EA013899B1

EA013899B1 - Шаровой тепловыделяющий элемент и его изготовление для применения в газоохлаждаемых высокотемпературных ядерных реакторах с шаровой засыпкой

Info

Publication number: EA013899B1
Application number: EA200900370A
Authority: EA
Inventors: Милан Хроват; Карл-Хайнц Гроссе; Райнер Шультен
Original assignee: Алд Вакуум Текнолоджиз Гмбх
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2010-08-30
Also published as: DE502007007142D1; JP4559534B2; JP2010501871A; CA2661603A1; EP2082401B1; KR101069041B1; ZA200902156B; CN101512670A; DE102006040309B4; US8243871B2; ES2370226T3; CN101512670B; EP2082401A1; ATE508461T1; WO2008025757A1; CA2661603C; EA200900370A1; AP2537A; US20100014625A1; AP2009004775A0

Abstract

Предложенное изобретение относится к шаровому тепловыделяющему элементу и к способу изготовления шарового тепловыделяющего элемента, который соответствует требованиям высокотемпературных ядерных реакторов с шаровой засыпкой. Согласно изобретению бестопливная оболочка шарового тепловыделяющего элемента состоит из карбида кремния (SiC) и/или карбида циркония (ZrC), а также из природного графита и графитированного нефтяного кокса, и её средняя номинальная толщина составляет ≥1 мм.

Description

Тепловыделяющий элемент (твэл) для высокотемпературных ядерных реакторов с шаровой засыпкой представляет собой графитовый шарик диаметром 60 мм, спрессованный из специального графита А3 и состоящий из топливного сердечника диаметром 50 мм, охваченного бестопливной оболочкой толщиной 5 мм. Сердечник шарового тепловыделяющего элемента плавно переходит в оболочку, образуя с ней единое целое. Топливо в виде топливных частиц с покрытием (еоа1с4 райШек) равномерно распределено в шаровом сердечнике.

Топливные частицы с покрытием представляют собой шарики (топливные сердечники) размером около 0,5 мм, состоящие преимущественно из оксида урана, и содержат многослойное покрытие из пироуглерода и карбида кремния для удержания образующихся во время работы реактора продуктов деления.

Сферические топливные сердечники изготавливаются предпочтительно способом осаждения геля. При этом раствор уранилнитрата с добавками поливинилового и тетрагидрофурфурилового спиртов вытекает по капле под действием вибрации форсунок и отверждается посредством ΝΗ₃ и ΝΗ₄ΟΗ в виде сферических топливных сердечников с содержанием диураната аммония. После промывки, сушки, восстановления и спекания получают топливные сердечники ИО₂ высокой плотности и требуемого диаметра.

Покрытие топливных сердечников пироуглеродом и карбидом кремния осуществляется, как правило, в установках псевдоожиженного слоя. Такие установки состоят из вертикальной графитовой трубы с коническим днищем, обогреваемой снаружи нагревательным устройством с графитовым сопротивлением. На вершине конуса заведено несколько форсунок, через которые подается необходимый для турбулизации газ-носитель аргон или водород и газы для нанесения покрытия. Пироуглеродные покрытия осаждаются в результате термического разложения этина или смеси из этина и пропина из газовой фазы при температуре от 1000 до 1400°С. При нанесении покрытия из карбида кремния газом для нанесения покрытия служит предпочтительно метилтрихлорсилан. Температура осаждения несколько выше и составляет 1500°С. В зависимости от режима нанесения покрытия получают слои разной толщины и структуры, обладающие разными физическими и механическими свойствами.

Способ описан, в числе прочего, в публикациях 8М-111/15 симпозиума А4уаисе4 Н1дй-Тетрега1иге Са§-Соо14 ВеасЮге (Современные газоохлаждаемые высокотемпературные реакторы), г. Юлих, 21-25 октября 1968 г., в Весей! Эеуе1ортеп1 ίη Фе МаииГасФте о! 8рйет1са1 Рие1 Е1етеи!§ Гог Ηί§1ι ТетретаФте К.еас1ога (Последние разработки шаровых тепловыделяющих элементов для высокотемпературных реакторов) (Наскйет, К.С.; Нгота1. М.; 8реиет, С.; ЕЫега, К.) и в докладе КРА, г. Юлих, 687-К.А (август 1970 г.), ЕЩ\\зск1шщ уои Ье8сЫсЫе1еи ВгешъЮГПеПсйеп (Η. №ске1) (Разработка топливных частиц с покрытием), а также в описании изобретения по патенту ФРГ ΌΕ 10204166 и в выложенном описании изобретения ФРГ ΌΕ 10144352 А1.

К шаровым тепловыделяющим элементам для высокотемпературных реакторов с шаровой засыпкой предъявляется ряд следующих требований:

высокая геометрическая плотность графитовой матрицы, хорошие механические прочностные свойства, низкий модуль упругости, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая теплопроводность, высокая устойчивость к облучению быстрыми нейтронами.

Для достижения таких необходимых свойств углеродные пресс-изделия должны быть обычно подвержены графитации при температуре от 2700 до 3000°С.

Поскольку прессованные шаровые тепловыделяющие элементы после прессования содержали внутри шарового сердечника топливные частицы с покрытием, процесс графитации не может проводиться при температуре свыше 2700°С. Основными причинами этого являются следующие.

Уже при температурах свыше 2100°С уран диффундирует из топливных сердечников в оболочковые слои частиц и далее из них в графитовую матрицу шарового тепловыделяющего элемента. Уран, диффундирующий снаружи покрытия в пористую графитовую матрицу шарового тепловыделяющего элемента, мог бы привести во время работы реактора к недопустимо высокой степени загрязнения охлаждающего газа выделившимися продуктами деления. Диффузия урана в графит описана в 1оитиа1 оГ Νυс1еаг Ма1епак, 19 (1966), с. 53-58, авторами Нтоуа!, М. и 8реиет, С.

Кроме того, при температурах свыше 2100°С пироуглеродные покрытия изменяют свою структуру. При этом резко возрастает анизотропия кристаллографической ориентации пиролитического углерода. Следовательно, присутствует опасность того, что топливные частицы с покрытием внутри реактора очень быстро утратят свою механическую целостность и таким образом произойдет спонтанное выделение радиоактивных продуктов деления. Результаты описаны в докладе КРА 1и1-868-ВА (июнь 1972 г.), Ко1/11к, К. Сбег Фе Аибетиид 4ет Аш8о!тор1е 4ет ктШаПодтарЫксйеи Ог1еи!1егаид ш РугокоЫещЮГПш ШсЫсЫеи Фиск С1и киид ии4 №и1гоиеиЬе81гаЫиид (Об изменении анизотропии кристаллографической ориентации в пироуглеродных оболочковых покрытиях вследствие обжига и нейтронного облучения).

В специальной литературе описано, что при облучении быстрыми нейтронами и при температурах

- 1 013899 свыше 1000°С графит остается размеростойким и сохраняет свою механическую целостность только в том случае, если он обладает высокой кристалличностью и является изотропным. Свойства при облучении и соответствующие результаты описаны, в числе прочего, в докладе СА (СЛ-Керо!) (март 1970 г.), Еид1е, С.В. 1ггаФа1юи Вейауюиг о! Мис1еаг Огарййек а! Е1еуа1еб ТетрегаФгек (Свойства ядерного графита после облучения при высокой температуре) и в докладе ΡΝ4Ε-1056 (1969 г.) Не1т, БАЧ. РасШс Ыог1кете81-ЕаЬога1огу КтсШаиб/ЧакШидои.

Для обеспечения размерной стойкости и механической целостности спрессованного шарового тепловыделяющего элемента в течение всего времени его нахождения в реакторе, несмотря на его термообработку при температуре, ограниченной примерно 2000°С, была разработана специальная марка графита. Этот графит обозначен в специальной литературе как графитовая матрица А3. Графитовая матрица А3 основана на природном графите. Природный графит характеризуется чрезвычайно высокой кристалличностью. Однако его первичное зерно имеет пластинчатую форму с гексагональной кристаллической упорядоченностью (сингонией) и, следовательно, обладает сильно выраженной анизотропией.

С целью достижения необходимой изотропии физических свойств матрицы шаровые тепловыделяющие элементы прессуют с применением формы из резины, предпочтительно из силиконового каучука. Цилиндрическая резиновая форма состоит из нескольких частей и для размещения топливной смеси в виде порошка для прессования содержит по центру эллипсоидальную полость, размер которой выбран с таким расчетом, чтобы уже при усилии прессования свыше 5 МПа образовывался шарик. Резиновая форма помещается в стальной штамп пресса и посредством верхнего и нижнего пуансонов происходит прессование.

Для изготовления шаровых тепловыделяющих элементов сначала подвергают предварительному прессованию смесь из графитового порошка для прессования и топливных частиц с покрытием с получением удобного для пользования шарового сердечника, затем предварительно спрессованный шаровой сердечник утапливают в графитовом порошке для прессования во второй резиновой форме и прессуют при повышенном давлении с получением проницаемого для воздуха шарика, после чего в третьей резиновой форме в вакууме спрессованный шарик подвергают конечному прессованию с приданием окончательной плотности.

Для коксования связующего вещества шаровые тепловыделяющие элементы нагревают в атмосфере инертного газа в течение 18 ч до температуры 800°С и затем обжигают в вакууме при температуре около 2000°С. Графитовая матрица А3 состоит из 72,7 вес.% природного графита, 18,2 вес.% нефтяного кокса, графитированного в виде порошка при 3000°С, и 9,1 вес.% связующего кокса.

Этот способ раскрыт в описании изобретения к патенту ФРГ № ЭЕ 19837989 и в выложенной заявке ФРГ № ΌΕ 10253205 А1.

Для изготовления шаровых тепловыделяющих элементов, являющихся не только изотропными, но и почти не обладающими градиентами своих свойств, их окончательное прессование ведут на третьей стадии уплотнения при высоком давлении прессования, составляющем 300 МПа на 1,92 г/см³, соответственно для достижения около 99% расчетной плотности. После падения давления плотность снижается сначала до 1,8 г/см³, при последующей термообработке она снижается дополнительно и при достижении 280°С достигает своей минимальной величины 1,6 г/см³. При этой температуре начинается разложение связующей смолы вследствие выделения крекинг-газов.

Необходимая пористость задается примешиванием определенной доли электрографитового порошка. Благодаря этому достигается практически без применения давления дегазация матрицы с исключением растрескивания. При продолжении разложения смолы графитовая матрица начинает сжиматься и при температуре около 850°С достигает относительно высокой окончательной плотности 1,72 г/см³. Потеря веса шаровой матрицы вследствие коксования смолы составляет около 9 вес.%.

Оптимизация графитовой матрицы А 3 описана в докладе КБА, 1Й1.-969-К.Ч, июнь 1973 г., Нгоуа!, М., №ске1, Н., Ко1/1|к. К. ИЬег Фе ЕЩ\\тск1шщ етек Ма1пхта1епа1§ /иг Нег81е11иид дерге§81ег Вгеппе1етеи!е Гиг НосЫетрега1иггеак1огеи (Разработка матричного материала для изготовления прессованных тепловыделяющих элементов для высокотемпературных реакторов).

В семидесятых и восьмидесятых годах в реакторе с шаровой засыпкой ЛУК в г. Июлих (1и11сй) и в высокотемпературном ториевом реакторе в г. Шмехаузен/Юнтроп (Зсйтекаикеи/иетгор) было использовано свыше одного миллиона прессованных шаровых тепловыделяющих элементов А3. Шаровые тепловыделяющие элементы положительно зарекомендовали себя при длительном использовании и показали превосходные свойства.

К тепловыделяющим элементам для высокотемпературных ядерных реакторов последующих поколений были предъявлены дополнительные требования. При полной мощности работы реактора шаровые тепловыделяющие элементы должны сохраняться в исправном состоянии и не должны выделять недопустимые продукты деления даже в том случае, если гипотетически произойдет авария, например полный выход из строя системы охлаждения и/или же неконтролируемый прорыв воздуха, воды или водяного пара в активную зону реактора. Для того чтобы это гарантировать, от шаровых тепловыделяющих элементов А3 требуется повышенная коррозионная стойкость по отношению к кислороду или водяному пару.

- 2 013899

Для оценки коррозионной стойкости проводится стандартизированное испытание. При этом испытании шаровые тепловыделяющие элементы нагревают в атмосфере инертного газа с содержанием водяного пара до температуры 1000°С и определяют потерю веса. В качестве реакционного газа служит 1%-я по объему смесь из водяного пара и аргона. Такую смесь приготавливают в увлажнительной емкости, заполненной водой. При барботировании аргон проходит через толщу воды и насыщается водяным паром. Скорость прохождения реакционного газа составляет 150 л/ч и выбирается с таким расчетом, чтобы при заданных условиях испытания с графитовой матрицей шарика реагировало только около 20% кислорода от его количества. Скорость коррозии выражается через выгорание графита в мг/ч на поверхности шарика площадью 1 см². Показатель, полученный для шаровых тепловыделяющих элементов А3 при 1000°С, лежит в диапазоне от 1 до 1,25 мг/см²/ч. При 0,7 мг/см²/ч сравнительная величина чистого в ядерном отношении, графитированного при 3000°С ядерного графита АТ1 фирмы υηίοη СагЬоие Согрогайои (иСС) заметно ниже.

В ходе длительных испытаний на коррозию было установлено, что преимущественно связующий кокс в шаровых тепловыделяющих элементах А3, состоящий из фенолформальдегидной смолы, вступал в реакцию с водяным паром и, следовательно, вызывал выборочное выгорание матрицы. В противоположность природному графиту и графитированному нефтяному коксу для связующего кокса было отмечено существенно большее химическое сродство и, следовательно, высокая скорость реакции при окислении водяным паром.

Для подтверждения выборочного окисления связующего кокса шаровые тепловыделяющие элементы после испытания на коррозию подвергли испытанию на истирание. Для проведения этого испытания шаровые тепловыделяющие элементы поместили в барабан, вращающийся со скоростью 55 об/мин. Закругленный порожек высотой 2 мм на внутренней стенке барабана обеспечивал нахождение шаровых тепловыделяющих элементов в постоянном движении и исключал их скольжение по стенке барабана. Отверстия в днище и крышке барабана обеспечивали возможность свободного выхода подвергшейся истиранию графитовой матрицы.

Обнажившаяся в результате трения графитовая матрица была исследована посредством анализа тонкой рентгеновской структуры на кристалличность. При размере кристалла около 90 нм указанный показатель был очень высоким, что может быть объяснено только наличием обоих графитовых компонентов из природного графита и графитированного торфяного кокса. Соответствующий показатель Ье связующего кокса составил почти на порядок меньше и не мог быть выявлен. Отсутствие связующего кокса в графитовой, подвергшейся истиранию матрице служит доказательством того, что во время испытаний на коррозионную стойкость (окисление) произошло выборочное выгорание кокса. Выборочное выгорание связующего кокса служит таким образом основной причиной снижения прочности графитовой матрицы, сопровождающегося потерей поверхностной оболочки шаровых тепловыделяющих элементов.

Согласно известным способам повышения коррозионной стойкости пресс-изделий из графита, раскрытым в ΌΕ 4127693 А1, ΌΕ 2718143 и ΌΕ 1269559, пресс-изделия после их изготовления подвергаются улучшению путем нанесения на них защитных покрытий, содержащих 81С и/или ΖγΤ'. для повышения коррозионной стойкости. Такое дополнительное нанесение покрытия не относится к прессованным, изготовленным из графита А3 шаровым тепловыделяющим элементам и, следовательно, не способно в достаточной мере снизить выборочное выгорание связующего кокса, вызывающего в значительной степени коррозию тепловыделяющих элементов. Кроме того, дополнительный процесс уплотнения является трудоемким и дорогостоящим.

Задачей настоящего изобретения является создание новой конструкции шаровых тепловыделяющих элементов и способа их изготовления, отвечающих требованиям высокотемпературных ядерных реакторов с шаровой загрузкой последующих поколений. Данная задача решается посредством объектов изобретения, приведенных в формуле изобретения.

В частности, указанная задача решается за счет того, что бестопливная оболочка шаровых тепловыделяющих элементов состоит из карбида кремния (81С) и/или карбида циркония (ΖγΤ'). а также природного графита и графитированного нефтяного кокса и имеет среднюю номинальную толщину не менее 1 мм, предпочтительно не менее 2 мм, наиболее предпочтительно не менее 3 мм. Также предпочтительно, чтобы средняя номинальная толщина составляла от 1 до 5 мм, более предпочтительно от 2 до 5 мм, наиболее предпочтительно от 2 до 4 мм и 3 мм согласно возможному варианту выполнения.

Определение средней номинальной толщины бестопливного слоя осуществляется известными специалисту способами. Приведенные значения включают в себя допуск +/-0,5 мм (обусловленный точностью измерения).

Содержание карбида кремния в бестопливной оболочке составляет от 6 до 14 вес.%, предпочтительно от 8 до 12 вес.%, более предпочтительно от 9 до 11 вес.%, наиболее предпочтительно от 9 до 10 вес.% и 10 вес.% в возможном варианте выполнения.

Содержание карбида циркония в бестопливной оболочке составляет от 10 до 30 вес.%, предпочтительно от 15 до 30 вес.%, более предпочтительно от 19 до 25 вес.% и наиболее предпочтительно от 20 до 23 вес.%, при этом 22,3 вес.% в возможном варианте выполнения.

- 3 013899

Основное исходное положение изобретения состоит в использовании высокого химического сродства связующего кокса. Последний проявил себя в испытаниях на коррозионную стойкость хотя и отрицательно, однако согласно изобретению его неожиданно высокое химическое сродство может быть использовано в том случае, когда при изготовлении порошка для прессования для оболочки шаровых тепловыделяющих элементов производится добавка химического кремневого и/или циркониевого соединения. Аналогично окислению водяным паром добавка из химического кремневого и/или циркониевого соединения также выборочно реагирует при обжиге шаровых тепловыделяющих элементов в вакууме при максимальной температуре 2000 С с углеродом связывающего кокса. При этом в коррозионностойкий карбид кремния или карбид циркония переводится в значительной степени только ответственная за коррозию доля связующего кокса в графитовой матрице А3. Оба карбида 81С и ΖγΟ являются испытанными веществами реактора с кубической упорядоченностью (сингонией) кристаллов и поэтому с присущей изотропией. 81С и Ζγ' отличаются высокой твердостью, высокой механической прочностью и очень хорошей коррозионной стойкостью. Благодаря применению 81С или Ζγ' при изготовлении графитовой матрицы А3 значительно повышаются такие свойства шаровых тепловыделяющих элементов, как, например, плотность, разрушающая нагрузка и, в частности, коррозионная стойкость, и обеспечивается соблюдение требований, предъявляемых к шаровым тепловыделяющим элементам для реакторов с шаровой засыпкой последующих поколений.

В результате повышения коррозионных и прочностных свойств может быть уменьшена толщина бестопливной оболочки шаровых тепловыделяющих элементов. Этим достигается относительное увеличение объема топливных шаровых сердечников и соответственно снижение температуры топлива. Более низкая температура топлива существенно способствует повышению способности топливных частиц с покрытием к удерживанию продуктов деления.

В шаровых тепловыделяющих элементах согласно изобретению для изготовления бестопливных оболочек применяется одинаковый графитовый порошок для прессования, что и при изготовлении топливного сердечника. Во время изготовления тепловыделяющих элементов из порошка для прессования формируется графитовая матрица, которая затем используется для оболочки и сердечника. Поэтому тепловыделяющие элементы описываются с использованием признака подобного или идентичного состава графитовой матрицы для топливного сердечника и бестопливной оболочки. Этот признак важен, в частности, для отмежевания от других шаровых тепловыделяющих элементов, которым такая идентичность не присуща. Такие тепловыделяющие элементы содержат предпочтительно оболочку из электрографита и описаны, в числе прочего, в публикации Рис1 Эсус1ортсп1 Гог ТНТК (Разработка топлива для высокотемпературных реакторов), О. 8рспесг, М. Нгоуа! и Ь. Васйог, Ргосссбтд оГ 111с СопРсгспес Рис1 суе1с$ оГ 1Пс НТОВ, г. Брюссель, июнь 1965 г. (Труды конференции по топливным циклам для газоохлаждаемых высокотемпературных ядерных реакторов).

Относительно понятия подобный следует отметить, что для изготовления топливного сердечника и бестопливной оболочки используется одинаковый графитовый порошок для прессования, из которого формируется в конечном итоге указанная графитовая матрица. Применение понятия подобный объясняется тем, что в графитовый порошок для прессования, используемый для предварительного прессования бестопливной оболочки, вводятся химические кремневые и/или циркониевые соединения, в частности, в указанных выше количествах.

Последующие примеры подробнее поясняют получение шаровых тепловыделяющих элементов согласно изобретению и их новую структуру, не ограничивая при этом изобретение.

Пример 1.

Применение δίθ₂.

Изготовление графитового порошка для прессования проводилось в два независимых друг от друга цикла гомогенизации: порошок для прессования топливного сердечника и порошок для прессования шаровой оболочки. При изготовлении порошка для прессования, предназначенного для шарового сердечника, чистый в ядерном отношении природный графит предварительно смешали в сухом виде с нефтяным коксом, графитированным при 3000°С, в весовом соотношении 4:1. Произвели добавку 20 вес.% растворенной в метаноле связующей фенолформальдегидной смолы и провели гомогенизацию при комнатной температуре в смесителе. Смесь сушили в вакууме при температуре 105°С (Р<50 ЬРа) и затем измельчали в молотковой мельнице до размера 1 мм. При изготовлении порошка для прессования, предназначенного для шаровой оболочки, все рабочие операции за исключением приготовления суспензии δίθ₂ были неизменными. Содержание порошка δίθ₂ составило 83,4 вес.% от количества связующей смолы.

Исходные компоненты характеризовались следующими свойствами:

природный графит марки РТ фирмы К1орГти Ы: насыпной вес 0,4 г/см³, плотность прилегания зерен 2,26 г/см³, удельная поверхность 2 м²/г, размер кристаллита Ьс=100 нм, средний диаметр зерна 10-20 мкм, зольность 200 ч./млн, борный эквивалент в примесях золы <1 ч./млн;

графитированный нефтяной кокс марки ККВ < 0,1 мм фирмы ВтдкбогГГ, температура графитации 3000°С, насыпной вес 0,65 г/см³, плотность прилегания зерен 2,2 г/см³, удельная поверхность 1,2 м²/г, размер кристаллита Ьс=60 нм, средний диаметр зерна 30-40 мкм, зольность 10 ч./млн, борный эквивалент в примесях золы < 1 ч./млн;

- 4 013899 фенолформальдегидная смола, тип ΝονοΙαΚ. марка 4911 фирмы ВакейИе, средство конденсации НС1, молекулярный вес 690, точка размягчения 101°С. рН 6, кислотное число 7,5, свободный фенол 0,12 вес.%, выход кокса 50%, растворимость в метаноле 99,97 вес.%, зольность 160 ч./млн, борный эквивалент в примесях золы 1 ч./млн. Для повышения молекулярного веса смолу подвергли после конденсации дистилляции водяным паром;

порошок 8Ю₂: тонкоизмельченный коммерческий порошок δίθ₂ со средним диаметром зерна 1-5 мкм и степенью чистоты 99,95%.

При использовании части предназначенного для шаровой сердцевины графитового порошка для прессования образовывали оболочку вокруг топливных частиц с покрытием (соа!еб раг11с1е8) диаметром около 0,9 мм во вращающемся барабане с добавкой небольших количеств распыленного растворителя смолы до тех пор, пока на частицах не образовалось пористое оболочковое покрытие толщиной около 0,2 мм.

Топливные частицы из ИО₂ с покрытием имели диаметр сердечника 0,5 мм и плотность 10,6 г/см³. Топливные сердечники подверглись четырехкратному покрытию, сначала нанесли буферный слой из пироуглерода (толщиной 95 мкм, плотностью 1,05 г/см³), затем плотный слой из пироуглерода (толщиной 40 мкм, плотностью 1,90 г/см³), после этого плотный слой из 81С (толщиной 35 мкм и плотностью 3,19 г/см³) и в заключение плотный слой из пироуглерода (толщиной 40 мкм, плотностью 1,90 г/см³). Топливные частицы с покрытием и оболочкой из порошка для прессования (оуегсоа!еб соа1еб рагЦс1е5) сушили и смешали при весовом соотношении 1:2,23 порционно с другим графитовым порошком для прессования.

Порцию смеси в количестве 164 г, содержавшую 29,3 г топливных частиц с покрытием, поместили в первую резиновую форму и прессовали в стальном штампе при 5 МПа. В резиновой форме с эллипсоидной полостью объемом 205 см³ и соотношением осей 1:1,17 образовался удобный в пользовании шарик диаметром около 62 мм с плотностью 1,2 г/см³. Этот шарик утопили во второй резиновой форме в слой свободно насыпанного графитового порошка для прессования с добавкой 8ίΘ2. При соотношении осей 1:1,14 объем эллипсоидной полости составил 295 см³. После прессования формы при 15 МПа образовался шарик диаметром около 68 мм, весом 240 г и плотностью 1,45 г/см³. Дополнительно спрессованный шарик поместили в третью, точно подогнанную резиновую форму и окончательно прессовали в вакууме (Р<120 НРа) при давлении 300 МПа. При давлении 300 МПа плотность графитовой матрицы составила 1,94 г/см³. С учетом выбранного состава графитового порошка для прессования такая плотность соответствует 99% от расчетной плотности. После падения давления плотность графитовой матрицы снизилась с 1,94 до 1,82 г/см³. Для коксования связующего вещества шаровые пресс-изделия нагревали в течение 18 ч в потоке азота до 800°С и в заключение обжигали в вакууме (Р<10^-2 НРа) при 1900°С. При этом связующий кокс согласно изобретению, полученный из фенолформальдегидной смолы, реагировал с δίθ2 с образованием 81С.

Пример 2.

Применение ΖγΟ₂.

За исключением замены порошка δίθ₂ порошком ΖγΟ₂ остальные операции по изготовлению порошка для прессования сохранились без изменения, т. е. как они описаны в примере 1.

Содержание ΖγΟ₂ в растворе метаноловой смолы составило 167 вес.% от связующей смолы. Использованный порошок ΖγΟ₂ марки ΤΖ фирмы Тоуо 8оба имел средний диаметр зерна около 1 мкм при степени чистоты 99,99%.

После термообработки и чистовой обточки шаровых тепловыделяющих элементов до диаметра 60 мм были определены следующие свойства:

геометрическая плотность бестопливной шаровой оболочки, толщина бестопливной оболочки (определяли рентгенографическим способом), разрушающая нагрузка, для этого шаровые тепловыделяющие элементы зажимали между стальными плитами и измеряли разрушающую нагрузку, содержание 81С или ΖγΤ' в шаровой оболочке (определяли химическим анализом и тонким рентгеновским структурным анализом), коррозионная стойкость (для этого шаровые тепловыделяющие элементы подвергли стандартному испытанию на окисление).

Результаты приведены в нижеследующей таблице и сопоставлены с показателями шаровых тепловыделяющих элементов А3.

- 5 013899

Свопство шарового тепловыделяющего элемента	Доля 81С в оболочке	Доля /гС в оболочке	Шаровые тепловыделяющие элементы А 3
Плотность бестопливной оболочки, г/см³	1,78	1,91	1,72
Толщина бестопливной оболочки, мм	3±О,5	3±0,5	5 ±0,5
Разрушающая нагрузка, приложенная параллельно направлению прессования	29	31	24
Разрушающая нагрузка, приложенная перпендикулярно направлению прессования	27	29	23
Содержание 81С в оболочке, вес. %	10	-	-
Содержание Ζ1Γ в оболочке, вес. %	-	22,3	-
Объёмная доля 51С в оболочке, об. %	6,8	-	-
Объёмная доля ΖτΟ в оболочке, об.°/о	-	8,6	-
Скорость коррозии при 1000¾ и 1 об.% водяного пара, мг/см² в час	0,41	0,39	1,24-1,1

Из таблицы видно, что плотность и разрушающая нагрузка на шаровые тепловыделяющие элементы заметно возросли в результате применения 81С и Ζτϋ. Особенно следует отметить повышение коррозионной стойкости. При 0,41 или 0,39 мг/см²/ч скорость коррозии уменьшилась почти в три раза по сравнению с соответствующим показателем шаровых тепловыделяющих элементов ЗА и даже в 1,7 раза по сравнению с реакторным графитом АП фирмы ИСС.

Содержание 81С в оболочке шарового тепловыделяющего элемента при 10 вес.% составило 5,32 г. Такая величина является относительно низкой и соответствует приблизительно величине 5,28 г покрытия из 81С, нанесенного на 23300 топливных частиц одного шарика. 23300 частиц содержат 14 г урана (в целом). Из-за относительно высокой плотности ΖΚ'.' по сравнению с 81С объемные доли обоих карбидов в шаровой оболочке отличаются между собой незначительно.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Шаровой тепловыделяющий элемент для высокотемпературных ядерных реакторов с шаровой засыпкой, состоящий из графитовой матрицы А3, содержащей топливо в виде топливных частиц с покрытием, причем топливные частицы с покрытием равномерно распределены в шаровом сердечнике и утоплены в графитовую матрицу А3, а шаровой сердечник охвачен бестопливной оболочкой, при этом оболочка плавно переходит в сердечник, а графитовая матрица шарового сердечника и оболочка включают в себя природный графит, графитированный нефтяной кокс и связующий кокс, отличающийся тем, что бестопливная оболочка шарового тепловыделяющего элемента дополнительно включает карбид кремния (81С) и/или карбид циркония (ΖΛ), а ее средняя номинальная толщина составляет >1 мм.
2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что средняя номинальная толщина оболочки составляет >2 мм.
3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что средняя номинальная толщина оболочки составляет от 1 до 5 мм.
4. Элемент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание карбида кремния в бестопливной оболочке составляет от 6 до 14 вес.%.
5. Элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что содержание карбида циркония в бестопливной оболочке составляет от 10 до 30 вес.%.
6. Способ изготовления шаровых тепловыделяющих элементов по любому из пп.1-5, в котором изготавливают пресс-порошок путем предварительного смешивания, разминания, высушивания и измельчения;

предварительно прессуют шаровой сердечник из смеси пресс-порошка и топливных частиц с покрытием;

формируют предварительно спрессованные шаровые сердечники с пресс-порошком оболочки; прессуют шаровые сердечники, покрытые оболочкой из пресс-порошка;

выполняют окончательное прессование собранного шарового тепловыделяющего элемента; проводят тепловую обработку окончательно спрессованных шаровых тепловыделяющих элементов, отличающийся тем, что при изготовлении пресс-порошка для оболочки используют кремниевые или циркониевые соединения в качестве оксидов.
7. Способ по п.6, при котором оксиды кремния или циркония суспендируют в растворе метанолфе

- 6 013899 нолформальдегидной смолы и гомогенизируют суспензию компонентами графитового порошка, состоящего из природного графита и графитированного нефтяного кокса, размешиванием при комнатной температуре.
8. Способ по п.6 или 7, при котором преобразование в карбид кремния и/или карбид циркония проводят при обжиге шаровых тепловыделяющих элементов в вакууме (Р<10^-2 йРа) при максимальной температуре 2000°С.

Евразийская патентная организация, ЕАПВ

Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2