FI118444B - Oksidimateriaali ydinreaktorin sulaneen ytimen loukkuun - Google Patents

Description

118444

OKSIDIMATERIAALI YDINREAKTORIN SULANEEN YTIMEN LOUKKUUN

KEKSINNÖN ALA

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.

TUNNETUN TEKNIIKAN KUVAUS

* 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.

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.

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.

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.

• · ·

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.

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.

m

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.

• · • · » *. 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 %.

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.

• · · *·!·* 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.

·*·· ···

KEKSINNÖN YHTEENVETO

: ;*; 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.

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.

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)

«M

isotooppioksideja uhrausmateriaaliin, alentaa olennai- • · · · ,···, sesti (moninkertaisesti) kaasufaasin radioaktiivisten • · isotooppien konsentraatiota.

. 30 Mainitun kohdeapuaineen pitoisuus voi olla • · •;;j jopa 15 paino-%:a, edullisesti 2-5 paino-%:a, edul- • · *···* lisemmin 3-15 paino-%:a.

* : 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.

118444 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.

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.

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.

Ehdotettu oksidiuhrausmateriaali voi edelleen : 25 sisältää Si02:a määränä jopa 4 paino-%:a, edullisesti • · · · ;***· 1-4 paino-%:a.

···

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) .

• · 118444 7

KUVIEN LYHYT KUVAUS

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.

KEKSINNÖN EDULLISTEN SUORITUSMUOTOJEN KUVAUS

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- • ·

’··.1 posti palavana aitojana ja poltettiin 1280 - 1300 °C

lämpötilassa 2 tunnin ajan. Tämän jälkeen levyt murs- 2

• 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.

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.

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.

• ·’· 25 Sulasta vapautuneiden radioaktiivisten iso-

.***. tooppien joukosta ovat 90Sr, 144Ce, l40Ba, 140La ja 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.

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.

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.

12 kertaa pienempi kuin lähtöpaine.

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.

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) .

30 Kun sula saavuttaa uhrausmateriaalin, tapah- ··* ···· tuu uhrausmateriaalin sulamista ja sulan jäähtymistä.

*·..* 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,

• 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.

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.

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.

* · · 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.

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.

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.

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/tai

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.

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.

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.

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 .

Ehdotetun materiaalin kyky aikaansaada ydinreaktorin sulaneen ytimen tehokas lokalisaatio arvioitiin mallikokeiden ja termodynaamisten laskelmien 20 avulla.

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.

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.

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.

;***; 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.

• * · • · · • · • · *·· • # 35 Taulukko. SrO:n Ce02:n, BaO:n, Y203:n ja | La203:n käyttöönoton vaikutus oksidiuhrausmateriaalin * * tunnusmerkkeihin.

118444 15

Materiaali- Esimerkki nro.

koostumus, 123456789 paino-%____________—

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

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 4,0

SrO__10 - -_ 10 _

Ce02__- _3,0 10 5 _

BaO__- __15 _ Y203__- _ 3,0 15 _

La203 __-__-__-__-_ ~__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 [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.

« «···

TEOLLINEN KÄYTTÖKELPOISUUS

10 Ehdotettua materiaalia voidaan käyttää lou- m *\‘ kuissa ydinreaktorin sulanutta ydintä varten, erityi- **'*· sesti ydinvoimalareaktoreissa ja muissa ydinvoimava- ·>* \ rusteissa, niiden turvallisuuden aikaansaamiseksi.

• · · • « · *·· 15 • * * ·

Claims (7)

118444 16

1. Oksidimateriaali ydinreaktorin sulaneen ytimen loukkuun, joka oksidimateriaali sisältää jäähdytys- ja hapettavan aineen sulaneen ytimen jäähdyttä-5 miseksi ja sen aktiivisimpien komponenttien hapettami-seksi, tunnettu siitä, että se 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.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen oksidimate riaali, tunnettu siitä, että kohdeapuaineen pitoisuus on jopa 15 paino-%:a.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen oksidimateriaali, tunnettu siitä, että kohdeapuaineen pi- 15 toisuus on 2 - 15 paino-%:n välillä.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen oksidimateriaali, tunnettu siitä, että kohdeapuaineen pitoisuus on 3 - 15 paino-%:n välillä.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukai- 20 nen oksidimateriaali, tunnettu siitä, että jäähdytys- ja hapettava aine sisältää Fe203:a ja/tai . Fe304:a ja Al203:a, jossa Fe203:n ja/tai Fe304:n pitoi- • · *". suus on 46 - 80 paino-%:a, Al203:n pitoisuus on 16 - 50 . .1 paino-%:a. • 1 ·

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukai- • *...1 nen oksidimateriaali, tunnettu siitä, että se edelleen sisältää Si02:a määränä jopa 4 paino-%:a. ···

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen oksidimateriaali, tunnettu siitä, että Si02:n pitoisuus on ··· 30 1-4 paino-%:n välillä. «··· • · • · • · ··» • · · • · • · · · · • 1 • · • · · • · • · 118444 17