FI118444B - Oxide material trapped in the melted core of a nuclear reactor - Google Patents

Oxide material trapped in the melted core of a nuclear reactor Download PDF

Info

Publication number
FI118444B
FI118444B FI20040516A FI20040516A FI118444B FI 118444 B FI118444 B FI 118444B FI 20040516 A FI20040516 A FI 20040516A FI 20040516 A FI20040516 A FI 20040516A FI 118444 B FI118444 B FI 118444B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
molten
oxide
weight
oxide material
core
Prior art date
Application number
FI20040516A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI20040516A (en
FI20040516A0 (en
Inventor
Viktor Vladimirovich Gusarov
Vladimir Bentzianovi Khabensky
Sevostyan Viktorovich Beshta
Vladimir Semyonovich Granovsky
Vyacheslav Iskhakovi Almyashev
Evgeny Vladimirovich Krushinov
Sergey Alexandrovich Vitol
Evgeny Dmitriyevich Sergeyev
Vadim Vasilyevich Petrov
Vladimir Anatolyevi Tikhomirov
Viktor Pavlovich Migal
Vladimir Anatolyevich Mozherin
Alexandr Nikolayevich Novikov
Galina Nikolayevna Salagina
Evgeny Arkadyevich Shtern
Vyacheslav Yakolevich Sakulin
Original Assignee
Otkrytoe Aktsionernoe Obschest
Viktor Vladimirovich Gusarov
Vladimir Bentzianovi Khabensky
Sevostyan Viktorovich Beshta
Vladimir Semyonovich Granovsky
Vyacheslav Iskhakovi Almyashev
Evgeny Vladimirovich Krushinov
Sergey Alexandrovich Vitol
Evgeny Dmitriyevich Sergeyev
Vadim Vasilyevich Petrov
Vladimir Anatolyevi Tikhomirov
Viktor Pavlovich Migal
Vladimir Anatolyevich Mozherin
Sakulin Vyacheslav Yakovlevich
Alexandr Nikolayevich Novikov
Galina Nikolayevna Salagina
Evgeny Arkadyevich Shtern
Zakrytoe Aktsionernoe Obschest
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/RU2002/000146 external-priority patent/WO2003032325A1/en
Application filed by Otkrytoe Aktsionernoe Obschest, Viktor Vladimirovich Gusarov, Vladimir Bentzianovi Khabensky, Sevostyan Viktorovich Beshta, Vladimir Semyonovich Granovsky, Vyacheslav Iskhakovi Almyashev, Evgeny Vladimirovich Krushinov, Sergey Alexandrovich Vitol, Evgeny Dmitriyevich Sergeyev, Vadim Vasilyevich Petrov, Vladimir Anatolyevi Tikhomirov, Viktor Pavlovich Migal, Vladimir Anatolyevich Mozherin, Sakulin Vyacheslav Yakovlevich, Alexandr Nikolayevich Novikov, Galina Nikolayevna Salagina, Evgeny Arkadyevich Shtern, Zakrytoe Aktsionernoe Obschest filed Critical Otkrytoe Aktsionernoe Obschest
Publication of FI20040516A0 publication Critical patent/FI20040516A0/en
Publication of FI20040516A publication Critical patent/FI20040516A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI118444B publication Critical patent/FI118444B/en

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Description

118444118444

OKSIDIMATERIAALI YDINREAKTORIN SULANEEN YTIMEN LOUKKUUNOXIDE MATERIAL TO TREATED NUCLEAR REACTOR

KEKSINNÖN ALAFIELD OF THE INVENTION

5 Keksintö kohdistuu ydinvoimateollisuuteen, erityisesti niin sanottuihin uhrausmateriaaleihin, ts. materiaaleihin ydinreaktorin sulaneen ytimen loukkuun, tarkoitettu lokalisoimaan sulanutta ydintä suljetuissa vesijäähdytetyissä ydinreaktoreissa, mahdollisessa on-10 nettomuustapauksessa. Tällaisen onnettomuuden tapahtu essa tämä materiaali, vuorovaikuttaen ydinreaktorin korkealämpötilaisen sulaneen ytimen kanssa, sitoo (lo-kalisoi) sulan loukkuun ja jäähdyttää sen, tarjoten alikriittiset olosuhteet ja siten estäen itseään yllä-15 pitävän ketjureaktion muodostumisen, toisin sanoen ydinreaktorin siirtymisen sulassa ylikriittiseen tilaan. Näin tehden, uhrausmateriaali itse hajoaa asteittain johtuen monimutkaisista fysiko-kemiallisista prosesseista ja lakkaa olemasta alkuperäisessä muodos-20 saan.The invention relates to the nuclear industry, in particular so-called sacrificial materials, i.e. materials for the trapped fusion reactor core, intended to localize the fused nucleus in sealed water-cooled nuclear reactors, in the event of an on-10 incident. In the event of such an accident, this material, interacting with the high-temperature melted core of the nuclear reactor, binds (lyxes) the molten trap and cools it, providing subcritical conditions and thus preventing the formation of a self-sustaining chain reaction, i.e., nuclear reactor. In doing so, the sacrificial material itself is gradually decomposed due to complex physico-chemical processes and ceases to be in its original form.

TUNNETUN TEKNIIKAN KUVAUSDESCRIPTION OF PRIOR ART

* m m • * · ***. Uhrausmateriaalien kehittämisen tärkeys lait teille, joita käytetään lokalisoimaan sulanutta ydin- Φ · · : 25 tä, jota muodostuu ydinvoimalaonnettomuuden tapaukses- sa, kävi ilmeiseksi suuren mittakaavan onnettomuuksien Täernobylin ydinvoimalan neljännessä reaktorissa ja • · · amerikkalaisessa TMI ydinvoimalassa, kuin myös joidenkin muiden ydinvoimalaonnettomuuksien, jälkeen. Ydin- .·· 30 voimateollisuuden tulevaisuus riippuu tällä hetkellä • · · · .···. monilta osin luotettavien järjestelmien luomisesta • · *·] ydinreaktorin sulaneen ytimen lokalisoimiseksi ja te- • * · hokkaiden uhrausmateriaalien luomisesta ydinreakto- • · · reille.* m m • * · ***. The importance of developing sacrificial materials for devices used to localize the fused nuclear Φ · · 25 generated by a nuclear accident became evident in the large-scale accident at the Fourth Reactor at the Ternobyl Nuclear Power Plant, and the Nuclear Power Plant at Nuclear Power Station, . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·. creating, in many respects, reliable systems for localizing the fused core of a nuclear reactor, and creating efficient sacrificial materials for nuclear reactors.

35 Uhrausmateriaaleihin, jotka ovat olennaisesti • · uudentyyppisiä materiaaleja, kohdistuva tutkimus ja • · kehittäminen on vähäistä ja, koska suorat suuren mit- 2 1 1 8444 takaavan kokeet ovat mahdottomia, perustuvat ne sys-teemisuunnittelumenetelmiin käyttäen teoreettisia laskelmia ja mallikokeita.35 There is little research and development on sacrificial materials that are essentially new types of materials, and because direct large-scale tests are not feasible, they are based on system design methods using theoretical calculations and model tests.

On tunnettua, että ydinreaktorin sulanut ydin 5 koostuu kahdesta faasista: metallisesta (kevyempi) ja oksidista (painavampi). Sulan ylikuumentuneen metalli-komponentin lämpötilan tehokkaaksi alentamiseksi, on mahdollista käyttää jäähdytysaineena terästä tai rautaa, jotka eivät kuitenkaan voi vaikuttaa sulan oksi-10 diosaan, jossa suurin osa radioaktiivisista komponenteista sijaitsee ja jossa voi ilmaantua ydinketjureak-tio. Edelleen, tällainen aine ei aikaansaa zirkoniumin, joka on liuotettu sulan oksidiosassa ja, joka osittain kulkeutuu sen metalliseen osaan, hapettu-15 mistä, joka voi aiheuttaa vedyn, joka on muodostunut hapettumattoman zirkoniumin ja vesihöyryn vuorovaikutuksen tuloksena, palamisen ja räjähtämisen.It is known that the fused core 5 of a nuclear reactor consists of two phases: metallic (lighter) and oxide (heavier). To effectively lower the temperature of the molten overheated metal component, it is possible to use steel or iron as a refrigerant, which, however, cannot affect the oxy-10 portion of the molten, where most of the radioactive components are located and where a nuclear chain reaction can occur. Further, such an agent does not cause combustion and explosion of zirconium dissolved in the molten oxide moiety and partially migrated to its metallic moiety, which can cause the hydrogen formed as a result of the interaction of unoxidized zirconium and water vapor.

Kaasumaisten aineiden, jotka muodostuvat kun zirkonium hapetetaan pii- tai alumiinioksideilla, ke-20 liittyminen sulasta tuottaa tuloksena jyrkän kasvun ra-dionuklidien vapautumisessa aerosolien muodossa, jotka aerosolit läpäisevät suojarakennuksen (ts. tilan, jo-hon ydinreaktori sijoitetaan ja, joka suljetaan onnet-*t‘*: tomuuden tapahtuessa ydinvoimalassa) ja tunkeutuu mai- i 25 nitun tilan ympäröivän kuoren rakojen, aiheuttaen ym- • · Φ · päristön radioaktiivisen kontaminoitumisen.Ke-20 incorporation of gaseous substances formed when zirconium is oxidized with silicon or aluminum oxides results in a sharp increase in the release of radionuclides in the form of aerosols which pass through the containment (i.e., the space where the nuclear reactor is located and closed). t '*: occurring in a nuclear power plant) and penetrates gaps in the surrounding shell of the said space, causing radioactive contamination of the environment.

• · ·• · ·

Radionuklidit ovat erilaisten kemiallisten elementtien radioaktiivisia isotooppeja, joita esiin- • ♦ '** tyy sulaneessa ytimessä ja, joita aikaansaadaan radio- 30 aktiivisten elementtien ytimien radioaktiivisen hajoa- ··· •••S misen seurauksena. Radioaktiivisen isotoopin aiheutta- ·*** *...* ma ympäristön kontaminaation aste riippuu määrästä, . joka kulkeutuu sulasta kaasufaasiin, joka, vuorostaan, .··». riippuu sen määrästä (konsentraatiosta) sulassa ja sen • · *·* 35 haihtumisesta. Mitä suurenpi on radioaktiivisen iso- "" toopin konsentraatio ja haihtuvuus, sitä suurempi on *·**· sen määrä, joka jättää sulan ja löytää tiensä ympäris- 3 1 1 8444 töön. Ympäristön radioaktiivisesta kontaminaatiosta aiheutuva vahingollinen vaikutus erityisen isotoopin vaikutuksesta, ts. vaara, jonka se esittää elävälle luonnolle ja erityisesti ihmiselle, riippuu suurimmak-5 si osaksi sen puoliintumisajanjaksosta ja sen kyvystä akkumuloitua ihmisen kehoon, erityisesti luuytimeen ja keuhkoihin. Mitä suurempi on isotoopin puoliintumisaika, sitä kauemmin se on vahingollinen ympäristölle. Mitä voimakkaammin isotooppia poistetaan kehosta, sitä 10 pidempi on sen vahingollinen vaikutus, joka voi aiheuttaa useita tauteja, erityisesti syöpää.Radionuclides are radioactive isotopes of various chemical elements, which occur in a molten nucleus and are produced by the radioactive decay of the nuclei of radioactive elements. The degree of environmental contamination caused by the radioactive isotope depends ***. which passes from the molten to the gas phase which, in turn, ···. depends on its amount (concentration) in the melt and its evaporation • · * · * 35. The higher the concentration and volatility of the radioactive isotope, the greater the amount of * · ** · that leaves the molten and finds its way around the work. The detrimental effect of radioactive contamination of the environment by the action of a particular isotope, i.e. the danger it poses to living nature, and in particular to man, depends to a large extent on its half-life and its ability to accumulate in the human body, particularly bone marrow and lungs. The longer the half-life of an isotope, the longer it is harmful to the environment. The more isotope is removed from the body, the longer it has a deleterious effect that can cause many diseases, especially cancer.

Tunnettu on oksidimateriaali ydinreaktorin sulaneen ytimen loukkuun, joka oksidimateriaali sisältää pii- tai alumiinioksidia jäähdytys- ja hapettavana 15 aineena (katso RU2165106, Lk. G21C 9/016, 12/10, 10.04.2001). Nämä oksidit sekoitetaan uraanidioksidin kanssa, joka uraanioksidi on läsnä suurissa määrin sulassa ja alentaa sen konsentraatiota, vähentäen täten ydinreaktion mahdollisuutta sulassa, joka siirtyy yli-20 kriittiseen tilaan; myös, niiden suhteellisen korkeasta lämpökapasiteetista johtuen helpottavat ne sulan jäähdyttämistä ja lokalisaatiota loukussa.An oxide material for the trap of a nuclear reactor molten core containing silica or alumina as a cooling and oxidizing agent is known (see RU2165106, See G21C 9/016, 12/10, 10.04.2001). These oxides are mixed with uranium dioxide, which is present in large quantities in the molten and lowers its concentration, thereby reducing the possibility of a nuclear reaction in the molten state, which enters an over-20 critical state; also, due to their relatively high heat capacity, they facilitate the cooling and localization of the molten trap.

mm

Lisäksi, käytettäessä tällaista materiaalia, tapahtuu zirkoniumin hapettumista pii- ja alumiiniok- 25 sidien avulla. Tämä hapettuminen tapahtuu, kuitenkin, :***: ainoastaan korkeassa lämpötilassa, ts. lyhyen ajanjak- ·«* .:. son ajan, kunnes sulan lämpötila on alentunut tulokse- • · · · .···, na kosketuksesta uhrausmateriaalin kanssa. Esimerkik- • · si, zirkoniumin hapettuminen alumiinioksidin avulla , 30 tapahtuu ainoastaan yli 2300 °C lämpötiloissa. Kun ··· ***j lämpötilaa alennetaan, jää sulaneeseen ytimeen osit- • · *♦··* tain hapettunutta zirkoniumia, jolloin vetyä vapautuu : zirkoniumin ja vesihöyryn vuorovaikutuksen tuloksena, ·** ·***. kuten edellä on mainittu.In addition, when such a material is used, oxidation of the zirconium occurs by means of silicon and aluminum oxides. This oxidation occurs, however,: ***: only at high temperature, i.e., for a short time · «*.:. until the temperature of the molten has fallen as a result of contact with the sacrificial material. For example, oxidation of zirconium by alumina occurs only at temperatures above 2300 ° C. When ··· *** j is lowered, some fused zirconium remains in the molten core to release hydrogen: as a result of the interaction of zirconium and water vapor, · ** · ***. as mentioned above.

• · • · » *. 35 Jotta aikaansaadaan tehokkaampi zirkoniumin [ hapettuminen, on ehdotettu oksidimateriaalia ydinreak- ’ * torin sulaneen ytimen loukkuun (katso Markus Nie. Ap- 118444 4 plication of Sacrificial Concrete for the Retention and Conditioning of Molten Corium in the EPR Core Melt Retention Concept. OECD Workshop on Ex-Vessel Debris Coolability. Karlsruhe, Saksa, 15-18 Marraskuuta 5 1999), jossa käytetään seosta, joka sisältää rautaok sidia, piidioksidia ja alumiinioksidia, kuin myös boori-, kalsium-, magnesium- ja kromioksideja, jäähdytys-ja hapettavana aineena. Rautaoksidipitoisuus tällaisessa aineessa on noin 22 - 45 %, piidioksidipitoisuus 10 on noin 25 % ja alumiinioksidipitoisuus on noin 2 %.• · • · »*. 35 In order to achieve a more efficient oxidation of zirconium, oxide material has been proposed to trap the fused core of the nuclear reactor (see Markus Nie. Ap-118444 4 plication of Sacrificial Concrete for Retention and Conditioning of Molten Corium in EPR Core Melt Retention Concept. OECD Workshop is Ex-Vessel Debris Coolability Karlsruhe, Germany, 15-18 November 5, 1999) using a mixture of iron oxide, silica and alumina as well as boron, calcium, magnesium and chromium oxides, as a cooling and oxidizing agent . The iron oxide content of such material is about 22-45%, the silica content 10 is about 25% and the alumina content is about 2%.

Vaikkakin rautaoksidin käyttö parantaa zirkoniumin hapettumista koska tämä tapahtuu alemmissa lämpötiloissa kuin zirkoniumin hapettuminen alumiini-oksidin avulla, ei rautaoksidin läsnäolo tunnetuissa 15 uhrausmateriaaleissa edellä mainittuina määrinä aikaansaa zirkoniumin täydellistä hapettumista, jota zirkoniumia on läsnä suurina määrinä sulaneessa ytimessä, aiheuttaen vedyn kehittymisen. Piidioksidin käyttö edesauttaa myös kaasumaisten tuotteiden muodos-20 tumista johtuen sen vuorovaikutuksesta zirkoniumin kanssa, jonka aikana muodostuu kaasumaista piimonoksi-dia. Tämän tuloksena kasvaa radionuklidien emissio.Although the use of iron oxide improves the oxidation of the zirconium because it occurs at lower temperatures than the oxidation of the zirconium by alumina, the presence of iron oxide in the known sacrificial materials in the above amounts does not result in complete oxidation of the zirconium The use of silica also promotes the formation of gaseous products due to its interaction with zirconium during which gaseous silicon oxide is formed. As a result, the emission of radionuclides increases.

• · · *·!·* Esillä olevan keksinnön päätavoite on luoda * oksidimateriaali ydinreaktorin sulaneen ytimen louk- • · ·,· j 25 kuun, joka oksidimateriaali kykenee alentamaan ra- dionuklidien emissiota sulasta, sen lokalisaatiossa, *»· ··· jotka radionuklidit kontaminoivat ympäristöä pahoin ja • · · · .···. ovat hyvin haitallisia elävälle luonnolle ja erityi sesti ihmisille, ja täten alentaa sekä saastutusastet- . 30 ta että sen haitallisia jälkivaikutuksia.The main object of the present invention is to create a * oxide material in the nucleation site of a molten core reactor which can reduce the emission of radionuclides from the melt, in its localization. radionuclides contaminate the environment badly and • · · ·. ···. are very harmful to living nature and especially to humans, and thus reduce both pollution levels. 30 and its harmful after-effects.

·*·· ···· * ·· ···

KEKSINNÖN YHTEENVETOSUMMARY OF THE INVENTION

: ;*; Edellä mainittu päätavoite huomioon ottaen, ·*· .···, ehdotetaan oksidimateriaali ydinreaktorin sulaneen • · "* 35 ytimen loukkuun, joka oksidimateriaali sisältää jääh- ***" dytys- ja hapettavan aineen sulaneen ytimen jäähdyttä- miseksi ja sen aktiivisempien komponenttien hapettami- 118444 5 seksi, joka materiaali, keksinnön mukaisesti, edelleen sisältää kohdeapuaineen, joka koostuu vähintään yhdestä oksidista, joka on valittu ryhmästä, joka sisältää SrO:n, Ce02:n, BaO:n, Y203:n ja La203:n.:; *; In view of the above-mentioned main objective, · * ·. ···, an oxide material is proposed for the trap of a melted nuclear reactor • · "* 35 nucleus containing a cooling and oxidizing agent to cool the melted nucleus and oxidize its more active components. 118444 5, which material, according to the invention, further comprises a target excipient consisting of at least one oxide selected from the group consisting of SrO, CeO2, BaO, Y2O3 and La2O3.

5 Tällaisen kohdeapuaineen käyttöönotto mahdol listaa, sulassa läsnäolevien radioaktiivisten isotooppien oksidien laimentumisen ansiosta, samojen elementtien stabiilien isotooppien oksidien avulla ja tutkijoiden tällaisille oksideille havaitseman poikkeaman 10 Henryin laista ansiosta, kaasufaasin vastaavien kemiallisten elementtien radioaktiivisten isotooppien kon-sentraation olennaisen vähentämisen, jotka isotoopit, kuten alla esitetään yksityiskohtaisemmin, kuuluvat ympäristölle ja elävälle luonnolle, erityisesti ihmi-15 selle, kaikkein haitallisimpiin.5 The introduction of such a target adjuvant allows, due to the dilution of radioactive isotope oxides present in the molten, by stable isotope oxides of the same elements, and by the deviation of in more detail, are among the most damaging to the environment and to living nature, especially humans.

Kuten esillä olevan keksinnön tekijät ovat havainneet, riippuu, Sr-, Ce-, Ba-, La- ja Y-oksidien höyryjen osapaine, poiketen tunnetusta Henryn laista, vastaavien oksidien konsentraation epälineaarisuudesta 20 nestefaasissa (sulassa). Tämä epälineaarisuudesta riippuvaisuus edustaa käyrää, jossa on nopeasti aleneva oksidikonsentraation derivaatta kaasufaasissa suh-teessä saman oksidin konsentraatioon nestefaasissa. "**! Tämän tuloksena, voi radioaktiivisten isotooppioksidi- : 25 en laimentuminen nestefaasissa käyttöönottamalla vas- ;***; taavia stabiileja (luonnollinen ei-radioaktiivinen)As noted by the present inventors, the partial pressure of the vapors of Sr, Ce, Ba, La, and Y oxides, unlike known Henry's law, depends on the non-linearity of the concentration of the corresponding oxides in the liquid phase (molten). This non-linearity dependency represents a graph of a rapidly decreasing derivative of the oxide concentration in the gas phase relative to the concentration of the same oxide in the liquid phase. "**! As a result, dilution of radioactive isotope oxides in the liquid phase by the introduction of anti-*** stable agents (natural non-radioactive)

«M«M

isotooppioksideja uhrausmateriaaliin, alentaa olennai- • · · · ,···, sesti (moninkertaisesti) kaasufaasin radioaktiivisten • · isotooppien konsentraatiota.isotope oxides in the sacrificial material, substantially decreases the concentration of radioactive isotopes in the gas phase.

. 30 Mainitun kohdeapuaineen pitoisuus voi olla • · •;;j jopa 15 paino-%:a, edullisesti 2-5 paino-%:a, edul- • · *···* lisemmin 3-15 paino-%:a.. The concentration of said target excipient may be up to 15% by weight, preferably 2-5% by weight, more preferably 3-15% by weight.

* : Ytimen loukun oksidimateriaalin jäähdytys- ja • · · .***. hapettava aine sisältää edullisesti Fe203:a ja/tai ·' 35 Fe304:ä ja Al203:a, jossa Fe203:n ja/tai Fe304:n pitoi- * * suus on 46 - 80 paino-%:n välillä, Al203:n pitoisuus on 16 - 50 paino-%:n välillä.*: Coolant and • · ·. *** for core trap oxide material. the oxidizing agent preferably contains Fe 2 O 3 and / or 35 Fe 3 O 4 and Al 2 O 3, wherein the concentration of Fe 2 O 3 and / or Fe 3 O 4 is between 46 and 80% by weight, the concentration is between 16 and 50% by weight.

118444 6118444 6

Keksijät ovat havainneet, että tällaisen jäähdytys- ja hapettavan aineen käyttö, rautaoksidien korkeasta pitoisuudesta johtuen, aikaansaa täydellisemmän zirkoniumin hapettumisen sulassa vähentäen ve-5 dyn muodostumista. Edelleen, rautaoksidi ei muodosta kaasumaisia tuotteita kun se on vuorovaikutuksessa zirkoniumin kanssa, joka vähentää radionuklidien vapautumista.The inventors have found that the use of such a cooling and oxidizing agent, due to the high content of iron oxides, results in more complete oxidation of the zirconium in the molten, reducing the formation of hydrogen. Further, iron oxide does not form gaseous products when it interacts with zirconium which reduces the release of radionuclides.

Rauta- ja alumiinioksidien hyvän sekoittumi-10 sen johdosta uraanioksidin kanssa sulassa, alentuu sulan oksidiosan tiheys olennaisesti aiheuttamaan inversiota, ts. oksidiosan nousu metallisen komponentin pintaan. Se estää myös vedyn muodostumista, jonka aiheuttaa veden tai vesihöyryn kosketus metallisessa 15 komponentissa läsnäolevien mutta sulan oksidiosasta puuttuvien metallien kanssa.Due to the good mixing of iron and alumina with uranium in the molten state, the density of the molten oxide moiety is substantially reduced to cause inversion, i.e., the rise of the oxide moiety on the surface of the metallic component. It also prevents the formation of hydrogen caused by contact of water or water vapor with metals present in the metallic component but absent from the molten oxide moiety.

Rauta- ja alumiinioksidit muodostavat kiinteitä liuoksia vuorovaikutuksen aikana. Alumiinioksidi, joka sen vapaassa tilassa hapettaa zirkoniumia 20 kaasumaisen Al20:n muodostamiseksi, liuoksessa rautaoksidin kanssa ei reagoi zirkoniumin kanssa eikä täten muodosta kaasumaisia tuotteita, mikä myös vähentää ra-dionuklidien vapautumista.Iron and aluminum oxides form solid solutions during the interaction. Alumina, which in its free state oxidizes zirconium to form gaseous Al 2 O, in solution with iron oxide does not react with zirconium and thus forms gaseous products, which also reduces the release of radionuclides.

Ehdotettu oksidiuhrausmateriaali voi edelleen : 25 sisältää Si02:a määränä jopa 4 paino-%:a, edullisesti • · · · ;***· 1-4 paino-%:a.The proposed oxide sacrifice material may further contain: SiO 2 in an amount up to 4% by weight, preferably · · · ·; *** · 1-4% by weight.

···· · ·

Koska korkea rautaoksidien pitoisuus aikaan-saa käytännössä täydellisen zirkoniumin hapettumisen, • · *** ei piioksidi, kun sitä käytetään pieninä määrinä, rea- 30 goi zirkoniumin kanssa eikä muodosta kaasumaisia tuot- • »· ···! teitä (piimonoksidi) . Samaan aikaan, piidioksidin li- sääminen jopa pieninä määrinä tuottaa tuloksena 40 - . 50 %:n kasvun uhrausmateriaalin kestävyydessä johtuen ··· .···, Si02-yhdisteen muodostumisesta Al203:n kanssa (mullii- 35 tin) .Because high iron oxide content results in virtually complete oxidation of the zirconium, · · *** does not, when used in small amounts, react with zirconium and form gaseous products. you (silica). At the same time, adding even small amounts of silica produces a result of 40-. 50% increase in the durability of sacrificial material due to · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

• · 118444 7• · 118444 7

KUVIEN LYHYT KUVAUSBRIEF DESCRIPTION OF THE IMAGES

Oheinen kuva on kokeellinen käyrä, joka osoittaa strontiumoksidin konsentraation (osapaine) Psro(r> kaasufaasissa graafisesti esitettynä stron-5 tiumoksidin konsentraation Csro=n suhteen sulaneessa ytimessä vuorovaikuttamisen jälkeen uhrausmateriaalin kanssa.The figure below is an experimental curve showing the strontium oxide concentration (partial pressure) in the Psro (r > gaseous phase) plotted against the strontium oxide concentration in Csro = n after interaction with the sacrificial material.

KEKSINNÖN EDULLISTEN SUORITUSMUOTOJEN KUVAUSDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION

10 Keksinnön mukaisesti ehdotettua sintrattua oksidiuhrausmateriaalia saatiin kaksoiskalsinointime-netelmän avulla, joka menetelmä aikaansaa muodostuneiden levyjen stabiilit dimensiot. Alkuvaiheessa valmistettiin lähtökomponentit tämän jälkeistä sekoittamista 15 varten vaadituissa suhteissa. Tämän jälkeen komponentit sekoitettiin ja perusmateriaali, joka edustaa jäähdytys- ja hapettavaa ainetta, ja erikseen, koh-deapuainekomponentin (Gd203, Eu203 ja/tai Sm203) kuiva- täry tin jauhaminen (dry vibro-grinding) suoritettiin, 20 jotta saatiin jauheita, joiden partikkelikoot eivät ylittäneet 63 μτη. Kun saavutettiin 63 μπΐ:η partikkeli-koko, lopetettiin jauhaminen. Kohdeapuaineoksidien jauheet sekoitettiin perusmateriaalin osan kanssa suh-”1 2V teessä 1/10 - 1/5 (kontrolliesimerkissä ei käytetty 25 kohdeapuainetta). Saatu seos homogenisoitiin ja tämän ;3; jälkeen otettiin käyttöön jäljellä olevaan perusmate- ··· riaaliin. Sen jälkeen kun sekoittaminen oli toistettu, • 1 · · .···. saatiin kohdeapuaineen hienon jauheen tasalaatuinen • # jakautuminen jauheessa, joka sisälsi perusmateriaali- ,, 30 komponentin. Tämän jälkeen levyt puristettiin käyttä- • · mällä 5 %:sta vesipohjaista polyvinyylialkoholia hei- • ·The sintered oxide sacrifice material proposed in accordance with the invention was obtained by a double calcination process which provides stable dimensions of the sheets formed. Initially, the starting components were prepared for subsequent mixing in the required ratios. Thereafter, the components were blended and dry vibratory grinding of the target material (Gd203, Eu203 and / or Sm203) representing the cooling and oxidizing agent, and separately, was performed to obtain powders having particle sizes did not exceed 63 μτη. When the particle size of 63 μπΐ: η was reached, the milling was stopped. The target excipient oxide powders were mixed with a portion of the stock material in a ratio of 1 2V to 1/10 to 1/5 (25 control excipients were not used in the control example). The resulting mixture was homogenized and this; after that was introduced for the remaining basic material. After mixing was repeated, • 1 · ·. ···. a homogeneous distribution of the fine powder of the target excipient was obtained in a powder containing the base material, 30 components. The plates were then pressed using 5% aqueous polyvinyl alcohol to remove

’··.1 posti palavana aitojana ja poltettiin 1280 - 1300 °C'·· .1 mail as burning fence and burned at 1280-1300 ° C

lämpötilassa 2 tunnin ajan. Tämän jälkeen levyt murs- 2at 2 hours. The plates are then crushed

• M I• M I

3 .···. kattiin, jauhettiin, lajiteltiin fraktioihin, sekoi- • 1 "1 35 tettiin tilapäisen aitojan (polyvinyylialkoholin 5 %:n ί.·.· vesipohjaisen liuoksen) kanssa ja puristettiin. Lopuk- • t 118444 8 si ne poltettiin ilmassa 1320 °C lämpötilassa 6 tunnin ajan.3. ···. were cured, ground, sorted into fractions, mixed with • 1 "13 35 temporary adjuvant (5% v / v aqueous solution of polyvinyl alcohol) and pressed. The remainder were burned in air at 1320 ° C 6 for an hour.

Käytön aikana asetetaan ehdotettu oksidiuh-rausmateriaali loukkuun, esim. sijoitettu ydinreakto-5 rin alle, edullisesti yhdessä metalliuhrausmateriaalin kanssa. Epätodennäköisen onnettomuuden ja reaktorisei-nän läpi sulamisen tapauksessa, virtaa sulanut ydin, jonka lämpötila on noin 2700 °C, alas loukkuun ja on vuorovaikutuksessa uhrausmateriaalin kanssa. Tällai-10 sessa tapauksessa uhrausmateriaali sulatetaan ja se koitetaan sulaneen ytimen kanssa, aikaansaaden, ensiksi, sulan jäähdyttämisen noin 2000 °C lämpötiloihin, jotta vältetään loukun seinän sulaminen ja täten sulan lokalisoituminen ja, toiseksi sulassa läsnäolevan 15 uraanidioksidin laimentamisen täten ylläpitäen ydinre aktiota sulassa alikriittisissä olosuhteissa. Lisäksi, uhrausmateriaali hapettaa zirkoniumia sulaneessa ytimessä vähentäen zirkoniumin ja veden vuorovaikutuksen tuloksena vapautuneen vedyn määrää.During use, the proposed oxide sacrifice material is trapped, e.g., located underneath the nuclear reactor, preferably together with the metal sacrifice material. In the unlikely event of an accident and melting through the reactor wall, the molten core at about 2700 ° C flows down into the trap and interacts with the sacrificial material. In such a case, the sacrificial material is thawed and agitated with the molten core, first, to cool the molten to about 2000 ° C to avoid melting of the trap wall and thereby localize the molten, and second, to dilute the uranium dioxide present in the molten, . In addition, the sacrificial material oxidizes the zirconium in the molten core, reducing the amount of hydrogen released as a result of the interaction between the zirconium and the water.

20 Kun sulanut ydin jäähdytetään, vapautuvat ra- dionuklidit, ts. erilaisten kemiallisten elementtien radioaktiiviset isotoopit, sulasta, jotka radionukli-’ :.j.J dit, jotka tunkeutuvat suojarakennuksen rajojen ulko- *:**: puolelle, saastuttavat ympäristöä.When the molten core is cooled, the radionuclides, i.e. the radioactive isotopes of the various chemical elements, are released from the melt, which radiates into the outside of the containment, contaminating the environment.

• ·’· 25 Sulasta vapautuneiden radioaktiivisten iso-• · '· 25 Radioactive isoforms released from the melt

.***. tooppien joukosta ovat 90Sr, 144Ce, l40Ba, 140La ja 90Y. ***. among the tops are 90Sr, 144Ce, 140Ba, 140La and 90Y

kaikkein haitallisempia. Kaikki nämä isotoopit liitty- *1” vät niihin, jotka akkumuloituvat suhteellisen suurissa • · *** määrin ydinreaktoripolttoaineessa sen toiminnan aika- 30 na. Lisäksi, 90Sr, jolla on erittäin pitkä puoliintu- ··· •••ϊ misaika (28,6 vuotta), jää ympäristöön pitkäksi aikaa, ··· ·...· sillä on korkea haihtuvuus ja se voi akkumuloitua luu- . .·. ytimeen ja keuhkoihin suurina määrinä. 144Ce säilyy ··· ,··». myös ympäristössä pitkän ajan (sen puoliintumisaika on • m *** 35 284,9 vuorokautta) ja se osoittaa suurinta kykyä akku- muloitua keuhkoihin. 140Ba on yksi haihtuvimmista iso-toopeista, joka jää ympäristöön useiden vuorokausien 1 1 8444 9 ajaksi (sen puoliintumisaika on 12,75 vuorokautta); se voi akkumuloitua luuytimeen ja keuhkoihin. 140La voi akkumuloitua luuytimeen ja erityisesti keuhkoihin erittäin suurina määrin. 90Y voi akkumuloitua keuhkoi-5 hin jopa suuremmissa määrin kuin 140La.most harmful. All of these isotopes are * 1 ”related to those that accumulate at relatively high levels in the nuclear reactor fuel during its operation. In addition, 90Sr, which has a very long half-life (28.6 years), remains long-lived in the environment, ··· · ... · has high volatility and can accumulate in bone. . ·. to the core and lungs in large quantities. 144Ce retains ···, ·· ». also in the environment over a long period (with a half-life of • m *** 35 284.9 days) and demonstrates the greatest potential for accumulation in the lungs. 140Ba is one of the most volatile isotopes remaining in the environment for several days over a period of 1,1844,49 (with a half-life of 12.75 days); it can accumulate in the bone marrow and lungs. 140La can accumulate to a very large extent in the bone marrow and especially in the lungs. 90Y can accumulate to lung-5 up to 140La.

Kuten Fig. l-.ssä on esitetty, riippuu stron-tiumoksidikaasun osapaine olennaisesti epälineaarises-ti sen konsentraatiosta sulassa, nimittäin, osapaineen kasvunopeus putoaa nopeasti konsentraation kasvaessa. 10 Käyrillä, jotka osoittavat Ce-, Ba-, La- ja Y-oksidien osapaineen riippuvuuden niiden konsentraatioista sulassa on samanlainen ulkomuoto. Käyristä voidaan havaita, että mainittu epälineaarinen riippuvaisuus aikaansaa mahdollisuuden alentaa edellä mainittujen me-15 tallien radioaktiivisten isotooppioksidien pitoisuutta kaasufaasissa lisäämällä samoja oksideja mutta, jotka sisältävät ei-radioaktiivisia isotooppeja. Lisättyjen ei-radioaktiivisten isotooppien oksidien kohdalla, mikäli annetun metallioksidin kokonaiskonsentraatio su-20 lassa kasvaa, kasvaa tämän oksidin osapaine joskus vähemmässä määrin, jolloin aikaansaadaan radioaktiivisen isotoopin oksidin osapaineen aleneminen. Esimerkiksi, mikäli radioaktiivisen strontiumoksidin pitoisuus su-*:··· lassa on 0,2 %:a, on sen osapaine noin 0,3 X 10‘4 atm.As shown in Fig. 1, the partial pressure of the strontium gas depends essentially nonlinearly on its concentration in the molten liquid, namely, the rate of growth of the partial pressure drops rapidly as the concentration increases. The curves showing the partial pressure dependence of the Ce, Ba, La and Y oxides on their concentrations in the melt have a similar appearance. From the curves, it can be seen that said non-linear dependency provides the possibility of lowering the concentration of radioactive isotope oxides of the aforementioned metals in the gas phase by adding the same oxides but containing non-radioactive isotopes. For oxides of non-radioactive isotopes added, if the total concentration of the given metal oxide in the salt increases, the partial pressure of this oxide sometimes increases to a lesser extent, thereby providing a lower partial pressure of the radioactive isotope oxide. For example, if the radioactive strontium oxide has a concentration of 0.2% by weight, its partial pressure is about 0.3 X 10'4 atm.

I.·. 25 Kun lisätään 2 %:a ei-radioaktiivista strontiumoksi- • * * • · · · ,···. dia, tulee strontiumoksidin (radioaktiivinen ja ei- • · radioaktiivinen) osapaine, johtuen poikkeamasta Henryn "" laista, olemaan 0,9 x 10'4 atm, ts. ei 11 vaan ainoas- • « **** taan 3 kertaa suurempi. Koska radioaktiivinen stron- 30 tiumoksidi muodostaa 9 % sen kokonaismäärästä, tulee ...:* radioaktiivisen strontiumoksidin osapaine olemaan 9 % ·*· kokonaisstrontiumoksidiosapaineesta, ts. 0,08 χ 10'4 . .·, atm, tai melkein 4 kertaa pienempi kuin lähtöarvo. Mi- • · · .m, kali lisätään 15 % strontiumoksidia lähtösulaan, tulee * · *" 35 strontiumoksidin kokonaisosapaine olemaan 1,9 χ 10'4 *·**· atm, samalla kun radioaktiivisen strontiumoksidin osa- • · 118444 10 paine tulee vastaavasti olemaan 0,025 x 10‘4 atm, ts.I. ·. 25 Adding 2% non-radioactive strontium oxy- • * * • · · ·, ···. dia, the partial pressure of the strontium oxide (radioactive and • radioactive), due to deviation from Henry's law, will be "" 0.9 x 10'4 atm, i.e. not 11 but only 3 times higher. Since radioactive strontium oxide represents 9% of its total amount, the partial pressure of radioactive strontium oxide will be 9% · * · of the total strontium oxide pressure, i.e. 0.08 χ 10χ4. ·, Atm, or almost 4 times lower than the starting value. Mi- • · · .m, Potassium added with 15% strontium oxide to the starting melt will * · * "35 have a total strontium oxide pressure of 1.9 · 10 · 4 * · ** · atm, while the radioactive strontium correspondingly to be 0.025 x 10'4 atm, i.e.

12 kertaa pienempi kuin lähtöpaine.12 times lower than starting pressure.

Stabiilien isotooppien käyttöönotto oksidien muodossa yhdessä oksidiuhrausmateriaalin kanssa sula-5 neeseen ytimeen voi monesti vähentää vastaavien radioaktiivisten isotooppien konsentraatiota kaasufaasissa. Tällaisessa tapauksessa SrO toimii selektiivisesti 90Sr-isotoopin kohdalla, Ce02 toimii selektiivisesti 144Ce-isotoopin kohdalla, BaO toimii selektiivisesti 10 140Ba-isotoopin kohdalla, La203 toimii selektiivisesti 140La-isotoopin kohdalla ja Y203 toimii selektiivisesti 90Y-isotoopin kohdalla. Tämän keksinnön tekijät ovat havainneet, että SrO:n, Ce02:n, BaO:n, Y203:n, La203:n käyttöönotto määrinä jopa 15 paino-% uhrausmateriaa-15 liin aikaansaa mahdollisuuden vähentää 90Sr:n, 144Ce:n, 140Ba:n, 90Y:n ja 140La:n aiheuttamaa kokonaisvaaraa niin paljon, että niiden vaara on verrannollinen paljon vähemmän vaarallisten isotooppien aiheuttamaan vaaraan.The introduction of stable isotopes in the form of oxides, together with the oxide sacrifice material, into the molten core can often reduce the concentration of the respective radioactive isotopes in the gas phase. In such a case, SrO is selective for 90Sr, CeO2 is selectively for 144Ce, BaO is selectively for 140Ba, La2O3 is selectively for 140La, and Y203 is selectively for 90Y. The present inventors have found that the introduction of SrO, CeO 2, BaO, Y 2 O 3, La 2 O 3 in amounts up to 15% by weight in sacrificial material-15 provides the potential to reduce 90Sr, 144Ce, 140Ba: n, 90Y and 140La to such an extent that their risk is commensurate with that of less dangerous isotopes.

Kohdeapuaineen yläraja on edullisesti 15 pai-20 no-%:a. Kun kohdeapuaineen pitoisuus on suurempi kuin 15 paino-%:a, alkaa ydinreaktorin sulaneen ytimen lo-kalisaation tehokkuus alentua. On edullista, että kun-kin näiden oksidien pitoisuus (tai niiden yhdistelmän) •j··: alataso on 2 paino-%:a, edullisemmin 3 paino-%:a si- j .·. 25 ten, että niiden käyttöönoton vaikutus ei olisi liian .···. heikko, koska mainittujen oksidien pienemmän pitoisuu- *)·, den kohdalla, lähenee kaasuf aasin osapaineen riippu- “Λ* vuus niiden pitoisuudesta sulassa Henryn lain kuvaamaa • · '** teoreettista käyrää (ts. siitä tulee lineaarinen) .The upper limit of the target excipient is preferably 15% by weight to 20% by weight. When the concentration of the target excipient is greater than 15% by weight, the efficiency of the leaching of the nuclear reactor molten core begins to decrease. It is preferred that the concentration of each of these oxides (or a combination thereof) is less than 2% by weight, more preferably less than 3% by weight. 25 so that the impact of their introduction would not be too great. weak, because for the lower concentration of said oxides, the dependence of the gas phase partial pressure on their concentration in the molten approximates the theoretical curve (i.e. becomes linear) of Henry's law.

30 Kun sula saavuttaa uhrausmateriaalin, tapah- ··* ···· tuu uhrausmateriaalin sulamista ja sulan jäähtymistä.30 When the molten material reaches the sacrificial material, ·· * ···· causes the sacrificial material to melt and the molten to cool.

*·..* Kun käytetään edullista materiaalin koostumusta, jossa ϊ ;*· jäähdytys- ja hapettava aine sisältää 46 - 80 paino- M» ·***. %:a Fe203:a ja/tai Fe304:ä ja 16 - 50 paino-%:a Al203:a,* · .. * When using a preferred material composition wherein ϊ; * · the cooling and oxidizing agent contains 46 to 80% by weight M · · ***. Fe 2 O 3 and / or Fe 3 O 4 and 16 to 50% by weight Al 2 O 3,

• M• M

* , 35 tapahtuu suurtehoeksoterminen reaktio lämmön kehitty- misellä sulan ja tällaiseen oksidiuhrausmateriaaliin ·***« sisältyvien suhteellisten suurten rautaoksidimäärien 118444 11 vuorovaikutuksen etuosassa, johtuen zirkoniumin kiivaasta hapettumisesta, jolloin sula joksikin aikaa jää nesteeksi, helpottaen sen hyvää sekoittumista uhraus-materiaalin kanssa ja sen tehokasta laimentumista tä-5 män materiaalin avulla. Mainitun vuorovaikutuksen korkea aktiivisuus aikaansaa uhrausmateriaalikomponent-tien ja sulaneen ytimen tasaisen sulan nopean muodostumisen ja sulan nopeamman jäähtymisen johtuen kiivaasta lämmönpoistumisesta loukun seinien läpi nes-10 teestä loukussa. Mainittu lämmön vapautuminen uhraus-materiaalin ja sulaneen ytimen rajalla ehkäisee sulaa kiteytymästä mainitulla rajalla ja, tuloksena, uhraus-materiaalin ja sulaneen ytimen välisen vuorovaikutus-reaktion muuttumista korkean nopeuden nestefaasireak-15 tiosta hitaan nopeuden kiinteäfaasireaktioksi. Tämä, vuorostaan, ehkäisee reagoimattoman uhrausmateriaalin kiinteän kuoren muodostumisen loukun seinän lähellä ja, tämän tuloksena, alentaa lämmön poistumista mainittujen seinien läpi, joka alentuminen hidastaa jääh-20 dyttämistä.*, 35 undergoes a high-power exothermic reaction with heat generation at the forefront of the interaction of molten and relatively large amounts of iron oxide 118444 11 contained in such oxide sacrificial material, due to the intense oxidation of the zirconium, leaving the molten with liquid for some time effective dilution with this material. The high activity of said interaction results in rapid formation of sacrificial material components and molten core and faster cooling of the molten due to vigorous heat removal through the trap walls from the liquid in the trap. Said release of heat at the boundary between the sacrificial material and the molten core prevents melt crystallization at said boundary and, as a result, the conversion of the sacrificial material to the molten core from a high speed liquid phase reaction to a slow speed solid phase reaction. This, in turn, prevents the formation of a solid shell of unreacted sacrificial material near the trap wall and, as a result, reduces heat dissipation through said walls, which reduction slows down cooling.

Zirkoniumin kiivas hapettuminen ehkäisee sen vuorovaikutusta vesihöyryn kanssa suojarakennuksessa ja veden, joka on aikaansaatu sulan jäähdyttämiseksi, kanssa ja täten vedyn muodostumista ja akkumuloitumis-25 ta, joka voi johtaa palamiseen ja räjähdykseen.The intense oxidation of the zirconium prevents its interaction with water vapor in the containment and with water provided to cool the molten, and thus hydrogen formation and accumulation, which can lead to combustion and explosion.

Johtuen uraanioksidin hyvästä laimentumisesta ·»· sulassa alumiini- ja rautaoksidien kanssa, tulee sulan .··*. oksidiosasta kevyempi ja se nousee pinnalle sulan me- • · tallisen osan yläpuolelle, ts. tapahtuu sulan inver- . 30 siota. Metallikomponenttien liikkuminen alaspäin eh- • · · käisee vedyn muodostumista, joka vety aiheutuu metal- * · *···* lisen komponentin tällaisten metallien kuten kromin, ; raudan ja nikkelin hapettumisesta vesihöyryn kanssa.Due to the good dilution of uranium oxide · »· in the molten aluminum and iron oxides, the molten ·· *. • lighter than the oxide moiety and rising to the surface above the · · metal part of the molten, i.e. inverting the molten one. 30 siots. The downward movement of the metal components prevents the formation of hydrogen, which is caused by a metal component such as chromium,; oxidation of iron and nickel with water vapor.

* · · Nämä metallit eivät hapetu uhrausmateriaalin oksidien · ♦ • , 35 avulla kunnes kaikki zirkonium on hapetettu. Koska ] zirkonium on hyvin liukeneva sulan oksidiosaan, jatkuu * * sen hapettuminen myös sulan inversion jälkeen.* · · These metals do not oxidize with the oxides of the sacrificial material · ♦ •, 35 until all zirconium is oxidized. Because zirconium is highly soluble in the oxide moiety of the molten, it * * continues to oxidize even after inversion of the molten.

12 1 1 8444 Tällaisessa tapauksessa, huolimatta alumiini-oksidin korkeasta pitoisuudesta uhrausmateriaalissa, ei zirkonium sulasta reagoi alumiinioksidin kanssa muodostaen kaasumaisia tuotteita, jotka edesauttavat 5 radionuklidien vapautumista. Tämä johtuu siitä tosiasiasta, että rauta- ja alumiinioksidit yhdessä muodostavat yhdisteitä (kiinteitä liuoksia). Alumiinioksidi tällaisessa kiinteässä liuoksessa, sen sulaessa, ei hapeta zirkoniumia sulasta, jolloin ehkäistään kaa-10 sumaisten tuotteiden muodostuminen.12 1 18444 In this case, despite the high content of alumina in the sacrificial material, the zirconium molten does not react with the alumina to form gaseous products that facilitate the release of radionuclides. This is due to the fact that iron and aluminum oxides together form compounds (solid solutions). Aluminum oxide in such a solid solution, when melted, does not oxidize the zirconium in the molten, thus preventing the formation of caustic products.

Edullisesti, ehdotetulla oksidiuhrausmateri-aalilla on koostumus, jossa rauta- ja alumiinipitoi-suudet on tasapainotettu siten, että aikaansaadaan zirkoniumin täydellinen hapettuminen sulaneessa yti-15 messä, jotta ehkäistään vedyn muodostuminen, jonka ak-kumuloituminen voi johtaa sen palamiseen ja räjähdykseen, ja vähennetään muiden haihtuvien aineiden muodostuminen ja täten haituvien radionuklidien vapautuminen ympäristöön.Preferably, the proposed oxide sacrificial material has a composition in which iron and aluminum contents are balanced to achieve complete oxidation of the zirconium in the molten core to prevent the formation of hydrogen whose accumulation can lead to its combustion and explosion, and formation of volatile substances and thus release of harmful radionuclides into the environment.

20 Mikäli Fe203- ja/tai Fe304-pitoisuus materiaa lissa on alle 46 paino-%, ei aikaansaada zirkoniumin täydellistä hapettumista johtuen hapen puutteesta, jo- • · * *·:·* ka voi johtaa vedyn ja muiden vaarallisten kaasumais- ten ja haihtuvien tuotteiden muodostumiseen ja täten • * ·.: j 25 lisää radionuklidien vapautumista. Mikäli Fe203- ja/tai20 If the Fe203 and / or Fe304 content in the material is less than 46% by weight, complete oxidation of the zirconium due to lack of oxygen, which can lead to hydrogen and other dangerous gaseous and volatile substances, is not achieved. formation of products and thus • * · .: j 25 increases the release of radionuclides. If Fe 2 O 3 and / or

Fe3C>4-pitoisuus ylittää 80 paino-%:a, tulee kokonais-··« vuorovaikutuksesta eksoterminen ja tapahtuu huomatta- .**·. vaa ja hyväksymätöntä kaasumaisten ja haihtuvien tuot- • · « * teiden, ja täten radionuklidien, vapautumista.The Fe3C> 4 content exceeds 80% by weight, the total ·· «interaction becomes exothermic and occurs remarkably. **. • · «* release of gaseous and volatile products, and thus radionuclides.

3 0 Mikäli Ai203-pitoisuus on alle 16 paino-%:a, "I* ei eksoterminen reaktio tule olemaan loukun oksidima- • · *·;·' teriaalin kuumennuksen endotermisen vaikutuksen korini vaarna ja muodostunut eksoterminen vaikutus johtaa koko sulalokalisaatiolaitteen itselämpiämiseen. Mikäli • · · . 35 A1203-pitoisuus ylittää 50 paino-%:a, ei tapahdu zir- [ koniumin hapettumista johtuen Fe203:n ja/tai Fe3C>4:n puuttumisesta, sulan nesteytymislämpötila nousee ja 118444 13 vedyn muodostumista tapahtuu hapettumattoman zirkoniumin ja vesihöyryn kosketuksen tuloksena, jolloin vedyn palamisen ja räjähtämisen todennäköisyys olennaisesti kasvaa.3 0 If the Ai203 content is less than 16% by weight, "I * the non-exothermic reaction will not be a hazard of the oxidative effect of the trap's heating of the trap and the resulting exothermic effect will result in self-warming of the melt melting device. · · · 35 Al20Oittää content greater than 50% by weight, no oxidation of zirconium due to the absence of Fe20O3 and / or Fe3O>, elevated melt liquefaction temperature and formation of 118444 13 hydrogen in non-oxidized zirconium and water vapor. resulting in substantially increased likelihood of hydrogen combustion and explosion.

5 Si02:n pienten määrien lisääminen ehdotettuun materiaaliin, kuten edellä on osoitettu, lisää olennaisesti sen kestävyyttä, ilman, että aiheuttaa järjestelmän, sisältäen loukkuoksidimateriaalin ja reaktorin sulaneen ytimen, kerrostumista.Addition of small amounts of SiO 2 to the proposed material, as indicated above, substantially increases its durability without causing deposition of the system including the trapped oxide material and the molten core of the reactor.

10 Mikäli Si02-pitoisuus ylittää 4 paino-%:a li sääntyy kaasunkehitys ja sulan kerrostumisen todennäköisyys kasvaa johtuen sulatusprosessista, sillä tuloksella, että myös radionuklidien vapautuminen lisääntyy. Mikäli SiC>2-pitoisuus on alle 1 paino-%:a, ei 15 aikaansaada merkittävää kasvua uhrausmateriaalin kestävyydessä .If the SiO 2 content exceeds 4% by weight, gas evolution increases and the likelihood of melt deposition increases due to the smelting process, with the result that radionuclide release is also increased. If the SiO 2 content is less than 1% by weight, no significant increase in the durability of the sacrificial material is achieved.

Ehdotetun materiaalin kyky aikaansaada ydinreaktorin sulaneen ytimen tehokas lokalisaatio arvioitiin mallikokeiden ja termodynaamisten laskelmien 20 avulla.The ability of the proposed material to provide efficient localization of the fused core of the nuclear reactor was evaluated by model tests and thermodynamic calculations.

Koevarusteiden, jotka oli suunniteltu toteuttamaan korkeataajuista induktiosulattamistekniikkaa • · · ’·*·’ kylmässä upokkaassa, mallikokeiden aikana erityisesti * ” tällaisten kokeiden suorittamiseksi kehitettyjen me- • · :.· · 25 nettelyjen mukaisesti, määritettiin seuraavat arvot: ehdotetun materiaalin vuorovaikutuksen nopeus ydinre-··· aktorin sulaneen ytimen kanssa, vuorovaikutuksen alku- »II· ;·**. lämpötila ja nesteytymisseoksen, joka sisältää sulan • · · ja uhrausmateriaalin, lämpötila. Ehdotetun uhrausmate-30 riaalin näyte asetettiin kylmän upokkaan pohjaosaan. Induktorista olevan yksikön skriinaus (screening) ai-’·* kaansaatiin vesi jäähdytetyn näytön avulla. Luukku, ί,·.: jossa oli aukot pyrometrin ontelon asentamiseksi, huuhdesyvyyden mittaamiseksi ja sulan pinnan tarkkai-] . 35 lemiseksi, asetettiin uunin sinetöityyn kvartsikuoreen | kylmän upokkaan yläpuolelle. Ennen tätä sulanut ydin valmistettiin ei-säteilytetystä reaktoripolttoaineesta 118444 14 induktiivisen sulattamisen avulla kylmässä upokkaassa, jonka seurauksena sula tuotiin kosketukseen uhrausma-teriaalikappaleen kanssa siirtämällä se kosketus-vyöhykkeelle sulan kanssa. Upokas, jossa oli sula, 5 asetettiin työpöydälle, joka oli varustettu välineillä upokkaan siirtämiseksi pystysuorassa induktorin ja näytön suhteessa. Vuorovaikutuksen reunan siirtymisno-peus määritettiin ajan hetkillä, joina sula kosketti uhrausmateriaaliin asetettujen termoelementtien kuumia 10 päitä. Isotooppien osapaine määritettiin vastaavien sulien yläpuolella olevan kaasufaasin korkealämpötila-massaspektrometrian avulla.The following values were determined for experimental equipment designed to perform high-frequency induction melting techniques in a cold crucible, in particular during the model experiments, specifically * ':: · · 25: the rate of interaction of the proposed material with the core. ··· with the molten core of the actor, the beginning of the interaction »II ·; · **. temperature and temperature of the liquefaction mixture containing • · · and the sacrificial material. A sample of the proposed sacrificial substance 30 was placed in the bottom of a cold crucible. Screening of the unit from the inductor was done by means of a water-cooled screen. Door, ί, · .: with openings for mounting the pyrometer cavity, measuring the rinsing depth, and monitoring the molten surface. 35, was placed in a sealed quartz oven oven | above the cold crucible. Prior to this, the melted core was prepared from non-irradiated reactor fuel 118444 14 by inductive melting in a cold crucible, which resulted in the molten being brought into contact with the sacrificial material body by moving it into the contact zone with the molten material. The molten crucible was placed on a desk provided with means for moving the crucible in a vertical relationship with the inductor and display. The rate of transition of the interaction edge was determined at the time points in which the melt touched the hot 10 ends of the thermocouples placed in the sacrificial material. The partial pressure of the isotopes was determined by high temperature mass spectrometry of the gas phase above the respective feathers.

Kaasun kehitys määritettiin kokeellisesti ja teoreettisesti kaasumaisen tuotteiden (kaasut ja höy-15 ryt) määränä järjestelmän, joka koostuu ytimen sulan ja uhrausmateriaalin komponenteista, yläpuolella, sulan huuhteen muodostumisen lämpötilassa, käyttämällä verifioitua ohjelmaa ja IVTANTHERMO tietokantaa, joka sisältää tietoa termodynaamisista ominaisuuksista.The evolution of gas was experimentally and theoretically determined as the amount of gaseous products (gases and vapors) above the system consisting of the components of the core molten and sacrificial material at the temperature of molten rinsing using a verified program and the IVTANTHERMO database containing thermodynamic properties.

20 Lämpövaikutus laskettiin erona järjestelmän lämpöpitoisuuksien välillä, ts. lämmön määränä, joka vapautui jäähdytettäessä sulaa uhrausmateriaalin avul-la, ottaen huomioon kaikki järjestelmässä tapahtuvat reaktiot, termodynaamisten laskelmien avulla käyttäen Jj : 25 samaa ohjelmaa ja IVTANTHERMO tietokantaa.The thermal effect was calculated as the difference between the system heat contents, i.e. the amount of heat released during cooling of the molten sacrificial material, taking into account all reactions in the system, by thermodynamic calculations using J? 25 of the same program and the IVTANTHERMO database.

;***; Seuraavassa Taulukossa on esitetty esimerkke- ··· .:. jä uhrausmateriaaleista, jotka on muodostettu keksin- ···· .···. non mukaisesti ja testattu keksijöiden toimesta, jossa • · niiden koostumus ja ominaisuudet on indikoitu. Esi- . 30 merkki 1 kohdistuu kontrollioksidiuhrausmateriaaliin, • · · *”j joka ei sisältänyt kohdeapuainetta; esimerkit 2-9 • · '···* kohdistuvat oksidiuhrausmateriaaleihin, jotka sisälsi- : vät keksinnön mukaisia kohdeapuaineita.; ***; The following table shows an example ···.:. and sacrificial materials created by the inventor ····. ···. and tested by the inventors, where their composition and properties are indicated. Front. 30 mark 1 is for control oxide sacrifice material that did not contain the target excipient; Examples 2-9 are directed to oxide sacrificial materials containing the target excipients of the invention.

• * · • · · • · • · *·· • # 35 Taulukko. SrO:n Ce02:n, BaO:n, Y203:n ja | La203:n käyttöönoton vaikutus oksidiuhrausmateriaalin * * tunnusmerkkeihin.• * · # · Table # 35 Table. SrO CeO2, BaO, Y2O3 and? Effect of La203 Deployment on Oxide Sacrifice Material * * Characteristics.

118444 15118444 15

Materiaali- Esimerkki nro.Material - Example no.

koostumus, 123456789 paino-%____________—composition, 123456789% by weight ____________—

Fe203 50 65 - - 26 49, - - 60 ______6____Fe203 50 65 - - 26 49, - - 60 ______6____

Fe3Q4__- _ 79 62 30 _ 52 55 _ A1203 46 23, 16 20 23 31 40 25 17 ___8________Fe3Q4 __- _ 79 62 30 _ 52 55 _ A1203 46 23, 16 20 23 31 40 25 17 ___8________

Si02_ 4,0 1,0 1,0 4,0 4,0 4,0 4,0 1,0 4,0Si02_ 4.0 1.0 1.0 4.0 4.0 4.0 4.0 1.0 4.0

SrO__10 - -_ 10 _SrO__10 - -_ 10 _

Ce02__- _3,0 10 5 _Ce02 __- _3.0 10 5 _

BaO__- __15 _ Y203__- _ 3,0 15 _BaO __- __15 _ Y203 __- _ 3,0 15 _

La203 __-__-__-__-_ ~__15La203 __-__-__-__-_ ~ __15

Oksi- 90Sr 15 3 15 16_3_16 15 15 15_ diosa- 144Ce 31 32__12_5_ 10 32_31 31 31_ paine, 140Ba 17 18 17 17 18 2_17 16 17 atmxlO 90Y 9 9 9 9__8_ 10 3 1 10 l_140La |l2 fll 13 12 12 11 \12 13 [2Oxy- 90Sr 15 3 15 16_3_16 15 15 15_ diosa- 144Ce 31 32__12_5_ 10 32_31 31 31_ pressure, 140Ba 17 18 17 17 18 2_17 16 17 atmxlO 90Y 9 9 9 9__8_ 10 3 1 10 l_140La | l2 fll 13 12 12 11 \ 12 13 [2

Taulukosta voidaan nähdä, että ehdotettu uh- • ·*. rausmateriaali, joka sisältää kohdeapuaineen, voi mo- ··· ninkertaisesti (jopa 7-kertaisesti) vähentää haihtuvi- • · j 5 en radioaktiivisten isotooppien, erityisesti stron- • · · tiumin ja ceriumin, pitoisuutta kaasufaasissa ydinre- • · *·”* aktorin sulaneen ytimen yläpuolella.From the table it can be seen that the proposed threat • · *. • the carrier material containing the target excipient can · ··· reduce (up to 7-fold) the volatile content of radioactive isotopes, • in particular strontium and cerium, in the gas phase • · * · ”* above the molten core of the actor.

« «···«« ···

TEOLLINEN KÄYTTÖKELPOISUUSINDUSTRIAL USEFULNESS

10 Ehdotettua materiaalia voidaan käyttää lou- m *\‘ kuissa ydinreaktorin sulanutta ydintä varten, erityi- **'*· sesti ydinvoimalareaktoreissa ja muissa ydinvoimava- ·>* \ rusteissa, niiden turvallisuuden aikaansaamiseksi.The proposed material may be used in quarries for the melted core of a nuclear reactor, in particular, in nuclear power reactors and other nuclear reactors, for their safety.

• · · • « · *·· 15 • * * ·• · · • «· * ·· 15 • * * ·

Claims (7)

1. Oxidmaterial för en fälla för en kärnreak-'1 tors smultna kärna, vilket oxidmaterial omfattar ett kylmedel och ett oxiderande ämne för kylande av den 5 smultna kärnan och för oxiderande av dess mest aktiva komponenter, kännetecknat därav, att det ytterligare innehäller ett mälhjälpmedel, vilket be-stär av ätminstone en oxid, vilken är vald ur en grupp, vilken innehäller SrO, Ce02, BaO, Y203 och La203. 10An oxide material for a trap for a cored core, said oxide material comprising a coolant and an oxidizing agent for cooling the molten core and for oxidizing its most active components, characterized in that it further contains a melting agent. , which consists of at least one oxide selected from a group containing SrO, CeO2, BaO, Y2 O3 and La2 O3. 10 2. Oxidmaterial enligt patentkrav 1, kän netecknat därav, att haiten mälhjälpmedel är tili och med 15 vikt-%.2. Oxide material according to claim 1, characterized in that the abrasive auxiliary auxiliary is up to 15% by weight. 3. Oxidmaterial enligt patentkrav 2, kännetecknat därav, att halten mälhjälpmedel är 2 15 - 15 vikt-%.3. Oxide material according to claim 2, characterized in that the content of milling aids is 2 to 15% by weight. 4. Oxidmaterial enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknat därav, att halten mälhjälpmedel är 3 - 15 vikt-%4. Oxide material according to claim 2 or 3, characterized in that the content of flour auxiliary is 3-15% by weight 5. Oxidmaterial enligt nägot av patentkraven 20 1 - 4, kännetecknat därav, att kylmedlet och det oxiderande ämnet innehäller Fe203 och/eller . Fe304 och AI2O3, väri halten Fe203 och/eller Fe304 är 46 *·:·1 - 80 vikt-%, halten Al203 är 16 - 50 vikt-%.Oxide material according to any of claims 20 to 4, characterized in that the coolant and the oxidizing agent contain Fe 2 O 3 and / or. Fe304 and Al2O3, where the content of Fe2O3 and / or Fe304 is 46 * ·: · 1 - 80% by weight, the content of Al2O3 is 16 - 50% by weight. * ** 6. Oxidmaterial enligt nägot av patentkraven • » 25 1-5, kännetecknat därav, att det ytterli- gare innehäller Si02 i en mängd, som är tili och med 4 ··· vikt-%. ···1 .***.* ** 6. Oxide material according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it further contains SiO 2 in an amount which is up to and including 4 ···% by weight. ··· 1. ***. 7. Oxidmaterial enligt patentkrav 6, k ä n - ··· netecknat därav, att halten Si02 är 1 - 4 .. 30 vikt-%. • · • ·· ·♦· • · • · ··· • · • 1 · • ♦ · ··· · ··« • · • ··1 « · • · · ··· ·7. Oxide material according to claim 6, characterized in that the content of SiO 2 is 1-4 .. 30% by weight. • · • ·· · ♦ · · · · · ··· · · · 1 · • ♦ · ··· · ·· «• · • ·· 1« · • · · ··· ·
FI20040516A 2001-10-12 2004-04-08 Oxide material trapped in the melted core of a nuclear reactor FI118444B (en)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001128174 2001-10-12
RU2001128174/06A RU2192053C1 (en) 2001-10-12 2001-10-12 Oxide material of nuclear-reactor molten core catcher
RU0200027 2002-01-25
RU0200027 2002-01-25
RU0200146 2002-04-02
PCT/RU2002/000146 WO2003032325A1 (en) 2001-10-12 2002-04-02 Oxide material for the molten core catcher of a nuclear reactor

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20040516A0 FI20040516A0 (en) 2004-04-08
FI20040516A FI20040516A (en) 2004-06-11
FI118444B true FI118444B (en) 2007-11-15

Family

ID=20253807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20040516A FI118444B (en) 2001-10-12 2004-04-08 Oxide material trapped in the melted core of a nuclear reactor

Country Status (2)

Country Link
FI (1) FI118444B (en)
RU (1) RU2192053C1 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008513553A (en) 2004-09-14 2008-05-01 カーボ、サラミクス、インク Sintered spherical pellet
US7615172B2 (en) 2005-03-01 2009-11-10 Carbo Ceramics, Inc. Methods for producing sintered particles from a slurry of an alumina-containing raw material
US7828998B2 (en) 2006-07-11 2010-11-09 Carbo Ceramics, Inc. Material having a controlled microstructure, core-shell macrostructure, and method for its fabrication
EA015865B1 (en) 2006-08-30 2011-12-30 Карбо Керамикс Инк. Low bulk density proppant and methods for producing the same
EA201000114A1 (en) 2007-07-06 2010-06-30 Карбо Керамикс Инк. PROPPANT AND METHOD OF HYDRAULIC PLASTING OF THE PLATE (OPTIONS)
RU2586224C1 (en) * 2015-01-28 2016-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Single-phase ceramic oxide material for core melt localisation device
RU2605693C1 (en) * 2015-12-17 2016-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Oxide material of nuclear reactor core melt trap
RU2746985C1 (en) * 2020-10-05 2021-04-23 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) Method for immobilizing strontium radionuclides in ceramics

Also Published As

Publication number Publication date
FI20040516A (en) 2004-06-11
FI20040516A0 (en) 2004-04-08
RU2192053C1 (en) 2002-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Goto et al. Phase diagram of the system BaO‐Fe2O3
Amoroso et al. Melt processed single phase hollandite waste forms for nuclear waste immobilization: Ba1. 0Cs0. 3A2. 3Ti5. 7O16; A= Cr, Fe, Al
FI118444B (en) Oxide material trapped in the melted core of a nuclear reactor
CN1210723C (en) Oxide material for molten core catcher of nuclear reactor
Kulkarni et al. Studies on stabilised zirconia as host phase for the fixation of actinides, rare-earths and sodium
RU2212719C2 (en) Oxide material of nuclear-reactor molten core catcher
Nakashima et al. Characterization of solidified products yielded by plasma melting treatment of simulated non-metallic radioactive wastes
Giacchetti et al. Behavior of molybdenum in mixed-oxide fuel
RU2178924C1 (en) Charge for producing material ensuring confinement of nuclear reactor molten corium
RU2517436C2 (en) Method of producing ceramic material for nuclear reactor core melt localising apparatus
RU2242814C1 (en) Method for recovering reactor graphite waste
Uda et al. Decontamination of uranium-contaminated mild steel by melt refining
Jeon et al. Compositional design of an amphoteric chemical trap for the capturing of gaseous cesium and iodine in UO2 nuclear fuel
JP2002020827A (en) Melting crucible
Gombert et al. Cold-Crucible design parameters for next generation HLW melters
FI118445B (en) Oxide material for the trap of a nuclear reactor's molten jacket
Tumurugoti Phase-Pure and Multiphase Ceramic Waste Forms: Microstructure Evolution and Cesium Immobilization
Lee et al. Processing ceramics for radioactive waste immobilisation
RU2383070C1 (en) Method for metallurgical processing spent (exposed) solid nuclear fuel
Fischer et al. Investigation of the distribution of fission products among molten fuel and reactor phases:(II). The distribution of fission products between molten iron and a molten uranium dioxide-basalt mixture
Kalenova et al. A Flux Based on the Eutectic MnO–Al2O3 System for the Selective Extraction of Fissile Materials from Diffusion-Contaminated Metal Radioactive Waste by Induction Slag Remelting
Westrich The solubility of LWR core debris in sacrificial floor material
EA003961B1 (en) Ceramic material for catching a melt of active zone of nuclear rector
Vienna et al. Chemistry of rare earth oxalate vitrification
Brownell et al. Thermal process for immobilization of radioactive wastes

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 118444

Country of ref document: FI

MM Patent lapsed