяющих элементов ядерного реактора. Способ формирования мелких выступов на поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора включает следующие стадии: соединение с анодом путем помещения оболочки топливного стержня ядерного реактора на первый электрод и соединение с катодом путем помещения электропроводной пластины на второй электрод; погружение оболочки топливного стержня ядерного реактора в жидкий электролит и приложение напряжения к аноду и катоду, соответственно, таким образом обеспечивая протекание реакции окисления на поверхности топливного стержня ядерного реактора. Температуру жидкого электролита поддерживают ниже 10°. Технический результат - обеспечение гидрофильности оболочки топливного стержня. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

1. Способ формирования шероховатости на внешней поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора, содержащей цирконий, для модификации внешней поверхности оболочки, включающий:
помещение оболочки топливного стержня ядерного реактора на первый электрод и присоединение его к положительному полюсу, и помещение электропроводной пластины на второй электрод и присоединение его к отрицательному полюсу;
погружение оболочки топливного стержня ядерного реактора в раствор электролита, и
приложение напряжения к положительному электроду и к отрицательному электроду, чтобы вызвать окисление на внешней поверхности оболочки топливного стержня ядерного реактора,
в котором раствор электролита представляет собой 0,1 - 1,0 мас.% раствор фтористоводородной кислоты (HF).

2. Способ по п.1, в котором температуру раствора электролита поддерживают 10°С или ниже.

3. Способ по п.2, в котором температуру раствора электролита поддерживают от 0°С до 10°С.

4. Способ по п.1, в котором напряжение, приложенное к положительному электроду и к отрицательному электроду, составляет от 20 В до 40 В.

5. Способ по п.4, в котором время приложения напряжения к положительному электроду и к отрицательному электроду при осуществлении способа составляет от 10 до 30 мин.

6. Топливный стержень ядерного реактора, обладающий шероховатостью, сформированной на внешней поверхности его оболочки в соответствии со способом по любому из пп.1-5.