ES2215409T3 - Pastillas de combustible nuclear. - Google Patents

Abstract

Pastilla de combustible de óxido de uranio que comprende una región interna y una región externa alrededor de la región interna, en la que el óxido de uranio de como mínimo una parte de dicha región externa es rico en óxido de niobio con respecto a la región interna.

Description

Pastillas de combustible nuclear.

La presente invención se refiere a la fabricación de pastillas de combustible para reactores nucleares.

Existe una tendencia creciente a la utilización de combustible de óxido de uranio con niveles más elevados de enriquecimiento para conseguir un agotamiento más elevado del combustible. El resultado de esta tendencia consiste en incrementar el tiempo de permanencia de cualquier barra de combustible en el reactor. Por lo tanto, es necesario producir barras de combustible que tengan un grado más elevado de fiabilidad en su integridad completa.

Las pastillas de combustible prensadas a partir de polvo de óxido de uranio y sinterizadas a continuación en condiciones controladas de tiempo, temperatura y atmósfera son bien conocidas. Estas pastillas de combustible son normalmente cilindros rectos y múltiples pastillas de este tipo son envasadas en alineación axial en tubos metálicos, por ejemplo de Zircaloy (marca comercial), una aleación de zirconio. Se hace referencia a los tubos habitualmente como "recubrimiento" y al tubo lleno como "barra de combustible" ("fuel pin"). Múltiples barras de combustible son agrupadas entre sí frecuentemente, en una disposición de alineación radial y paralela para formar un elemento de combustible o conjunto de combustible.

En su utilización, cuando los elementos de combustible son cargados en un reactor produciendo potencia, tienen lugar dos fenómenos distintos: "interacción de recubrimiento de la pastilla" (PCI); así como la generación de gas de fisión que idealmente debe ser retenido dentro de la estructura de óxido de la pastilla y no se debe liberar al tubo de recubrimiento, es decir "retención de gas de fisión" (FGR). Ambos casos se explicarán a continuación de manera más detallada.

Durante el funcionamiento del reactor nuclear, las altas temperaturas generadas tienen como resultado que las pastillas de óxido de combustible se expansionan y la superficie externa de la pastilla establece contacto con la superficie interna del recubrimiento produciendo esfuerzos mecánicos (PCI). Los esfuerzos mecánicos aumentan adicionalmente por la producción de yodo como producto de fisión durante la reacción nuclear. La combinación de esfuerzos mecánicos y yodo que actúa como agente de corrosión bajo esfuerzo atacando el material de recubrimiento en los límites de los granos puede provocar la rotura del recubrimiento en casos extremos. En general, un pequeño tamaño de los granos es beneficioso en favorecer fenómenos "creep" de la pastilla de óxido en la superficie dando lugar a un efecto de liberación de esfuerzos.

El segundo efecto que tiene lugar durante la reacción nuclear es la generación de muchos productos gaseosos distintos de la fisión incluyendo yodo tal como se ha indicado anteriormente. Los productos de gas de fisión son creados dentro de la estructura de óxido como átomos que se difunden a los límites de los granos y se nuclean en dicha posición. Eventualmente se forman burbujas de gas, coalesciendo las burbujas de gas entre sí y siendo finalmente liberadas y conocidas como "liberación de gas de fisión". Es poco deseable que los gases de fisión se liberen y se producen en general pastillas de combustible con tamaños de granos grandes para favorecer la retención de los gases de fisión (FGR). Los tamaños grandes de los granos ayudan a la retención debido al hecho de que los átomos del gas de fisión tienen que difundirse además a través de la estructura antes de alcanzar unos límites de granos en los que se puedan nuclear.

Tal como se observará, las exigencias de ayudar a la liberación de esfuerzos por un tamaño pequeño de granos para optimizar el fenómeno "creep" y reducir PCI, y un tamaño grande de granos para hacer máximo FGR son contrarias entre sí.

La solicitud de Patente europea 82305260.0 (EP 0076680) describe el dopado de dióxido de uranio o de diuranato de amonio como precursor del mismo con un elemento de un grupo seleccionado de elementos, que comprende niobio, para producir tamaños de granos grandes. De manera similar, la solicitud de Patente japonesa 04070594 describe el dopado de óxido de uranio con óxido de Nb(IV), y la solicitud de Patente japonesa 03102292 describe el dopaje de óxido de uranio con un compuesto intermetálico o un óxido que puede incluir óxido de niobio.

La solicitud de Patente inglesa 8517110 (GB2177249) describe la preparación de materiales con tamaños grandes de granos utilizando un material de siembra compuesto esencialmente por cristales únicos, pero no se refiere al dopado con óxido de niobio. La solicitud de Patente inglesa 23791/78 (GB1600169) da a conocer el recubrimiento de las pastillas de combustibles nucleares con un material captador seleccionado del grupo que incluye niobio metálico, pero no se da a conocer el dopaje del material de las pastillas propiamente dicho.

Se han hecho propuestas para producir pastillas de combustible con dos zonas distintas: una región anular externa con tamaño de granos reducidos para minimizar PCI; y una región de núcleo interna que tiene tamaño de granos grande para hacer máximo FGR. Estas estructuras se dan a conocer en los documentos 89JP-311936; 87JP-262652; y 83SU-600645. Las pastillas son realizadas en general por prensado de un componente de anillo externo y de un componente de núcleo interno separado, acoplando los dos conjuntamente y efectuando a continuación la sinterización. Las condiciones de prensado son controladas de manera que durante la sinterización el anillo externo se contrae sobre el núcleo y tiene lugar la unión por difusión de los dos componentes.

La Patente GB-B-2020641 de propiedad común con la actual describe la utilización de pentóxido de niobio (al que se hará referencia a continuación como "óxido de niobio") como contaminante en pastillas de combustible de óxido de uranio. El efecto del óxido de niobio se ha indicado que es el de incrementar las tasas de difusión durante la sinterización, por lo tanto, ayudando a la generación de tamaños grandes de granos en la pastilla. También se ha indicado que la velocidad de difusión incrementada provocada por el óxido de niobio no afecta substancialmente la velocidad de difusión de los productos de gas de fisión dentro de los granos. Por lo tanto, se pueden conseguir dimensiones grandes de granos sin efectos adversos aparentes de incrementar en sí mismo la velocidad de difusión de los productos de gas de fisión. No obstante, los inventores han descubierto que la presencia de óxido de niobio no afecta adversamente la velocidad de difusión del gas de fisión.

Es un objetivo de la presente invención dar a conocer unas pastillas de combustible de óxido de uranio funcionalmente ajustadas que poseen características de relajación de esfuerzos "creep" mejoradas en la superficie para minimizar PCI y mejorar FGR en su núcleo.

La presente invención da a conocer pastillas de combustible de óxido de uranio comprendiendo una región interna y una región externa alrededor de la región interna, en las que el óxido de uranio de como mínimo una parte de dicha región externa es rico en óxido de niobio con respecto a la región interna. Otras características y ventajas de la invención quedan destacadas en la siguiente descripción y en las reivindicaciones adjuntas a las que deberá acudir el lector.

En esta descripción, se utiliza el término "óxido de niobio" ("niobia"). La adición se hace habitualmente en forma de pentóxido de niobio, no obstante, durante procesos tales como sinterizado, el compuesto puede cambiar debido a los efectos de una atmósfera reductora o como alternativa atmósferas reductora/oxidante, de manera que el "óxido de niobio" en el material final, tal como se produce, o se utiliza en un reactor, puede no ser pentóxido de niobio. Por lo tanto, el término "óxido de niobio" que se utiliza está destinado a cubrir todas las formas de niobio y óxido de niobio que se pueden utilizar o que se forman.

Los inventores han descubierto que contrariamente a lo que se conocía en la técnica anterior, un material combustible de óxido de uranio que tiene, no obstante, tamaño grande de granos debido a las velocidades incrementadas de difusión ayudado por la adición de óxido de niobio, tiene realmente una proporción "creep" superior a la de un material con un tamaño de granos más reducido, reduciendo por lo tanto PCI.

Los inventores han descubierto también que si bien un tamaño grande de los granos en la parte del núcleo de las pastillas es beneficioso para FGR en comparación con tamaño de granos más reducido en el mismo material, es preferible producir un tamaño de granos más grande por medios distintos del dopaje con adiciones de óxido de niobio que los inventores han descubierto ahora que pueden incrementar la velocidad de difusión del gas de fisión dentro de la estructura. Uno de dichos métodos de conseguir tamaños grandes de granos en la estructura es por sembrado del material en polvo utilizado para el prensado con granos de cristal de dióxido de uranio (UO_{2}) de dimensiones determinadas de manera distinta con respecto a los cristalitos aglomerados de UO_{2} que forman la parte de volumen principal del material en polvo. Los inventores han descubierto que un tamaño promedio de granos de 10 a 15 \mum aproximadamente en las pastillas sinterizadas produce un rendimiento aceptable con respecto a FGR, pero que un tamaño promedio de granos superior aproximadamente a 25 \mum produce un rendimiento mejorado con respecto a FGR.

El contenido de óxido de niobio en la región superficial puede encontrarse en valores aproximados de 0,1 a 0,5 por ciento en peso con un contenido aproximado de 0,3 por ciento en peso como valor preferente.

El tamaño de granos promedio de pastillas de tipo anteriormente conocido llamadas "dúplex" que tienen un anillo propiamente dicho y regiones de núcleo, tal como se ha descrito anteriormente con referencia a la técnica anterior, pueden encontrarse de manera típica en una gama de valores de 0,25 a 2,5 \mum. En la pastilla de la presente invención, las dimensiones promedio de los granos en la región superficial puede ser superior aproximadamente a 25 \mum y de manera típica en una gama de valores de 35 a 50 \mum. Se debe observar que el método de medición de tamaño de granos promedio en esta descripción es por el método de interceptación lineal.

Las pastillas de acuerdo con la presente invención pueden ser realizadas con la estructura dúplex descrita anteriormente con elementos independientes que forman el anillo externo y un núcleo. Las pastillas pueden ser realizadas por prensado en dos etapas y montaje tal como se ha descrito o como construcción unitaria comprendiendo etapas múltiples de prensado en una disposición de matriz compleja en una prensa del tipo descrito, por ejemplo, en la solicitud de Patente internacional WO93/18878.

Si bien la pastilla puede ser realizada con dos zonas distintas producidas por operaciones de prensado con dos compuestos en polvo que constituyen las regiones externa e interna, una pastilla homogénea con las regiones superficiales con un contenido de óxido de niobio aumentado se encontraría dentro de la idea inventiva de la presente invención.

En una estructura de tipo dúplex, las regiones de anillo y de núcleo pueden comprender cada una de ellas aproximadamente 50% en volumen del volumen total de la pastilla, por ejemplo.

A efectos de que la presente invención pueda ser comprendida de modo más completo, se describirán a continuación ejemplos a título ilustrativo sólo con referencia a los dibujos adjuntos, de los cuales:

Las figuras 1 y 2 muestran secciones axial y radial a través de una representación esquemática de una pastilla de combustible de acuerdo con la presente invención, respectivamente; y,

la figura 3 muestra una representación esquemática de una secuencia de prensado para fabricación de una pastilla de combustible de acuerdo con la presente invención en un conjunto de matriz integrada.

Las figuras 1 y 2 muestran una pastilla indicada de modo general con el numeral (10). La pastilla comprende una región externa (12) que tiene una composición que comprende una adición de óxido de niobio y un núcleo (14) que está substancialmente libre de óxido de niobio. Las caras axiales extremas de la pastilla están dotadas frecuentemente de forma ligeramente de plato para compensar la expansión en dirección axial en su utilización y también para proporcionar espacio para relajación "creep" bajo esfuerzo a altas temperaturas, pero esto no se ha mostrado a efectos de mayor claridad.

En un método de fabricación la región anular (12) y la región de núcleo (14) han sido prensadas separadamente por técnicas conocidas. Los dos componentes han sido montados entre sí y sinterizados en condiciones conocidas a una temperatura aproximada de 1700/1750ºC durante unas 4-5 horas en una atmósfera que contiene hidrógeno y humedad. Las propiedades en verde del anillo prensado provocan su retracción superior a la del núcleo con el resultado de que bajo las condiciones de sinterización el anillo sujeta al núcleo y los dos quedan unidos entre sí desde el punto de vista de difusión.

Un método alternativo de fabricación es el que se ha mostrado con referencia a la figura 3 que muestra nueve etapas en el prensado de una pastilla dúplex en un conjunto de matriz integrada. El conjunto de la matriz comprende una matriz externa única (20) con un conjunto del punzón interno múltiple, cuyos componentes pueden desplazarse independientemente por medio de una matriz controlada hidráulicamente, por ejemplo, en una prensa mecánica. En la etapa (1) la matriz (20) tiene un punzón externo (22) y un punzón interno escalonado (24) que crea una cavidad (26) para su llenado con el material en polvo (28), tal como se ha mostrado en la etapa (2). Un tercer elemento de punzón (30) comprime el polvo (28) para formar un material compacto autosoportante en verde (32) tal como se ha mostrado en la etapa (3). El elemento de punzón (30) es retirado y el elemento de punzón interno escalonado (24) se baja a una posición por debajo de la extensión más baja (34) del compacto en verde (32), tal como se ha mostrado en la etapa (4). El material en polvo (36) es llenado en el núcleo hueco formado de esta manera en la etapa (4) y tal como se ha mostrado en la etapa (5). El punzón externo (30) es substituido junto con el punzón superior coaxial (38), siendo avanzados uno hacia otro los punzones (38) y (24) para comprimir la carga (36) de polvo del núcleo, tal como se ha mostrado en las etapas (6) y (7) para crear un material compacto en verde unificado (40) que comprende el anillo compactado externo (32) y el núcleo comprimido interno (42) tal como se muestra en la etapa (8). Los punzones superiores (30) y (38) son retirados y los punzones (20) y (24) son adaptados simultáneamente para expulsar el elemento compactado (40) en verde de la matriz. El elemento compacto en verde (40) es sinterizado a continuación.

En un primer ejemplo de una pastilla de combustible sinterizado según la presente invención, la zona de núcleo (14) tenía un tamaño promedio de granos de 12-15 \mum y se encontraba substancialmente libre de óxido de niobio, mientras que la parte (12) del anillo comprendía un tamaño de granos superior a 25 \mum y tenía una adición de 0,3% en peso de óxido de niobio.

En un segundo ejemplo de una pastilla de combustible sinterizado según la presente invención, la zona de núcleo (14) comprendía un tamaño de granos superior a 25 \mum producido por sembrado con cristales de UO_{2} y la parte del anillo (12) tenía un tamaño de granos superior a 25 \mum y contenía 0,3% en peso de óxido de niobio.

Claims (13)

1. Pastilla de combustible de óxido de uranio que comprende una región interna y una región externa alrededor de la región interna, en la que el óxido de uranio de como mínimo una parte de dicha región externa es rico en óxido de niobio con respecto a la región interna.

2. Pastilla de combustible, según la reivindicación 1, en la que el contenido de óxido de niobio de dicha parte está comprendido aproximadamente de 0,1 a 0,5 por ciento en peso.

3. Pastilla de combustible, según la reivindicación 1 ó 2, en la que el contenido de óxido de niobio de dicha parte es aproximadamente 0,3 por ciento en peso.

4. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la región interna de la pastilla se encuentra substancialmente libre de óxido de niobio.

5. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha parte tiene un tamaño promedio de granos, tal como se ha definido anteriormente, superior a 25 \mum.

6. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la región interna tiene un tamaño de granos menor que el tamaño de granos de dicha parte.

7. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el tamaño de granos de la región interna es superior a 25 \mum.

8. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el óxido de uranio de la región interna es sembrado para producir granos de tamaño grande.

9. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha parte es substancialmente toda la región externa.

10. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la pastilla es cilíndrica y las regiones interna y externa son regiones cilíndricas coaxiales.

11. Pastilla de combustible, según la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en la que la zona externa comprende un anillo propiamente dicho.

12. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que se han producido individualmente y se han sinterizado entre sí las zonas interior y exterior.

13. Pastilla de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las zonas exterior e interior constituyen cada una de ellas un volumen de 50 por ciento aproximadamente del volumen de la pastilla.