CZ309725B6 - Palivové proutky jaderného paliva - Google Patents
Palivové proutky jaderného paliva Download PDFInfo
- Publication number
- CZ309725B6 CZ309725B6 CZ2016-370A CZ2016370A CZ309725B6 CZ 309725 B6 CZ309725 B6 CZ 309725B6 CZ 2016370 A CZ2016370 A CZ 2016370A CZ 309725 B6 CZ309725 B6 CZ 309725B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- layer
- boron
- polycrystalline diamond
- diamond
- diamond layer
- Prior art date
Links
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 57
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 57
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 55
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 230000001447 compensatory effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 4
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 8
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000001683 neutron diffraction Methods 0.000 description 3
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N Heavy water Chemical compound [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- OOAWCECZEHPMBX-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);uranium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[U+4] OOAWCECZEHPMBX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N uranium dioxide Inorganic materials O=[U]=O FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052778 Plutonium Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000270295 Serpentes Species 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N plutonium atom Chemical compound [Pu] OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
- G21C3/07—Casings; Jackets characterised by their material, e.g. alloys
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21D—NUCLEAR POWER PLANT
- G21D1/00—Details of nuclear power plant
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Palivové proutky jaderného paliva jsou pokryté ochranně kompenzační povrchovou vrstvou s funkcí bórového vyhořívajícího absorbátoru. Atomy bóru jsou ve vrstvě zabudovány do krystalických zrn polykrystalické diamantové vrstvy o tloušťce 50 nm až 50 μm s maximálním obsahem nediamantového uhlíku do 25 mol. %. Polykrystalická diamantová vrstva má na svém povrchu krystalická zrna o velikosti 50 až 500 nm a povrchová drsnost polykrystalické diamantové vrstvy má hodnotu RMS drsnosti do 80 nm a celkový obsah izotopů bóru B10 a B11 je v této vrstvě dohromady mezi 1 až 10 at. %.
Description
Palivové proutky jaderného paliva
Oblast techniky
Předkládané řešení se týká povrchové úpravy proutků jaderného paliva.
Dosavadní stav techniky
K oddělení jaderného paliva, pelet oxidu uraničitého, a chladicí vody v primárním okruhu jaderných reaktorů se používají tenkostěnné trubky ze zirkoniových slitin, což je podrobněji popsáno například ve spisu J.R. Lamarsh, A.J. Baratta, Introduction to Nuclear Engineering, 3rd Edition, New Jersey: Prentice Hall, 1989. ISBN 0-201-82498-1. Zirkonium má nízký účinný absorpční průřez, a proto neinteraguje s velkou hustotou neutronového toku uvnitř reaktoru. Zirkoniové slitiny mají vhodné mechanické vlastnosti a jsou dostatečně odolné vůči chemickému prostředí uvnitř reaktoru a jako druhá bariéra plní důležitou funkci v zabraňování úniku radiotoxických látek z paliva do prostředí jaderného reaktoru. Vlivem parazitní absorpce neutronů na štěpných troskách je třeba zavézt jaderné palivo na počátku kampaně s přebytkem reaktivity. Tento přebytek, který v průběhu kampaně klesá, je potřeba zpočátku kompenzovat, jak je popsáno například v literatuře: F. Hezoučký, P. Kaňkovký., J. Naňo, Základy teorie provozních režimů jaderných elektráren s tlakovodními reaktory. Praha: ČVUT, 1977. ISBN 80-01-03324-4, nebo v literatuře: F. Fendrych, A. Taylor, L. Peksa, I. Kratochvílová, J. Vlček, V. Řezáčová, V. Petrák, Z. Kluiber, L. Fekete, M. Liehr, M. Nesládek, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) 374018.
Ke kompenzaci přebytku reaktivity se používá například tzv. vyhořívajících absorbátorů, tedy látek pohlcujících přebytečné neutrony. Mezi nejčastěji používané vyhořívající absorbátory patří bor a gadolinium. Bór je v reaktoru buď ve formě tyčí z karbidu bóru, nebo ve formě kyseliny borité rozpuštěné ve vodě primárního okruhu. Vyhořívající absorbátory ve formě tyčí mají nevýhodu v nehomogenním rozmístění uvnitř aktivní zóny, naopak homogenně rozmístěná kyselina boritá negativně ovlivňuje korozi zirkoniové slitiny. Gadolinium se nejčastěji používá jako příměs do paliva, oxidu uraničitého.
Podstata vynálezu
Výše uvedené nevýhody jsou do značné míry odstraněny palivovými proutky jaderného paliva, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že palivové proutky jsou opatřeny polykrystalickou diamantovou vrstvou s funkcí vyhořívajícího absorbátoru o tloušťce 50 nm až 50 μm obsahující atomy bóru v množství 1 až 10 % at. zabudované do krystalické mřížky. Maximální obsah nediamantového uhlíku je do 25 % mol. a celkový obsah neuhlíkových nečistot je maximálně do 0,5 % mol. Polykrystalická diamantová vrstva má na svém povrchu krystalická zrna o velikosti 50 až 500 nm a povrchová drsnost polykrystalické diamantové vrstvy má hodnotu RMS drsnosti do 80 nm. Ochranně kompenzační polykrystalická diamantová vrstva s obsahem bóru slouží jako speciální vyhořívající absorbátor, který odstraňuje nevýhodu jak nehomogenního rozložení B uvnitř aktivní zóny - tyče z karbidu bóru, tak korozní degradace zirkoniové slitiny - kyseliny boritá.
Polykrystalická diamantová vrstva může obsahovat do 10 % at. izotopů B10 a B11.
Řešení se týká pokrytí povrchu palivových proutků, používaných v jaderných reaktorech, polykrystalickou diamantovou vrstvou připravenou metodou depozice z plynné fáze (CVD) a dopovanou bórem, jak je popsáno například v literatuře: F. Fendrych, A. Taylor, L. Peksa, I. Kratochvílová, J. Vlček, V. Řezáčová, V. Petrák, Z. Kluiber, L. Fekete, M. Liehr, M. Nesládek, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) 374018; I. Kratochvílová, R. Škoda, J. Škarohlíd, P. Ashcheulov,
- 1 CZ 309725 B6
A. Jager, J. Racek, A. Taylor, L. Shao, J. Mater. Process. Technol. 214 (2014) 2600-2605, nebo v literatuře: P. Ashcheulov, R. Škoda, J. Škarohlíd, A. Taylor, L. Fekete, F. Fendrych, R. Vega, L. Shao, L. Kalvoda, S. Vratislav, V. Cháb, K. Horáková, K. Kůsová, L. Klimša, J. Kopeček, P. Sajdl, J. Macák, S. Johnson and I. Kratochvílová:, Applied Surface Science 359 (2015) 621-628. Bór zabudovaný během růstu metodou CVD do vrstvy polykrystalického diamantu, resp. do diamantové mřížky, bude sloužit jako vyhořívající absorbátor - látka pohlcujících přebytečné neutrony na počátku kampaně, jak je uvedeno v literatuře: Bórem dopovaná polykrystalická diamantová vrstva odstraňuje nevýhodu jak nehomogenního rozložení B jako aktivního absorbátoru uvnitř aktivní zóny (tyče z karbidu bóru), tak korozní degradace zirkoniové slitiny (kyselina boritá) podle literatury: S. M. Heidari Saani, A.M. Vesaghi, E. Keivan, Eur. Phys. J. B 39, 441 (2004); R. Hoffmann, A. Kriele, G. Obloh, J. Hees, M. Wolfer, W. Smirnov, N. Yang, E. Ch. Nebel, Appl. Phys. Lett., 97, 052103 (2010); B. L. Willems, G. Zhang, J. Vanacken, V.V. Moshchalkov, S.D. Janssens, K. Haenen, P. Wagner, J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 374019 (2010); J. C. Arnault, L. Demuynck, C. Speisser, F. Le Normand, Eur. Phys. J. B. 11, 327 (1999); nebo literatury: S. Koizumi, C. Nebel and M. Nesladek, Physics and Applications of CVD Diamond Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, 2008.
Teplota nanášení homogenní B dopované diamantové vrstvy na povrch zirkoniových slitin je v rozmezí 200 až 800 °C, pracovní tlak je <1 mbar, tedy <100 Pa. Plynná procesní směs obsahuje zdroje vodíku (H2), uhlíku (CH4) a bóru. Obsah bóru ve vrstvě je 1 až 10 % at. a maximální obsah nediamantového uhlíku je 25 % mol. Tepelná vodivost vrstvy se pohybuje v rozmezí 1000 až 1900 W-m^-K’1. Palivový proutek pokrytý B dopovanou polykrystalickou diamantovou vrstvou lze umístit ve specificky výhodné pozici v jaderném reaktoru, a tak minimalizovat negativa první části kampaně. Přírodní bór má 20 % izotopu B10, tento podíl lze v případě potřeby zvětšit až pětinásobně použitím obohaceného bóru.
Objasnění výkresů
Vynález bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na:
obr. 1 je zobrazeno Ramanovo spektrum polykrystalických diamantových vrstev s různou koncentrací B;
obr. 2 je zobrazen hloubkový profil koncentrace atomů B v polykrystalické diamantové vrstvě, změřeno difrakcí termálních neutronů;
obr. 3 je zobrazen koeficient násobení pro vyhoření; a obr. 4 je zobrazen další koeficient násobení pro vyhoření.
Příklady uskutečnění vynálezu
Na obr. 1. je zobrazeno Ramanovo spektrum polykrystalických diamantových vrstev, jejichž tloušťky jsou mezi 50 nm až 50 μm, maximální obsah nediamantového uhlíku do 25 % mol., na svém povrchu krystalická zrna o velikosti 50 až 500 nm a povrchová drsnost polykrystalické diamantové vrstvy bude mít hodnotu RMS drsnosti do 80 nm s různou koncentrací B: PCD vrstvy bez B - křivka a, PCD vrstvy s 1 % B - křivka b a PCD vrstvy s 4 % B - křivka c. Ramanovské píky se středem u 500 a 1225 cm-1 jsou spojeny s deformací diamantové struktury v oblasti poruchy mříže intersticiálním B. Intenzita těchto píků roste s obsahem B. Pík u 1332 cm-1 odpovídá vibraci sp3 krystalické diamantové mřížky. Frekvence maxima diamantového Ramanovského píku se posouvá směrem k nižším hodnotám - 1225 cm-1, při zvýšeném obsahu B - to odpovídá změnám v mřížce diamantu s vysokým obsahem B poruch.
- 2 CZ 309725 B6
Obr 2. zobrazuje hloubkový profil koncentrace atomů B v polykrystalické diamantové vrstvě, změřeno difrakcí termálních neutronů. Obsah B v polykrystalické diamantové vrstvě dosáhl zhruba 1 % at., což je dostatečné na to, aby B/PCD vrstva sloužila jako absorbátor přebytečných neutronů během kampaně.
Obr. 3. zobrazuje koeficient násobení pro vyhoření od 0 do 20 000 MWd/MTU pro palivo se zirkoniovým pokrytím bez ochranné vrstvy (žlutě), s 300 nm ochrannou PCD vrstvou (modře) a 300 nm ochrannou PCD vrstvou s 1 % at. příměsí přírodního bóru (zeleně).
Obr. 4. zobrazuje koeficient násobení pro vyhoření od 0 do 20 000 MWd/MTU pro palivo se zirkoniovým pokrytím s 300 nm ochrannou PCD vrstvou bez bóru - černě, 300 nm ochrannou PCD vrstvou s 1 % at. příměsí bóru BIO - šedě a 300 nm ochrannou PCD vrstvou s 4 % příměsí bóru BIO - černě, čárkovaně.
Navrhovaným řešením a předmětem tohoto vynálezu je odstranění dvou hlavních nevýhod standardní aplikace B jako vyhořívajícího absorbátoru v jaderných reaktorech: jak nehomogenity rozložení B ve formě tyčí z karbidu bóru, tak narušení povrchu zirkoniové slitiny kyselinou boritou, a to pokrytím povrchu palivových proutků ochranně kompenzační polykrystalickou diamantovou vrstvou s bórem, zabudovaným do diamantových krystalických zrn. Ochranně kompenzační polykrystalická diamantová vrstva bude mít tloušťku 50 nm až 50 pm, maximální obsah nediamantového uhlíku do 25 % mol., na svém povrchu krystalická zrna o velikosti 50 až 500 nm a povrchová drsnost polykrystalické diamantové vrstvy bude mít hodnotu RMS drsnosti do 80 nm a celkový obsah izotopů bóru BIO a Bl 1 bude v ochranné vrstvě dohromady mezi 1 a 10 % at. Bór zabudovaný během růstu metodou CVD do vrstvy polykrystalického diamantu, resp. do diamantové mřížky, bude sloužit jako vyhořívající absorbátor, tedy látka pohlcujících přebytečné neutrony na počátku kampaně. Diamant má vysokou tepelnou vodivost a stabilitu, nízkou chemickou reaktivitu, nedegraduje s časem a má vhodný účinný průřez pro interakci s neutrony. Povrch prvků ze zirkonových slitin bude pokryt homogenní polykrystalickou diamantovou vrstvou připravenou pomocí CVD s typickým sloupcovým charakterem růstu diamantových krystalitů. Diamant je typický izolant, který lze dopováním přeměnit na polovodivý až vodivý materiál. Standardně užívaným dopantem při růstu polykrystalických diamantových vrstev metodou depozice z plynné fáze je právě bór. B je jediným účinným dopantem, který lze zabudovat do diamantové mřížky s vysokou reprodukovatelností a v tak vysokých koncentracích, že z původního izolačního materiálu je vodič. CVD se pak provádí přidáním boru do prekurzorové plynné směsi běžně používané pro reprodukovatelnou výrobu diamantových vrstev.
Přítomnost B, resp. jeho inkorporace do diamantové mřížky, 1j. intersticiální porucha, je velmi patrná na Ramanově spektru vzorku B dopované PCD vrstvy, připravené metodou CVD. Ramanovo spektrum polykrystalických diamantových vrstev s různou koncentrací B je uvedeno na obr. 1. Ramanovské vibrační píky se středem u 500 a 1225 cm1 jsou spojeny s deformací diamantové struktury v oblasti poruchy mříže intersticiálním B. Intenzita těchto píků roste s obsahem B. Vibrace u 1332 cm1 odpovídá vibraci sp3 krystalické diamantové mřížky. Frekvence maxima této diamantové vibrace se při zvýšeném obsahu B posouvá směrem k nižším hodnotám 1225 cm1, to odpovídá změnám v mřížce diamantu s vysokým obsahem zabudovaných B atomů.
Absolutní obsah B polykrystalické diamantové vrstvě připravené metodou CVD byl stanoven pomocí neutronového hloubkového profilování - difrakce termálních neutronů. Na obr. 2 je uveden hloubkový profil koncentrace atomů B v polykrystalické diamantové vrstvě. Obsah BIO v polykrystalické diamantové vrstvě dosáhl zhruba 1 % at. (~ 1.2><1021 cm'3), což je dostatečné na to, aby B/PCD vrstva sloužila jako absorbátor přebytečných neutronů během kampaně.
Toto je ilustrováno na příkladu průběhu koeficientu násobení paliva tlakovodního reaktoru WER 1000 v závislosti na vyhoření pro palivo bez ochranné PCD vrstvy, s ochrannou PCD vrstvou bez bóru a s PCD vrstvou s obsahem bóru, obr. 3, 4. Koeficient násobení je definován
-3CZ 309725 B6 jako poměr (1) dvou po sobě jdoucích generací neutronů, kde k je koeficient násobení, n, počet neutronů v i-té generaci a η,-ι je počet neutronů v generaci předcházející.
k = -nn.-1 (1)
Přebytek neutronů lze kompenzovat vyhořívajícími absorbátory. Za vyhořívající absorbátory jsou považovány izotopy s vysokým účinným průřezem pro absorpci tepelných neutronů - bór, ty se po absorbování neutronu změní na jiný izotop s malým účinným průřezem pro absorpci, tzn. přestanou pohlcovat neutrony. Vyhořívající absorbátory se používají pro snížení reaktivity při nové palivové vsázce.
Graf na obr. 3 demonstruje efekt přidání 1 % at. přírodního bóru do 300nm vrstvy PCD pro palivo reaktorů VVER1000. Výpočet Monte Carlo kódem Serpent ukazuje pokles koeficientu násobení pro bórovaný vzorek, oproti nepovlakovanému vzorku, pro uvedená vyhoření cca 0.005 až 0.007, což odpovídá reaktivitě přibližně $1. Graf na obr. 4, který je vytvořen deterministickým kódem UwBi, demonstruje efekt přidání 1 a 4 % at. jediného izotopu bóru do 300nm PCD vrstvy, a to čistého izotopu B10. Zde pro malá vyhoření je efekt výraznější - pro čerstvé palivo s vyhořením 0 je pokles koeficientu násobení (kiNF) pro 4 % at. B10 oproti nepovlakovanému palivu cca 0.09, což odpovídá reaktivitě přibližně $15 a efekt se zeslabuje s vyhořením - pro vyhoření 20 000 MWd/MTU je pak pokles koeficientu násobení cca 0.01, což odpovídá přibližné reaktivitě $1.5.
Průmyslová využitelnost
Ochrana palivových proutků polykrystalickou diamantovou vrstvou s příměsí bóru může být aplikována na všech komerčně provozovaných lehkovodních reaktorech (PWR, BWR) a zejména na palivu těžkovodních reaktorů (CANDU), kde kompenzace reaktivity pro čerstvé palivo má velký význam vzhledem k plutoniovému píku pro malá vyhoření.
Claims (1)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Palivové proutky jaderného paliva, pokryté ochranně kompenzační povrchovou vrstvou s funkcí bórového vyhořívajícího absorbátoru, vyznačující se tím, že atomy bóru jsou ve vrstvě zabudovány 5 do krystalických zrn polykrystalické diamantové vrstvy o tloušťce 50 nm až 50 μm s maximálním obsahem nediamantového uhlíku do 25 % mol., přičemž polykrystalická diamantová vrstva má na svém povrchu krystalická zrna o velikosti 50 až 500 nm a povrchová drsnost polykrystalické diamantové vrstvy má hodnotu RMS drsnosti do 80 nm a celkový obsah izotopů bóru B10 a B11 je v této vrstvě dohromady mezi 1 až 10 % at.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2016-370A CZ309725B6 (cs) | 2016-06-24 | 2016-06-24 | Palivové proutky jaderného paliva |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2016-370A CZ309725B6 (cs) | 2016-06-24 | 2016-06-24 | Palivové proutky jaderného paliva |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2016370A3 CZ2016370A3 (cs) | 2018-01-03 |
| CZ309725B6 true CZ309725B6 (cs) | 2023-08-23 |
Family
ID=60937191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2016-370A CZ309725B6 (cs) | 2016-06-24 | 2016-06-24 | Palivové proutky jaderného paliva |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ309725B6 (cs) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1994014164A1 (en) * | 1992-12-14 | 1994-06-23 | Combustion Engineering, Inc. | Wear resistant coating for components of fuel assemblies and control assemblies and method of applying a wear resistant coating |
| JP2012167981A (ja) * | 2011-02-14 | 2012-09-06 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | 原子力プラントの被ばく低減方法、燃料集合体及び原子力プラント |
| CZ305059B6 (cs) * | 2013-09-20 | 2015-04-15 | České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Strojní, Ústav Energetiky | Vrstva, chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech |
-
2016
- 2016-06-24 CZ CZ2016-370A patent/CZ309725B6/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1994014164A1 (en) * | 1992-12-14 | 1994-06-23 | Combustion Engineering, Inc. | Wear resistant coating for components of fuel assemblies and control assemblies and method of applying a wear resistant coating |
| JP2012167981A (ja) * | 2011-02-14 | 2012-09-06 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | 原子力プラントの被ばく低減方法、燃料集合体及び原子力プラント |
| CZ305059B6 (cs) * | 2013-09-20 | 2015-04-15 | České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Strojní, Ústav Energetiky | Vrstva, chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2016370A3 (cs) | 2018-01-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhou et al. | Nuclear graphite for high temperature gas-cooled reactors | |
| Tsang et al. | The development of a stress analysis code for nuclear graphite components in gas-cooled reactors | |
| US10916352B2 (en) | Nuclear reactor having a layer protecting the surface of zirconium alloys | |
| Mogensen et al. | Behaviour of fission gas in the rim region of high burn-up UO2 fuel pellets with particular reference to results from an XRF investigation | |
| Beliavskii et al. | Effect of fuel nuclide composition on the fuel lifetime of reactor KLT-40S | |
| Scervini et al. | Transmutation of thermocouples in thermal and fast nuclear reactors | |
| Kinoshita et al. | Temperature and fission rate effects on the rim structure formation in a UO2 fuel with a burnup of 7.9% FIMA | |
| Gao et al. | Helium release and lattice swelling in nickel foil irradiated by multiply-energy helium ions | |
| CZ309725B6 (cs) | Palivové proutky jaderného paliva | |
| Li et al. | Innovative accident tolerant fuel concept enabled through direct manufacturing technology | |
| Trinuruk et al. | Concept of prismatic high temperature gas-cooled reactor with SiC coating on graphite structures | |
| Liang et al. | Release behavior of an interstitial helium atom from 3C-SiC (100) subsurface: A first-principles study | |
| Matsson et al. | On-site γ-ray spectroscopic measurements of fission gas release in irradiated nuclear fuel | |
| Matijević et al. | Boration modeling of the PWR biological shield using SCALE6. 1 hybrid shielding methodology | |
| Negri et al. | B-10 influence on fuel burnup in UN-UB2 high density fuels | |
| Harutyunyan et al. | Estimation of material degradation of VVER-1000 baffle | |
| Lee | Reactor radiation skyshine calculations with TRIPOLI-4 code for Baikal-1 experiments | |
| Tsang et al. | A mathematical stress analysis model for isotropic nuclear graphite under irradiation condition | |
| Chen et al. | Radial Distributions of Power and Isotopic Concentration in Candidate ATF U3Si2 and UO2/U3Si2 Fuel With FeCrAl Cladding | |
| Metz et al. | Characterization of UOX fuel segments irradiated in the Gösgen pressurized water reactor | |
| Khajvand et al. | Cold neutron source conceptual designing for Tehran Research Reactor | |
| Gholamzadeh et al. | Benchmark Study of Simulations of Silicon-Equivalent Aluminum Phantom Using Thermal Neutron Flux Measurements at Some Irradiation Positions in Tehran Research Reactor | |
| Kratochvílová et al. | Polycrystalline Diamond Coating Protects Zr Cladding Surface Against Corrosion in Water‐Cooled Nuclear Reactors: Nuclear Fuel Durability Enhancement | |
| Duan et al. | Theoretical study of tritium diffusion and formation from bulk and defective surface of γ-LiAlO 2 pellets | |
| Kartiko et al. | Neutronics Analysis of Heterogeneous Core of Small Modular Reactor Type GFR Thorium Nitride Fueled using OpenMC |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20160624 |