RU2244351C2 - Finely dispersed solid coolant and its production process - Google Patents

Finely dispersed solid coolant and its production process Download PDF

Info

Publication number
RU2244351C2
RU2244351C2 RU2003106450/06A RU2003106450A RU2244351C2 RU 2244351 C2 RU2244351 C2 RU 2244351C2 RU 2003106450/06 A RU2003106450/06 A RU 2003106450/06A RU 2003106450 A RU2003106450 A RU 2003106450A RU 2244351 C2 RU2244351 C2 RU 2244351C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coolant
particles
mixture
temperature
particle
Prior art date
Application number
RU2003106450/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003106450A (en
Inventor
В.П. Денискин (RU)
В.П. Денискин
А.М. Дмитриев (RU)
А.М. Дмитриев
В.П. Исаков (RU)
В.П. Исаков
С.Д. Курбаков (RU)
С.Д. Курбаков
В.И. Наливаев (RU)
В.И. Наливаев
И.И. Федик (RU)
И.И. Федик
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
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
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
Priority to RU2003106450/06A priority Critical patent/RU2244351C2/en
Publication of RU2003106450A publication Critical patent/RU2003106450A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2244351C2 publication Critical patent/RU2244351C2/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

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: nuclear engineering.
SUBSTANCE: finely dispersed solid coolant meant for use in nuclear reactors is produced in the form of spherical particles. Each spherical particle of finely dispersed solid coolant has nucleus of amorphous nongraphitic carbon material whose diameter amounts to 0.3 - 0.6 of coolant particle diameter. Proposed coolant production process includes compaction of particles by pyrolysis of hydrocarbons in fluidized bed. Source material for coolant particle nuclei is usually one of resins such as universal cation-exchange resin KU-23. Resin particles are heated to 1000 - 1200 °C and treated at this temperature with hydrocarbon-hydrogen mixture.
EFFECT: enhanced stability and reliability of heat transfer.
7 cl, 2 tbl, 5 ex

Description

Изобретения относятся к области эксплуатации ядерных реакторов, в особенности к аварийным ситуациям, связанным с перегревом активной зоны, потерей теплоносителя и др.The invention relates to the field of operation of nuclear reactors, in particular to emergency situations associated with overheating of the core, loss of coolant, etc.

Известен твердый теплоноситель из графитосодержащего материала, обеспечивающий повышенный теплосъем в активной зоне ядерного реактора (Булкин Ю.М. и др. А.С. №1600554, МКИ G 21 C 15/24, опубликовано 10.05.1988 г.).Known solid heat carrier of graphite-containing material, providing increased heat removal in the active zone of a nuclear reactor (Bulkin Yu.M. et al. A.S. No. 1600554, MKI G 21 C 15/24, published on 05/10/1988).

Недостаток указанного теплоносителя заключается в том, что теплосъем осуществляется только за счет лучистого теплообмена активной зоны с цилиндрической стенкой теплоносителя.The disadvantage of this coolant is that heat removal is carried out only due to the radiant heat exchange of the core with a cylindrical wall of the coolant.

Известен мелкодисперсный теплоноситель ядерного реактора, выполненный в виде частиц графита, карбида кремния, металла (алюминий, цирконий и др.) (Heinlein F.A. Improvements in relatinq to atomic power plant. Патент Великобритании №875872, МКИ G 21, НКИ 39(4), Заявл. 19.09.1958, опубл. 23.08.1961). При вращении бункера твердый мелкодисперсный теплоноситель, контактирующий со стационарно установленными активной зоной и вторичным теплообменником, перемешивается, что улучшает отвод тепла от активной зоны и повышает эффективность охлаждения.Known finely dispersed coolant of a nuclear reactor made in the form of particles of graphite, silicon carbide, metal (aluminum, zirconium, etc.) (Heinlein FA Improvements in relatinq to atomic power plant. UK patent No. 875872, MKI G 21, NKI 39 (4), Declared September 19, 1958, published August 23, 1961). During rotation of the hopper, a solid finely dispersed heat carrier in contact with a stationary core and a secondary heat exchanger mixes, which improves heat removal from the core and increases cooling efficiency.

Описанное техническое решение имеет следующие недостатки:The described technical solution has the following disadvantages:

- интенсивное истирание частиц твердого теплоносителя при вращении бункера может привести к изменению рабочих характеристик реактора;- intensive abrasion of solid coolant particles during rotation of the hopper can lead to a change in the operating characteristics of the reactor;

- высокие напряжения в корпусах активной зоны и вторичного теплообменника при контакте с перемешиваемым твердым теплоносителем;- high voltages in the buildings of the active zone and the secondary heat exchanger in contact with the stirred solid coolant;

- частицы теплоносителя, имеющие высокую твердость и острые кромки, например, выполненные из карбида кремния, способствуют интенсивному абразивному повреждению корпусов активной зоны, вторичного теплообменника и бункера.- coolant particles having high hardness and sharp edges, for example, made of silicon carbide, contribute to intensive abrasive damage to the core shells, the secondary heat exchanger and the hopper.

Указанные недостатки не позволяют достичь достаточной надежности и безопасности работы ядерного реактора.These shortcomings do not allow to achieve sufficient reliability and safety of a nuclear reactor.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому твердому мелкодисперсному теплоносителю является мелкодисперсный твердый теплоноситель из графитосодержащего материала, содержащий частицы различных размеров и формы (Riqq S., Greenlees F.M./ Nuclear reactor. Патент Великобритании №1.309.883, МКИ G 21 D 5/00, НКИ G 6 C 30Х363. Заявл. 18.02.1972, опубл. 14.03.1973).The closest analogue (prototype) to the proposed solid finely dispersed heat carrier is a finely dispersed solid heat carrier of graphite-containing material containing particles of various sizes and shapes (Riqq S., Greenlees FM / Nuclear reactor. UK patent No. 1,309.883, MKI G 21 D 5/00 , NKI G 6 C 30X363. Declared February 18, 1972, published March 14, 1973).

В процессе работы реактора происходит увеличение мелкой и мельчайшей фракции теплоносителя за счет истирания частиц теплоносителя. Из-за этого засыпка теплоносителя имеет различную плотность, что не позволяет обеспечить стабильность скорости перемещения теплоносителя через активную зону и, следовательно, стабильность и надежность теплосъема. Кроме того, при увеличении массы мельчайшей фракции теплоноситель становится склонным к слипанию, что способствует нарушению работы реактора из-за уменьшения скорости перемещения теплоносителя (вплоть до остановки) через активную зону. Наиболее близким аналогом (прототипом) способа получения твердого мелкодисперсного теплоносителя является способ уплотнения углеграфитовых частиц путем пиролиза углеводородов в кипящем слое (патент РФ №2166806 от 09.02.2000, МКИ G 21 C 15/24). Недостаток способа заключается в невысокой радиационной стойкости частиц, обусловленной распуханием керна под действием излучения.During the operation of the reactor, an increase in the finer and smallest fraction of the coolant occurs due to the abrasion of the coolant particles. Because of this, the filling of the coolant has a different density, which does not allow to ensure the stability of the speed of movement of the coolant through the active zone and, therefore, the stability and reliability of heat removal. In addition, with increasing mass of the smallest fraction, the coolant becomes prone to sticking, which contributes to disruption of the reactor due to a decrease in the rate of movement of the coolant (up to a stop) through the active zone. The closest analogue (prototype) of the method for producing a solid finely dispersed coolant is a method of compacting carbon-graphite particles by pyrolysis of hydrocarbons in a fluidized bed (RF patent No. 2166806 dated 09.02.2000, MKI G 21 C 15/24). The disadvantage of this method is the low radiation resistance of the particles due to swelling of the core under the action of radiation.

Задачами предлагаемых изобретений является повышение устойчивости частиц теплоносителя к истиранию, повышение стабильности скорости перемещения теплоносителя через активную зону и, следовательно, стабильности и надежности теплосъема, выравнивание поля нейтронного потока в условиях нормальной работы реактора и повышение ядерной безопасности реактора в аварийных ситуациях за счет интенсификации процессов охлаждения активной зоны и повышение радиационной стойкости частиц.The objectives of the proposed invention is to increase the resistance of heat-transfer particles to abrasion, increase the stability of the rate of movement of the heat-transfer agent through the core and, therefore, the stability and reliability of heat removal, align the neutron flux field during normal operation of the reactor and increase the nuclear safety of the reactor in emergency situations by intensifying cooling processes core and increase radiation resistance of particles.

Решение данных задач в предлагаемом твердом мелкодисперсном теплоносителе достигается тем, что по сравнению с твердым мелкодисперсным теплоносителем для ядерных реакторов в виде сферических частиц на основе углеграфитового материала сферические частицы содержат ядра аморфного неграфитированного углеродного материала диаметром 0,3-0,6 диаметра частиц теплоносителя. Дополнительно ядра частиц содержат металл, выбранный из группы, содержащей гадолиний, европий, самарий, причем содержание металла выбрано в пределах 0,1-30,0 мас.%. Дополнительно частицы теплоносителя содержат поверхностный слой из композиции карбида кремния и углерода толщиной 0,01-0,03 диаметра частиц.The solution of these problems in the proposed solid finely dispersed coolant is achieved by the fact that, compared with a solid finely dispersed coolant for nuclear reactors in the form of spherical particles based on carbon-graphite material, spherical particles contain nuclei of an amorphous non-graphite carbon material with a diameter of 0.3-0.6 of the diameter of the coolant particles. Additionally, the core particles contain a metal selected from the group consisting of gadolinium, europium, samarium, and the metal content is selected in the range of 0.1-30.0 wt.%. Additionally, the coolant particles contain a surface layer of a composition of silicon carbide and carbon with a thickness of 0.01-0.03 particle diameter.

Кроме того, в известном способе получения твердого мелкодисперсного теплоносителя для ядерных реакторов в виде сферических частиц на основе углеграфитового материала, включающем уплотнение частиц пиролизом углеводородов в кипящем слое, в качестве исходного материала ядер частиц выбирают ионообменные смолы, например катионит универсальный КУ-23, частицы смолы нагревают до 1000-1200°С и при этой температуре обрабатывают смесью углеводорода и водорода, а далее при температуре 1300-1400°С обрабатывают смесью углеводорода и аргона.In addition, in the known method for producing a solid finely dispersed coolant for nuclear reactors in the form of spherical particles based on carbon-graphite material, including compaction of particles by pyrolysis of hydrocarbons in a fluidized bed, ion-exchange resins are selected as the source material for the particle nuclei, for example, universal KU-23 cation exchange resin, resin particles heated to 1000-1200 ° C and at this temperature is treated with a mixture of hydrocarbon and hydrogen, and then at a temperature of 1300-1400 ° C is treated with a mixture of hydrocarbon and argon.

Дополнительно обработку при 1000-1200°С проводят смесью метана и водорода в объемном соотношении (0,65-0,80):(0,35-0,20), а при 1300-1400°С обработку проводят смесью метана и аргона в объемном соотношении (0,20-0,25):(0,80-0,75). Дополнительно частицы смолы перед нагреванием пропитывают водным раствором металла, выбранного из группы, содержащей гадолиний, европий, самарий. Дополнительно частицы теплоносителя обрабатывают при 1350-1550°С смесью метилтрихлорсилана, метана и водорода в объемном соотношении (0,02-0,05):(0,01-0,03):(0,97-0,92).Additionally, processing at 1000-1200 ° C is carried out with a mixture of methane and hydrogen in a volume ratio of (0.65-0.80) :( 0.35-0.20), and at 1300-1400 ° C, processing is carried out with a mixture of methane and argon in volume ratio (0.20-0.25) :( 0.80-0.75). Additionally, the resin particles are impregnated with an aqueous solution of a metal selected from the group consisting of gadolinium, europium, and samarium before heating. Additionally, the heat carrier particles are treated at 1350-1550 ° C with a mixture of methyltrichlorosilane, methane and hydrogen in a volume ratio of (0.02-0.05) :( 0.01-0.03) :( 0.97-0.92).

Предложенные твердый теплоноситель и способ его получения обосновываются следующим образом. Наличие аморфных ядер в частице твердого теплоносителя обусловливает повышенную прочность частиц в процессе реакторного облучения, когда пироуглерод и графит уплотняются (Sawa К., Minato К. An Investigation of irradiation Performance of High Burnup HTGR fuel. - J. of Nucl. Science and Technol., vol. 36, №9, 1999, р.781-791). Сжимающие напряжения в частицах теплоносителя (Miller G.K., David A.P., Dominic J. еt al. Consideration of the effects on fuel particle behavior from shrinkage cracks in the inner pyrocarbon layer. - J. of Nucl. Materials, 295 (2001), p.205-212) компенсируются возможностью деформации аморфного ядра. Все температурные обработки в соответствии с формулой изобретения проводят при температуре не выше 1550°С, т.е. ниже температуры графитизации углерода (Виргильев Ю.С., Куроленкин Е.И. Изменение структуры графита при нейтронном облучении. - Вопр. Атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, 1991, вып. 3(57), с.20-26).The proposed solid heat carrier and the method for its preparation are justified as follows. The presence of amorphous nuclei in a solid coolant particle leads to increased particle strength during reactor irradiation when pyrocarbon and graphite are compacted (Sawa, K., Minato, K., Investing of irradiation Performance of High Burnup HTGR fuel. - J. of Nucl. Science and Technol. Vol. 36, No. 9, 1999, p. 781-791). Compressive stresses in coolant particles (Miller GK, David AP, Dominic J. et al. Consideration of the effects on fuel particle behavior from shrinkage cracks in the inner pyrocarbon layer. - J. of Nucl. Materials, 295 (2001), p. 205-212) are compensated by the possibility of deformation of the amorphous core. All temperature treatments in accordance with the claims are carried out at a temperature not exceeding 1550 ° C, i.e. lower than carbon graphitization temperature (Virgiliev Yu.S., Kurolenkin E.I. Change in the structure of graphite under neutron irradiation. - Issues of Atomic Science and Technology. Ser .: Physics of radiation damage and radiation materials science, 1991, issue 3 (57), p.20-26).

Уменьшение диаметра ядра из аморфного углеродного материала ниже величины 0,3 диаметра частицы не позволяет компенсировать сжимающие напряжения, а увеличение выше 0,6 диаметра частицы существенно снижает прочность частиц.A decrease in the diameter of the core of amorphous carbon material below a value of 0.3 of the particle diameter does not compensate for compressive stresses, and an increase above 0.6 of the particle diameter significantly reduces the particle strength.

Добавка в ядра частиц металлов, выбранных из группы, содержащей гадолиний, европий, самарий, обусловлена возможностью выравнивания поля температур ядерного реактора в процессе его эксплуатации, когда содержание нейтронопоглощающего металла в ядрах частиц составляет 0,1-10,0 мас.%, и предотвращения аварийного разогрева, когда содержание металла может составлять 10-30 мас.%. В настоящее время для выравнивания поля температур используют добавки гадолиния непосредственно в ядерное топливо (Белая книга ядерной энергетики. Монография. Под ред. Е.О.Адамова М., НИКИЭТ, 1998), что обуславливает существенное усложнение процесса регенерации ядерного топлива, вызванное необходимостью отделения гадолиния от урана до уровня 10-5 мас.%.The addition to the nuclei of metal particles selected from the group consisting of gadolinium, europium, and samarium is due to the possibility of equalizing the temperature field of the nuclear reactor during its operation, when the content of the neutron-absorbing metal in the nuclei of the particles is 0.1-10.0 wt.%, And preventing emergency heating, when the metal content can be 10-30 wt.%. At present, gadolinium additives are used directly in nuclear fuel to equalize the temperature field (White Paper of Nuclear Power Engineering. Monograph. Edited by E.O. Adamov M., NIKIET, 1998), which leads to a significant complication of the process of nuclear fuel regeneration caused by the need to separate gadolinium from uranium to a level of 10 -5 wt.%.

Дополнительный слой композиции из карбида кремния и углерода на поверхности частиц теплоносителя снижает истираемость частиц в 2-3 раза (см. примеры осуществления). При нанесении дополнительного слоя композиции из карбида кремния и углерода уменьшение толщины слоя ниже величины 0,01 диаметра частиц не приводит к снижению величины истираемости, а увеличение толщины слоя выше 0,03 диаметра частиц обусловливает рост напряжений в переходном слое пироуглерод-композит и тем самым рост истираемости.An additional layer of the composition of silicon carbide and carbon on the surface of the particles of the coolant reduces the abrasion of the particles by 2-3 times (see examples of implementation). When applying an additional layer of the composition of silicon carbide and carbon, a decrease in the layer thickness below 0.01 of the particle diameter does not reduce abrasion, and an increase in the layer thickness above 0.03 of the particle diameter causes an increase in stresses in the transition layer of the pyrocarbon-composite and thereby abrasion resistance.

Уменьшение концентрации метилтрихлорилана и метана ниже значений 0,02 об. долей и 0,01 об. долей соответственно приводит к резкому снижению скорости роста покрытия, увеличение соответствующих концентраций выше 0,05 об. долей и 0,03 об. долей обусловливает снижение прочности наружного покрытия и истираемости частиц. Аналогично при снижении температуры осаждения композиции ниже 1350°С снижается скорость роста покрытия, а выше 1550°С - возрастает пористость с соответствующим снижением прочности к истиранию.A decrease in the concentration of methyl trichloroilane and methane below 0.02 vol. shares and 0.01 vol. fractions, respectively, leads to a sharp decrease in the growth rate of the coating, an increase in the corresponding concentrations above 0.05 vol. shares and 0.03 vol. fraction causes a decrease in the strength of the outer coating and the abrasion of the particles. Similarly, when the deposition temperature of the composition is lower than 1350 ° C, the growth rate of the coating decreases, and above 1550 ° C, the porosity increases, with a corresponding decrease in abrasion resistance.

В процессе эксплуатации ядерного реактора использование теплоносителя с содержанием нейтронопоглощающего металла на уровне 0,1-10,0 мас.% позволяет получить равномерный профиль температур в активной зоне от центра к периферии при организации подачи теплоносителя с различным содержанием поглотителя в различные зоны по радиусу.During the operation of a nuclear reactor, the use of a coolant with a neutron-absorbing metal content of 0.1-10.0 wt.% Allows you to get a uniform temperature profile in the core from the center to the periphery when organizing the flow of coolant with different contents of the absorber to different zones along the radius.

В аварийной ситуации, когда подъем температуры реактора обусловлен увеличением нейтронного потока, предложенный теплоноситель снижает температуру реактора за счет поглощения нейтронов и тем самым снижения скорости деления урана-235 с соответствующим снижением скорости тепловыделения. В такой ситуации целесообразно использовать твердый теплоноситель с содержанием нейтронопоглощающего металла на уровне 10-30 мас.%.In an emergency, when the temperature rise of the reactor is due to an increase in the neutron flux, the proposed coolant reduces the temperature of the reactor by absorbing neutrons and thereby reducing the rate of fission of uranium-235 with a corresponding decrease in the rate of heat release. In such a situation, it is advisable to use a solid coolant with a neutron-absorbing metal content of 10-30 wt.%.

В табл.1 представлены сечения захвата нейтронов элементов (и их изотопов) в составе предложенного теплоносителя (Таблицы физических величин. Ред. Кикоин И.К. М.: Атомиздат, 1976, с.907).Table 1 shows the neutron capture cross sections of elements (and their isotopes) in the composition of the proposed coolant (Tables of physical quantities. Ed. Kikoin I.K. M .: Atomizdat, 1976, p. 907).

Таблица 1
Сечение захвата нейтронов предложенных металлов
Table 1
The neutron capture cross section of the proposed metals
ЭлементElement ИзотопIsotope σ, барнσ, barn ГадолинийGadolinium Естественный
155
157
Natural
155
157
44620
56200
242000
44620
56200
242000
ЕвропийEuropium Естественный
151
152
Natural
151
152
4400
7800
5500
4400
7800
5500
СамарийSamarium Естественный
149
151
Natural
149
151
5830
40800
12400
5830
40800
12400

Данные табл.1 показывают, что сечения захвата нейтронов предложенных добавок в теплоноситель существенно превосходят сечения захвата таких распространенных поглотителей, как бор (σ=750 барн) и кадмий (σ=1400 барн).The data in Table 1 show that the neutron capture cross sections of the proposed additives in the coolant significantly exceed the capture cross sections for such common absorbers as boron (σ = 750 bar) and cadmium (σ = 1400 bar).

Авторы экспериментально нашли, что при содержании поглощающих металлов меньше 0,01 мас.% интенсивность теплосъема не изменяется, а при содержании выше 30 маc.% хрупкость частиц теплоносителя и, соответственно, их истираемость увеличивается.The authors experimentally found that when the content of absorbing metals is less than 0.01 wt.%, The heat removal rate does not change, and when the content is above 30 wt.%, The fragility of the heat-transfer particles and, accordingly, their abrasion increases.

Термообработка (пиролиз) частиц смолы смесью углеводорода и водорода при температуре менее 1000°С является неэффективной, так как процессы уплотнения частиц пироуглеродом протекают с малыми скоростями. При температуре пиролиза более 1200°С скорость осаждения пироуглерода на поверхности частиц доминирует над процессами уплотнения.Heat treatment (pyrolysis) of resin particles with a mixture of hydrocarbon and hydrogen at a temperature of less than 1000 ° C is ineffective, since the processes of particle compaction with pyrocarbon proceed at low speeds. At a pyrolysis temperature of more than 1200 ° С, the rate of pyrocarbon deposition on the particle surface dominates the compaction processes.

При термообработке углеводород-аргоновой смесью в интервале температур 1300-1400°С реализуется максимальная скорость осаждения высокоплотного (1,75-1,90 г/см3) пироуглерода. При температуре более 1400°С резко (до 1,50-1,60 г/см3) уменьшается плотность пироуглерода.When heat treated with a hydrocarbon-argon mixture in the temperature range 1300-1400 ° C, the maximum deposition rate of high-density (1.75-1.90 g / cm 3 ) pyrocarbon is realized. At temperatures above 1400 ° C, the density of pyrocarbon decreases sharply (up to 1.50-1.60 g / cm 3 ).

При термообработке частиц на первой стадии, когда объемное содержание метана в смеси с водородом менее 0,65 об. долей, скорость уплотнения внутрипорового пространства уменьшается, а когда содержание метана более 0,80 об. долей существенно интенсифицируются нежелательные процессы гомогенного зародышеобразования и роста сажевых частиц.During the heat treatment of particles in the first stage, when the volumetric content of methane in the mixture with hydrogen is less than 0.65 vol. fraction, the rate of compaction of the pore space decreases, and when the methane content is more than 0.80 vol. undesirable processes of homogeneous nucleation and growth of soot particles are intensified significantly.

На второй стадии термообработки при содержании метана в смеси с аргоном менее 0,2 об. доли мала скорость осаждения пироуглерода, а при содержании метана более 0,25 об. долей резко возрастает интенсивность сажеобразования.At the second stage of heat treatment, the methane content in the mixture with argon is less than 0.2 vol. fractions of a low deposition rate of pyrocarbon, and with a methane content of more than 0.25 vol. the share sharply increases the intensity of soot formation.

Предложенный твердый мелкодисперсный теплоноситель и способ его получения иллюстрируются примерами осуществления.The proposed solid finely divided coolant and method for its preparation are illustrated by examples of implementation.

Пример 1.Example 1

С использованием ситового анализа из партии выделяли фракции частиц смолы диаметром 0,7-1,0 мм. По форме частицы разделяли с использованием наклонной (под углом 10°) вибрирующей пластины.Using a sieve analysis, fractions of resin particles 0.7-1.0 mm in diameter were isolated from a batch. In shape, the particles were separated using an inclined (at an angle of 10 °) vibrating plate.

300 г ионообменной смолы (катионит универсальный КУ-23 ТУ10П-388-69) пропитывали щавелевокислым раствором гадолиния (1 л раствора с концентрацией гадолиния 50 г/л). Сушку катионита осуществляли при температуре 150°С на воздухе. В аппарате кипящего слоя (псевдосжижение частиц осуществляли аргоном) при температуре 200-600°С катионит с гадолинием карбонизировали в течение 1,0 часа, а окончательную термообработку, формирующую пористую структуру углеродного каркаса и карбид гадолиния, проводили в течение 1,5 часов при температуре 1100°C. После завершения термообработки в углеродистых частицах содержание гадолиния составляло около 80 мас.%, диаметр частиц 0,40-0,48 мм, коэффициент формы (Dmax/Dmin)<1,1.300 g of ion exchange resin (universal cation exchanger KU-23 TU10P-388-69) were impregnated with an oxalic acid gadolinium solution (1 l of a solution with a gadolinium concentration of 50 g / l). The cation exchange resin was dried at a temperature of 150 ° C in air. In a fluidized bed apparatus (particle fluidization was carried out with argon) at a temperature of 200-600 ° C, gadolinium cation exchange resin was carbonized for 1.0 hour, and the final heat treatment forming the porous structure of the carbon skeleton and gadolinium carbide was carried out for 1.5 hours at a temperature 1100 ° C. After completion of the heat treatment, the gadolinium content in the carbon particles was about 80 wt.%, The particle diameter was 0.40-0.48 mm, and the shape coefficient (D max / D min ) <1.1.

Уплотнение порового пространства частиц осуществляли в аппарате кипящего слоя при температуре 1100°C при объемном соотношении СН42=0,70-0,30 (суммарный расход газовой смеси 1200 л/ч). Время стадии уплотнения 1,0 час. Осаждение пироуглеродного покрытия (вторая стадия обработки) осуществляли при температуре 1350°С при объемном соотношении СН4:Аr=0,22-0,78 (суммарный расход газовой смеси 1500 л/ч). Время стадии осаждения пироуглеродного слоя 1,5 часа. Получены частицы диаметром 0,8-0,9 мм и плотностью 1,9-2,0 г/см3 и содержанием гадолиния 20 мас.%, с диаметром аморфного ядра 0,40-0,48 мм (отношение диаметра ядер к диаметру частиц составило 0,45-0,50). Сферичность частиц после уплотнения и осаждения пироуглеродного покрытия не изменилось по сравнению с исходными.The pore space of the particles was densified in a fluidized bed apparatus at a temperature of 1100 ° C with a volume ratio of CH 4 : H 2 = 0.70-0.30 (total gas mixture consumption of 1200 l / h). The time of the compaction stage is 1.0 hour. The pyrocarbon coating was deposited (the second stage of processing) was carried out at a temperature of 1350 ° C with a volume ratio of CH 4 : Ar = 0.22-0.78 (total gas mixture consumption of 1500 l / h). The time of the deposition stage of the pyrocarbon layer is 1.5 hours. Particles were obtained with a diameter of 0.8-0.9 mm and a density of 1.9-2.0 g / cm 3 and a gadolinium content of 20 wt.%, With an amorphous core diameter of 0.40-0.48 mm (ratio of core diameter to diameter particles amounted to 0.45-0.50). The sphericity of the particles after compaction and deposition of the pyrocarbon coating did not change compared to the initial ones.

Пример 2.Example 2

В качестве подложки использовали частицы, полученные в примере 1.As the substrate used particles obtained in example 1.

Уплотнение порового пространства осуществляли аналогично примеру 1.Sealing of the pore space was carried out analogously to example 1.

Осаждение пироуглеродного слоя (вторая стадия обработки) осуществляли при 1450°С и объемном соотношении CН4:Аr=0,35-0,65. При этом получена плотность покрытия 1,55 г/см3 с содержанием гадолиния 26 мас.%, а плотность частиц около 1,70 г/см3. Из-за низкой плотности внешнего покрытия частицы подвержены истираемости, что проявляется в существенном пылеуносе при их транспорте в активной зоне.The pyrocarbon layer was deposited (the second stage of processing) was carried out at 1450 ° C and a volume ratio of CH 4 : Ar = 0.35-0.65. In this case, a coating density of 1.55 g / cm 3 with a gadolinium content of 26 wt.% And a particle density of about 1.70 g / cm 3 were obtained. Due to the low density of the outer coating, the particles are subject to abrasion, which manifests itself in a significant dust removal during their transport in the core.

Пример 3.Example 3

В качестве подложки использовали частицы, полученные в примерах 1 и 2.As the substrate used particles obtained in examples 1 and 2.

Уплотнение порового пространства (первая стадия обработки) осуществляли при температуре 1250°С и объемном соотношении СН42=0,85-0,15. При этом существенно замедлялся процесс уплотнения, а доминировал процесс наращивания слоя пироуглерода. После реализации второй стадии обработки аналогично примеру 1 получены частицы плотностью 1,60 г/см3 с содержанием гадолиния 28 мас.%. Это обусловлено, прежде всего, малой эффективностью стадии уплотнения (завышенные по сравнению с номинальными значениями температуры пиролиза и концентрации CH4).Sealing the pore space (the first stage of processing) was carried out at a temperature of 1250 ° C and a volume ratio of CH 4 : H 2 = 0.85-0.15. At the same time, the compaction process slowed down significantly, and the process of pyrocarbon layer buildup dominated. After the implementation of the second stage of processing, analogously to example 1, particles with a density of 1.60 g / cm 3 with a gadolinium content of 28 wt.% Were obtained. This is due, first of all, to the low efficiency of the compaction stage (overestimated in comparison with the nominal values of the pyrolysis temperature and the concentration of CH 4 ).

Пример 4.Example 4

300 г ионообменной смолы с диаметром частиц 0,7-1,0 мм пропитывали щавелевокислым раствором гадолиния (1,0 л раствора с концентрацией гадолиния 0,25 г/л). Сушку, термообработку, уплотнение поверхности слоя и нанесение покрытий осуществляли аналогично примеру 1. Получены частицы диаметром 0,8-0,9 мм, плотностью 1,9-2,0 г/см3 с содержанием гадолиния 0,1 мас.%, отношение диаметров ядер к диаметру частиц составило 0,45-0,60.300 g of an ion exchange resin with a particle diameter of 0.7-1.0 mm were impregnated with an oxalic acid gadolinium solution (1.0 l of a solution with a gadolinium concentration of 0.25 g / l). Drying, heat treatment, densification of the surface of the layer and coating was carried out analogously to example 1. Particles were obtained with a diameter of 0.8-0.9 mm, a density of 1.9-2.0 g / cm 3 with a gadolinium content of 0.1 wt.%, The ratio the diameters of the nuclei to the diameter of the particles was 0.45-0.60.

Пример 5.Example 5

300 г ионообменной смолы с диаметром частиц 0,7-1,0 мм пропитывали раствором гадолиния, термообработкой уплотняли и наносили поверхностный слой пироуглерода аналогично примеру 1. Дополнительно частицы обрабатывали при 1450°С смесью метилтрихлорсилана, метана и водорода в объемном соотношении 0,03:0,01:0,96 соответственно в течение 20 мин. Толщина покрытия из композиции карбид кремния - пироуглерод составила 18 мкм, т.е. 0,02 диаметра частиц.300 g of an ion exchange resin with a particle diameter of 0.7-1.0 mm were impregnated with a gadolinium solution, densified by heat treatment and a surface layer of pyrocarbon was applied as in Example 1. Additionally, the particles were treated at 1450 ° C with a mixture of methyltrichlorosilane, methane and hydrogen in a volume ratio of 0.03: 0.01: 0.96, respectively, for 20 minutes. The coating thickness of the silicon carbide - pyrocarbon composition was 18 μm, i.e. 0.02 particle diameter.

В табл.2 предоставлены характеристики истираемости частиц и результаты по измерению истираемости, полученные при движении партий частиц массой 200 г (примеры 1-5) по замкнутому контуру длиной 2 м, диаметром 1 см в течение 600 ч. Частицы теплоносителя перемещали по контуру со средней линейной скоростью 0,4 м/с. Характеристикой истираемости частиц выбрана величина уменьшения массы частиц после испытаний (Δm).Table 2 provides the characteristics of the abrasion of particles and the results of measuring the abrasion obtained by moving batches of particles weighing 200 g (examples 1-5) in a closed loop of 2 m long, 1 cm in diameter for 600 hours. The coolant particles were moved along the contour with an average linear speed of 0.4 m / s. The characteristic of the abrasion of the particles is the value of the decrease in particle mass after testing (Δm).

Таблица 2
Характеристики частиц теплоносителя и результаты испытаний на истираемость
table 2
Characteristics of coolant particles and abrasion test results
No. Dядра, ммD core , mm Dчастиц, ммD particles , mm CGd, мас.%C Gd , wt.% ΔSiC-C, мкмΔ SiC-C , μm Δm, мгΔm, mg ρчаст, г/см3 ρ frequent , g / cm 3 11 0,400.40 0,8-0,90.8-0.9 20twenty -- 350350 1,9-2,01.9-2.0 22 0,400.40 0,75-0,850.75-0.85 2626 -- 2·104 2 · 10 4 1,71.7 33 0,40-0,480.40-0.48 0,9-1,10.9-1.1 2828 -- 4·103 4 · 10 3 1,61,6 44 0,40-0,480.40-0.48 0,8-0,90.8-0.9 0,10.1 -- 400400 1,85-1,951.85-1.95 55 0,40-0,480.40-0.48 0,8-0,90.8-0.9 20twenty 18eighteen 150150 1,9-2,01.9-2.0

Из данных табл.2 следует, что осуществление процесса получения частиц теплоносителя в примерах 1, 4, 5 по параметрам, указанным в формуле изобретения, позволяет получить твердый мелкодисперсный теплоноситель с высокими значениями плотности и прочности частиц и низкой истираемостью.From the data of table 2 it follows that the implementation of the process of obtaining particles of a coolant in examples 1, 4, 5 according to the parameters specified in the claims, allows to obtain a solid finely dispersed coolant with high values of density and strength of particles and low abrasion.

Предложенный теплоноситель может применяться для эксплуатации реакторов при содержании нейтронопоглощающих металлов на уровне 1,0-10,0 мас.% в аварийной ситуации, связанной с ростом температуры и критичности, предложенный теплоноситель с содержанием нейтронопоглощающих металлов на уровне 10-30 мас.% принудительно направляют в контур теплоносителя, резко снижая критичность и, соответственно, температуру активной зоны.The proposed coolant can be used to operate reactors with a content of neutron-absorbing metals at a level of 1.0-10.0 wt.% In an emergency associated with an increase in temperature and criticality, the proposed coolant with a content of neutron-absorbing metals at a level of 10-30 wt.% Is forcibly sent into the coolant circuit, sharply reducing criticality and, accordingly, core temperature.

Claims (7)

1. Твердый мелкодисперсный теплоноситель для ядерных реакторов в виде сферических частиц, отличающийся тем, что сферическая частица твердого мелкодисперсного теплоносителя содержит ядро аморфного неграфитированного углеродного материала, которое имеет диаметр 0,3-0,6 от диаметра частицы теплоносителя.1. A solid finely dispersed coolant for nuclear reactors in the form of spherical particles, characterized in that the spherical particle of a solid finely divided coolant contains a core of amorphous non-graphitized carbon material, which has a diameter of 0.3-0.6 of the diameter of the coolant particle. 2. Твердый мелкодисперсный теплоноситель по п.1, отличающийся тем, что ядра содержат металл, выбранный из группы, содержащей гадолиний, европий, самарий, причем содержание металла выбрано в пределах 0,10-30,0 мас.%.2. The solid finely divided coolant according to claim 1, characterized in that the cores contain a metal selected from the group consisting of gadolinium, europium, samarium, and the metal content is selected in the range of 0.10-30.0 wt.%. 3. Твердый мелкодисперсный теплоноситель по п.1, отличающийся тем, что частицы содержат поверхностный слой из композиции карбида кремния и углерода толщиной 0,01-0,03 диаметра частиц.3. The solid finely divided coolant according to claim 1, characterized in that the particles contain a surface layer of a composition of silicon carbide and carbon with a thickness of 0.01-0.03 particle diameter. 4. Способ получения твердого мелкодисперсного теплоносителя, включающий уплотнение частиц пиролизом углеводородов в кипящем слое, отличающийся тем, что в качестве исходного материала ядер частиц теплоносителя выбирают ионообменные смолы, например катионит универсальный КУ-23, частицы смолы нагревают до 1000-1200°С и при этой температуре обрабатывают смесью углеводорода и водорода, а далее при температуре 1300-1400°С обрабатывают смесью углеводорода и аргона.4. A method of obtaining a solid finely dispersed coolant, comprising compaction of particles by pyrolysis of hydrocarbons in a fluidized bed, characterized in that ion-exchange resins are selected as the starting material for the core of the coolant particles, for example, universal KU-23 cation exchange resin, the resin particles are heated to 1000-1200 ° C and this temperature is treated with a mixture of hydrocarbon and hydrogen, and then at a temperature of 1300-1400 ° C is treated with a mixture of hydrocarbon and argon. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что обработку при 1000-1200°С проводят смесью метана и водорода в объемном соотношении (0,65-0,80):(0,35-0,20), а при 1300-1400°С обработку проводят смесью метана и аргона в объемном соотношении (0,20-0,25):(0,80-0,75).5. The method according to claim 4, characterized in that the treatment at 1000-1200 ° C is carried out with a mixture of methane and hydrogen in a volume ratio of (0.65-0.80) :( 0.35-0.20), and at 1300 -1400 ° C treatment is carried out with a mixture of methane and argon in a volume ratio (0.20-0.25) :( 0.80-0.75). 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что частицы смолы перед нагреванием пропитывают водным раствором металла, выбранного из группы, содержащей гадолиний, европий, самарий.6. The method according to claim 4, characterized in that the resin particles are impregnated before heating with an aqueous solution of a metal selected from the group consisting of gadolinium, europium, samarium. 7. Способ по п.4, отличающийся тем, что частицы теплоносителя дополнительно обрабатывают при температуре 1350-1550°С смесью метилтрихлорсилана, метана и водорода в объемном соотношении (0,02-0,05):(0,01-0,03):(0,97-0,92) соответственно.7. The method according to claim 4, characterized in that the coolant particles are further treated at a temperature of 1350-1550 ° C with a mixture of methyl trichlorosilane, methane and hydrogen in a volume ratio (0.02-0.05) :( 0.01-0.03 ) :( 0.97-0.92), respectively.
RU2003106450/06A 2003-03-11 2003-03-11 Finely dispersed solid coolant and its production process RU2244351C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003106450/06A RU2244351C2 (en) 2003-03-11 2003-03-11 Finely dispersed solid coolant and its production process

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003106450/06A RU2244351C2 (en) 2003-03-11 2003-03-11 Finely dispersed solid coolant and its production process

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003106450A RU2003106450A (en) 2004-09-10
RU2244351C2 true RU2244351C2 (en) 2005-01-10

Family

ID=34880945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003106450/06A RU2244351C2 (en) 2003-03-11 2003-03-11 Finely dispersed solid coolant and its production process

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2244351C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007055615A3 (en) * 2005-08-18 2007-07-05 Lev Nikolaevich Maksimov Amorphised nuclear fuel
WO2014015740A1 (en) * 2012-07-25 2014-01-30 Li Zhengwei Spherical fuel reactor

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007055615A3 (en) * 2005-08-18 2007-07-05 Lev Nikolaevich Maksimov Amorphised nuclear fuel
EP1930911A2 (en) * 2005-08-18 2008-06-11 Lev Nikolaevich Maksimov Amorphised nuclear fuel
EP1930911A4 (en) * 2005-08-18 2008-12-17 Lev Nikolaevich Maksimov Amorphised nuclear fuel
WO2014015740A1 (en) * 2012-07-25 2014-01-30 Li Zhengwei Spherical fuel reactor
GB2518991A (en) * 2012-07-25 2015-04-08 Zhengwei Li Spherical fuel reactor
GB2518991B (en) * 2012-07-25 2018-06-06 Li Zhengwei Spherical fuel reactor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101069041B1 (en) Spherical Fuel Element And Production Thereof For Gas-Cooled High Temperature Pebble Bed Nuclear Reactors HTR
US3298921A (en) Pyrolytic carbon coated particles for nuclear applications
KR101927276B1 (en) Nuclear fuel pellet having enhanced thermal conductivity, and preparation method thereof
JPH03146894A (en) Nuclear fuel composition
Remy et al. Calcined resin microsphere pelletization (CRMP): A novel process for sintered metallic oxide pellets
CN106006622A (en) Preparation method of natural graphite powder for high-temperature gas cooled reactor nuclear fuel elements and graphite powder
KR101122632B1 (en) Prepartion method of ceramic waste form for immobilization of radioactive rare-earth waste and ceramic waste form for immobilization with enhanced density, heat-stability and leaching resistance
US3179723A (en) Method of forming metal carbide spheroids with carbon coat
RU2244351C2 (en) Finely dispersed solid coolant and its production process
US3536793A (en) Method of making porous metal carbide agglomerates
Barney et al. The use of boron carbide for reactor control
US3856622A (en) High temperature nuclear reactor fuel
US3887486A (en) Porous, microspheroidal, nuclear fuels having internal porosity
Sun et al. The effect of sintering atmosphere and C/U on UCO microspheres by internal gelation process with carbon black
KR100812952B1 (en) Zirconia added neutron absorbing pellets and their fabrication methods
Chen et al. Processing of ThO 2/CeO 2 Ceramic Fuel
Mills et al. Irradiation effects on dispersion type BeO-UO2 fuels for ebor
KR20100076488A (en) Pva-al complex added uo2 sintered pellet and manufacture method thereof
KR20230089804A (en) Graphite Boron Radiation Shielding Composite
Nickel Development of coated fuel particles. KFA contributions within the frame of the German High Temperature Reactor Fuel Development Program
Nickel Development of coated fuel particles
Parker et al. Thorium Oxide Infiltration of Graphite Spheres
de Halas et al. Reactor Materials Design
Bunnell et al. Method of encapsulating solid radioactive waste material for storage
Tang et al. Present status of HTR fuel element development at the INET

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070312