Таблетка ядерного керамического топлива с выгорающим поглотителем

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Изобретение относится к ядерной технике, а именно, конструкциям твэлов тепловых реакторов, преимущественно водно-графитовых.
Тепловые ядерные реакторы работают, как правило, на керамическом урандиоксидном топливе (UO2). Улучшение технико-экономических показателей работы АЭС и снижение стоимости электроэнергии происходит, в ча­стности, за счет совершенствования ядерного горючего.
Широко использующиеся в качестве ядерного горючего таблетки из UO2 с выгорающим поглотителем (ВП), в качестве которого применяются такие РЗЭ (редкоземельные элементы), как Gd, Er и т.п. содержат ВП, как правило, в виде твердого раствора соответствующего оксида в диоксиде урана. Наличие в таблетках ВП позволяет загружать в активную зону реактора большее количество 235U и более эффективно его сжигать.
Предлагаемая конструкция таблетки - композитная, т.е. представляет собой урандиоксидную матрицу, содержащую ВП в виде гранул, изолиро­ванных от матрицы пластичным слоем материала, с температурой плавления более 1500°С, толщиной 1÷5 мкм, одновременно представляющим собой диффузионный барьер. Гранулы ВП представляют собой керамические, сфе­рические (близкие к сферическим) частицы, размером 80÷300 мкм. По соста­ву гранулы ВП представляют собой: собственно оксиды РЗЭ - от 15 до 100 мас. %, остальное - UO2. Количество гранул в таблетке составляет 5÷15 об. %. Содержание оксидов Еr и Gd в композитной таблетке составляет 0,4÷15 мас. %.

Текст

Смотреть все

(51) 21 3/62 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(ВП),в качестве которого применяются такие РЗЭ(редкоземельные элементы), как ,и т.п. содержат ВП, как правило,в виде твердого раствора соответствующего оксида в диоксиде урана. Наличие в таблетках ВП позволяет загружать в активную зону реактора большее количество 235 и более эффективно его сжигать. Предлагаемая конструкция таблетки композитная,т.е. представляет собой урандиоксидную матрицу, содержащую ВП в виде гранул, изолированных от матрицы пластичным слоем материала, с температурой плавления более 1500 С, толщиной 15 мкм, одновременно представляющим собой диффузионный барьер. Гранулы ВП представляют собой керамические,сферические (близкие к сферическим) частицы,размером 80300 мкм. По составу гранулы ВП представляют собой собственно оксиды РЗЭ - от 15 до 100 мас. , остальное - 2. Количество гранул в таблетке составляет 515 об. . Содержание оксидов Е ив композитной таблетке составляет 0,415 мас. .(72) Маныч Антон Владимирович Русин Юрий Григорьевич Фотин Андрей Евгеньевич Ревуцкая Лариса Михайловна(73) Акционерное общество Ульбинский металлургический завод(54) ТАБЛЕТКА ЯДЕРНОГО КЕРАМИЧЕСКОГО ТОПЛИВА С ВЫГОРАЮЩИМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ(57) Изобретение относится к ядерной технике, а именно, конструкциям твэлов тепловых реакторов,преимущественно водно-графитовых. Тепловые ядерные реакторы работают, как правило, на керамическом урандиоксидном топливе(2). Улучшение технико-экономических показателей работы АЭС и снижение стоимости электроэнергии происходит, в частности, за счет совершенствования ядерного горючего. Широко использующиеся в качестве ядерного горючего таблетки из 2 с выгорающим 23591 Изобретение относится к ядерной технике, а именно, конструкциям твэлов тепловых реакторов,преимущественно водно-графитовых. Тепловые ядерные реакторы работают, как правило, на керамическом урандиоксидном топливе(2). Улучшение технико-экономических показателей работы АЭС и снижение стоимости электроэнергии происходит, в частности, за счет совершенствования ядерного горючего. Широко использующиеся в качестве ядерного горючего таблетки из 2 с выгорающим поглотителем(ВП),в качестве которого применяются такие РЗЭ как ,и т.п. содержат ВП, как правило, в виде твердого раствора соответствующего оксида в диоксиде урана. Наличие в таблетках ВП позволяет загружать в активную зону реактора большее количество 235 и более эффективно его сжигать (см. 1,2). Топливо такого вида имеет определенные недостатки. Во-первых,для изготовления качественного твердого раствора необходимо организовывать максимально однородное смешение исходных компонентов, и, затем, на операции спекания (при образовании такого раствора) необходимо контролировать и регулировать величину кислородного потенциала в атмосфере печи. В противном случае при охлаждении керамики до комнатной температуры происходит е разрушение,т.е. образование микрои макротрещин. Растрескивание происходит из-за неодинакового теплового расширения микрообъемов твердого раствора с различной концентрацией ВП в них. Во-вторых, при образовании твердого раствора происходит искажение первоначальной кристаллической решетки диоксида урана, что приводит к нарушению синхронности распространения тепловых волн в материале и, в итоге,к существенному снижению его теплопроводности. Из-за ухудшения отвода тепла из таблетки, приходится ограничивать обогащение таблеток по 235. Для устранения этих недостатков структура топлива может быть изменена. Выгорающий поглотитель может находиться в диоксиде урана в виде нерастворенных отдельных частиц. При этом частицы образуют дисперсную фазу,распределенную в матрице из диоксида урана. Если количество дисперсной фазы не превышает 10 объема таблетки, то это не сказывается на теплопроводности матрицы. Таким образом,матрица служит для отвода тепла. Такая двухкомпонентная конструкция топлива называется композитной. Теория и практика показывают, что композитная структура топлива не является стабильной. При спекании композитных таблеток они испытывают сильный кратковременный нагрев в итоге происходит взаимодиффузия вещества компонентов. При эксплуатации таблеток нагрев слабее,но он очень продолжительный. Нежелательное образование твердого раствора происходит в основном при изготовлении такого топлива. При этом формируется структура,2 обладающая всеми недостатками, присущими обычному топливу с ВП, и в этом случае применение композитной структуры становится неоправданным. Для исключения нежелательных процессов взаимодиффузии компоненты топлива должны быть изолированы друг от друга слоем материала, препятствующим этому процессу. Известны таблетки из низкообогащенного 2,используемые в качестве ядерного топлива в виде керамических цилиндрических таблеток 3. Недостатком данных таблеток является то, что они не могут быть использованы для проведения длительных кампаний работы реакторов, т.к. не обеспечивают необходимую высокую степень выгорания изотопа 235. Наиболее близким техническим решением(прототипом) для повышения эффективности работы топлива тепловых ядерных реакторов АЭС и улучшения технико-экономических показателей их работы,является решение,предполагающее введение в состав топливных таблеток выгорающего поглотителя, патент 2157568 С 1, МПК 21 С 3/02, 3/62 Таблетка ядерного топлива. Задачей указанного изобретения является разработка и создание таблетки ядерного топлива с улучшенными экономическими показателями,содержащей в качестве ВП эрбий. Эрбий присутствует в таблетке в виде твердого раствора. Наличие в таблетке необходимого количества эрбия(приходящегося на определенное количество 235) приводит к получению новых технических результатов,заключающихся в повышении выгорания топлива, уменьшении расхода ядерного топлива на единицу выработанной энергии, в уменьшении линейной нагрузки на твэлы. Такое ядерное топливо имеет ряд недостатков. Топливо, представляющее собой твердый раствор,имеет (в сравнении с чистым 2) более низкие теплофизические и механические свойства и, как следствие, ограничение по содержанию ВП и 235,имеет неоднородную зеренную и пористую структуру. Наибольшие ограничения по количеству ВП и 235 имеют керамические таблетки большого диаметра (например, 11.45 мм для РБМК). Сложность организации технологического процесса особенно велика при содержании ВП более 35 мас Увеличение содержания ВП в таблетке приводит, как правило, к развитию процесса образования трещин в структуре материала с одновременным уменьшением теплопроводности материала до минимума. Задачей настоящего изобретения является повышение теплопроводности материала таблеток,устранение процесса трещинообразования, улучшение микроструктуры таблеток,снятие существующих ограничений на содержание ВП в таблетках. Техническим результатом является создание в топливе композитной структуры, компоненты которой изолированы пластичным слоем материала,являющимся одновременно диффузионным барьером. 23591 Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известной таблетки, представляющей собой твердый раствор ВП в 2, предлагаемая композитная конструкция представляет собой урандиоксидную матрицу, содержащую ВП в виде гранул, изолированных от матрицы пластичным слоем материала с температурой плавления более 1500 С, толщиной 15 мкм, представляющим собой диффузионный барьер (см. фото). Поставленная задача решается следующим образом. Частицы ВП, представляющие собой Е- и-содержащий диоксид урана, изготавливают методом соосаждения либо механического смешения компонентов с последующей грануляцией и спеканием гранул. На гранулы наносится слой материала, функционально представляющего собой диффузионный барьер. Для обеспечения низких коэффициентов диффузии урана и ВП через барьер,нанесенный слой выполняется из высокотемпературного материала типа пироуглерода, молибдена (с пл.1500 С), т.е. атомы решетки которого имеют низкую подвижность при высоких температурах. Для предотвращения разрушения композита под действием внутренних механических напряжений нанесенный слой выполняется пластичным, т.е. способным нейтрализовать механические тепловые деформации, возникающие из-за разности температурных коэффициентов расширения материалов композита. Так как величина этих деформаций пропорциональна размеру гранул ВП, их максимальный диаметр ограничен. Если это значение принять равным 300 мкм, то при 100-содержании ВП в гранулах(максимум различия в температурных коэффициентах расширения) относительное изменение размеров на такой длине(при изменении температуры на 1000) будет находиться на уровне 0,1 мкм. Если принять, что допустимая деформация нанесенного слоя на порядок меньше его толщины, то для деформации 0,1 мкм достаточная толщина слоя будет составлять 1 мкм. Так как максимальная величина толщины слоя ограничена допустимым содержанием составляющего его вещества в топливе и зависит, в основном, от сечения захвата нейтронов, увеличение е до значений более 5 мкм (с целью уменьшения диффузии) нецелесообразно. При изменении температуры такого топлива его матрица будет защищена от разрушения, т.к. деформироваться будет материал разделяющего компоненты слоя. Выгорающий поглотитель в виде гранул с размерами не менее 80 мкм более эффективно экранирует топливо от нейтронов, что обеспечивает более продолжительное время выгорания и позволяет дополнительно увеличить длительность кампании 4. Таким образом, диаметр гранул ВП соответствует интервалу 80300 мкм для толщины наносимого слоя 15 мкм. Отсутствие в матрице трещин и примесей ВП обеспечивает ей теплопроводность, соответствующую диоксиду урана с плотностью 10.4010.70 г/см 3. Теплопроводность матрицы (в худшем случае, когда гранулы ВП не участвуют в теплопередаче) практически не зависит от наличия в ней гранул ВП при их объемном содержании, не превышающем 10 об Наличие на их поверхности металлического теплопроводящего слоя позволяет увеличить содержание гранул в матрице до величины 15 об С другой стороны, при 100-содержании ВП в гранулах, количество таких гранул в матрице может быть не более 5 об. (минимальный технологически приемлемый уровень). То есть, содержание гранул в матрице зависит от содержания ВП в гранулах. Например, при необходимости введения в топливо небольшого количества ВП (0.4 мас. Е 2 О 3 в топливо для РБМК), содержание ВП в гранулах может быть уменьшено до 1517 мас Отсюда, в соответствии с приведенными выше цифрами,общее количество введенного в композитное топливо ВП может находиться в пределах 0.415 мас Положительный эффект заключается в том, что такая конструкция, имея высокие теплопроводящие свойства и способность противостоять термическим деформациям, позволяет вводить в состав топливной таблетки большие количества ВП и 235,обеспечивая высокую эффективность эксплуатации топлива. Дополнительный положительный эффект проявляется в том, что наличие гадолиния в топливе(ВП в виде Е,-содержащих частиц при размерах частиц не менее 80 мкм) более эффективно экранирует топливо от нейтронов, имеет более продолжительное время выгорания, что позволяет дополнительно увеличить длительность кампании 4. Композитная конструкция топлива дает также возможность регулировать микроструктуру О 2 матрицы легированием. Пример осуществления 1. Частицы ВП, представляющие собой Е,содержащий диоксид урана, изготавливают методом соосаждения либо механического смешения компонентов с последующей грануляцией и спеканием гранул. На поверхность гранул нанесен слой металлического молибдена толщиной 2 мкм. Таблетка керамического композитного топлива состоит из теплопроводящей урандиоксидной матрицы (представляющей собой диоксид урана, с обогащением по 235 до 1012) плотностью 10.4010.70 г/см 3, содержащей ВП в виде сферических частиц (гранул) в количестве 510 об Количество гранул соответствует общему содержанию ВП в таблетке 8 мас Диаметр гранул ВП - 100125 мкм. Состав гранул 23 - 90 мол,Е 2 О 3 - 10 мол. 2. Частицы ВП, представляющие собой Е,содержащий диоксид урана, изготавливают методом соосаждения либо механического смешения компонентов с последующей грануляцией и спеканием гранул. На поверхность гранул нанесен слой металлического молибдена толщиной 1 мкм. Таблетка керамического композитного топлива состоит из теплопроводящей урандиоксидной матрицы (представляющей собой диоксид урана, с обогащением по 235 до 1012) плотностью 10.4010.70 г/см 3, содержащей ВП в виде сферических частиц (гранул) в количестве 1012 3 23591 об Количество гранул соответствует общему содержанию эрбия в таблетке 0.6 мас., гадолиния в таблетке 6 мас Диаметр гранул ВП - 125160 мкм. Состав гранул собственно ВП Е 2 О 3 - 6 мол., 23 - 60 мол., остальное - 2. Список литературы 1. Горский В.В Уран-гадолиниевое оксидное топливо ч.15. Атомная техника за рубежом,2 1989 г 9, 1990 г. 2. Горский В.В. Применение интегрированных с топливными таблетками выгорающих поглотителей вАтомная техника за рубежом 7, 2000 г. 3. Самойлов А.Г. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М. Энэргоатомиздат, 1985. 4. Поляков А.А., Стогов Ю.В., Белоусов Н.И. и др. Расчетно-экспериментальные исследования легководных решеток с композитным оксидным уран-гадолиниевым топливом. Материалы 11 семинара по проблемам физики реакторов. Москва,48 сентября 2000 г. Волга-2000. Московский государственный инженерно-физический институт ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Таблетка ядерного керамического топлива с выгорающим поглотителем, отличающаяся тем,что конструкция таблетки представляет собой урандиоксидную матрицу,содержащую выгорающий поглотитель (ВП) в виде гранул,изолированных от матрицы пластичным слоем материала, с температурой плавления более 1500 С,толщиной 15 мкм, представляющим собой диффузионный барьер. 2. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что гранулы ВП представляют собой керамические,близкие к сферическим частицы, размером 8300 мкм. 3. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что гранулы ВП по составу представляют собой собственно ВП Е 2 О 3 от 5 до 100 мол., 23 от 15 до 100 мол., остальное - 2. 4. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что количество гранул ВП в таблетке, составляет 5-45 об 5. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что общее содержание оксидов Е ив таблетке составляет 0,415 мас

МПК / Метки

МПК: G21C 3/62

Метки: ядерного, выгорающим, таблетка, керамического, поглотителем, топлива

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/4-ip23591-tabletka-yadernogo-keramicheskogo-topliva-s-vygorayushhim-poglotitelem.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Таблетка ядерного керамического топлива с выгорающим поглотителем</a>

Похожие патенты