RU2333553C1 - Микротвэл ядерного реактора - Google Patents
Микротвэл ядерного реактора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2333553C1 RU2333553C1 RU2007110551/06A RU2007110551A RU2333553C1 RU 2333553 C1 RU2333553 C1 RU 2333553C1 RU 2007110551/06 A RU2007110551/06 A RU 2007110551/06A RU 2007110551 A RU2007110551 A RU 2007110551A RU 2333553 C1 RU2333553 C1 RU 2333553C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- density
- sic
- nuclear reactor
- silicon carbide
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Abstract
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микротвэлам ядерного реактора. Микротвэл ядерного реактора содержит топливную микросферу и многослойное защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на топливную микросферу слоев из пироуглерода низкой плотности, высокоплотного изотропного пироуглерода, карбида циркония, титанокремнистого карбида состава Ti3SiC2, карбида кремния и наружного слоя из высокоплотного изотропного пироуглерода. Изобретение позволяет уменьшить коррозионную повреждаемость слоя карбида кремния при воздействии на него моноокиси углерода и твердых продуктов деления в условиях термоциклирования. 1 табл.
Description
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микротвэлам ядерного реактора.
Микротвэл (МТ) ядерного реактора - это топливная микросфера (ТМ) из ядерного материала (UO2, PuO2, ThO2) со слоями защитного покрытия (Alien P.L., Ford L.H. and Shennan J.V. Nuclear fuel coated particle Development in the Reactor fuel element laboratories of the U.K. atomic energy authority. - Nucl. Technol., Vol.35, September, 1977, p.246-253).
В качестве защитных покрытий используют пироуглерод различной плотности - PyC, карбид кремния - SiC и карбид циркония - ZrC (Gulden T.D., Nickel H. Preface coated particle fuels. - Nucl. Technol., Vol.35, September, 1977, p.206-213).
Высокоплотный изотропный PyC является диффузионным барьером по отношению к газообразным продуктам деления (ГПД), слои SiC и ZrC служат основными силовыми слоями в МТ и диффузионными барьерами для твердых продуктов деления (ТПД).
Известен микротвэл ядерного реактора, содержащий ТМ из UO2 и четырехслойное защитное покрытие, первый слой которого выполнен из высокопористого PyC плотностью 1,10 г/см3, толщиной 97±13 мкм, второй слой - из высокоплотного изотропного PyC плотностью 1,85 г/см3 и толщиной 33±3 мкм, третий слой - из SiC плотностью 3,20 г/см3 и толщиной 34±2 мкм и четвертый (наружный) слой - из высокоплотного изотропного PyC плотностью 1,85 г/см3 и толщиной 39±3 мкм (Minato К., Sawa К., Коуа Т. et al. Fission product real ease behavior of individual coated fuel particles for High-Temperature Gas-Cooled Reactors. - Nucl. Technol. Vol.131, July 2000, p.36-47).
Недостатком указанного микротвэла ядерного реактора является повышенная проницаемость продуктов деления, например, Ag и Cs через SiC-слой, особенно при повышенных температурах облучения МТ (более 1350°С), при термоциклировании и достижении высоких значений флюенса быстрых нейтронов (более 4,0·1021 н/см2).
Известен микротвэл ядерного реактора, содержащий ТМ из UO2 и четырехслойное защитное покрытие, первый слой которого выполнен из высокопористого пироуглерода плотностью 1,11 г/см3 и толщиной 64 мкм, второй слой из высокоплотного изотропного PyC плотностью 1,84 г/см3 и толщиной 26 мкм, третий слой из карбида циркония плотностью 6,6 г/см3 и толщиной 31 мкм и четвертый (наружный) из высокоплотного изотропного PyC плотностью 1,95 г/см3 и толщиной 55 мкм (Minato К., Fukuda К., Sekino H., et al. Deterioration of ZrC-coated fuel particle caused by failure of pyrolytic carbon layer - J. of Nucl. Mater., 252 (1998) p.13-21).
Недостатком указанного микротвэла ядерного реактора является повышенная проницаемость ТПД (особенно Ag и Cs) в условиях интенсивного коррозионного воздействия СО на ZrC при разрушении второго высокоплотного изотропного PyC.
Наиболее близким аналогом-прототипом предложенному техническому решению является микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу и многослойное защитное покрытие, в котором первый от топливной микросферы слой выполнен из низкоплотного пироуглерода, второй - из высокоплотного изотропного PyC, третий слой из карбида циркония, четвертый слой - из карбида кремния, пятый, наружный, слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода (Патент Японии №3-108692, МКИ G21C 3/62, заявл. 22.09.89, опубл. 08.05.91).
Недостатком указанного микротвэла ядерного реактора является высокая повреждаемость карбидных слоев, особенно карбида кремния, в процессе термомеханического воздействия на микротвэл, обусловленная различиями в коэффициентах линейного термического расширения ZrC и SiC и напряжениями из-за различия параметров кристаллической решетки этих материалов. Коррозионная повреждаемость ZrC существенным образом активируется в условиях термоциклирования за счет образования оксикарбидных фаз типа ZrCxOy, имеющие большие по сравнению с ZrC анизотропные радиационные размерные изменения.
Перед авторами предложенного технического решения стояла задача - уменьшения повреждаемости слоя из SiC за счет уменьшения его коррозионного повреждения при воздействии СО и ТПД в условиях термоциклирования.
Поставленная задача решается тем, что в микротвэле ядерного реактора, содержащем ТМ и пятислойное защитное покрытие между третьим (ZrC) и четвертым (SiC) слоями микротвэл дополнительно содержит слой из титанокремнистого карбида состава Ti3SiC2.
Экспериментальные результаты указывают на то, что Ti3SiC2 обладает меньшим коэффициентом термического расширения (КЛТР), чем ZrC и близким значением КТЛР к SiC-слою. В случае разрушения слоя из ZrC слой из Ti3SiC2 является надежным барьером, предотвращающим проникновение трещин в SiC слой.
Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом заключается в следующем. Микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу и многослойное защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на топливную микросферу слоев из пироуглерода низкой плотности, высокоплотного изотропного пироуглерода, карбида циркония, карбида кремния и наружного слоя из высокоплотного изотропного пироуглерода, содержит дополнительно между карбидными слоями слой из титанокремнистого карбида состава Ti3SiC2.
Каждый из слоев предложенного микротвэла ядерного реактора выполняет следующие функции:
- первый низкоплотный PyC предоставляет объем для локализации ГПД, компенсирует несоответствие КЛТР между ТМ и высокоплотными слоями, защищает второй слой от повреждения осколками деления (ядрами отдачи);
- второй высокоплотный изотропный PyC является диффузионным барьером для ГПД, защищает ZrC от коррозионного воздействия продуктов деления;
- третий ZrC слой является силовым покрытием и диффузионным барьером для ТПД;
- четвертый Ti3SiC2 является компенсатором несоответствия КЛТР ZrC и последующего SiC слоя, барьером, предотвращающим распространение трещин в SiC, предохраняет от повреждений SiC-слой, а также служит геттером, поглощающим ТПД;
- пятый SiC-слой является силовым покрытием и диффузионным барьером для ТПД;
- шестой высокоплотный изотропный PyC слой является диффузионным барьером для ГПД и защищает слой из SiC от механических повреждений.
В качестве примера реализации предлагаемого микротвэла приведем следующее. На топливные микросферы (масса навески 30 г) из UO2 диаметром около 200 мкм в кипящем слое последовательно осаждают шестислойное покрытие (см. таблицу).
Таблица
В процессе облучения МТ в слоях защитных покрытий протекают существенные радиационно-химические изменения:
- PyC-слои претерпевают радиационно-размерные изменения, выражающиеся, прежде всего, в образовании радиальных трещин в низкоплотном, а затем и в высокоплотном внутреннем PyC;
- образующийся в процессе деления UO2 кислород взаимодействует с PyC с образованием СО, который по радиальным трещинам проходит к слою ZrC, вызывая его коррозию;
- в результате коррозионных повреждений слой из ZrC становится проницаемым для ТПД, а ГПД создают повышенное давление в МТ, что приводит к возникновению растягивающих напряжений в ZrC;
- в условиях термоциклирования существенно повышается вероятность разрушения слоя из ZrC и распространения трещин в SiC слой;
- введение в состав МТ слоя из Ti3SiC2 между слоями из ZrC и SiC приводит к перераспределению напряжений в многослойной конструкции покрытий так, что направления трещин, распространяющихся от слоя ZrC, получают тангенциальную составляющую, локализуются в пределах слоя Ti3SiC2 и в слой SiC не распространяются;
- одновременно слой из Ti3SiC2, имея гексагональную кристаллическую решетку (а=0,30665 нм и с=1,767 нм), является дополнительным геттером для СО и ТПД, что способствует уменьшению коррозионной нагрузки на слой SiC.
Claims (1)
- Микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу и многослойное защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на топливную микросферу слоев из пироуглерода низкой плотности, высокоплотного изотропного пироуглерода, карбида циркония, карбида кремния и наружного слоя из высокоплотного изотропного пироуглерода, отличающийся тем, что между слоями карбидов микротвэл дополнительно содержит слой из титанокремнистого карбида состава Ti3SiC2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007110551/06A RU2333553C1 (ru) | 2007-03-23 | 2007-03-23 | Микротвэл ядерного реактора |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007110551/06A RU2333553C1 (ru) | 2007-03-23 | 2007-03-23 | Микротвэл ядерного реактора |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2333553C1 true RU2333553C1 (ru) | 2008-09-10 |
Family
ID=39867044
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007110551/06A RU2333553C1 (ru) | 2007-03-23 | 2007-03-23 | Микротвэл ядерного реактора |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2333553C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504030C2 (ru) * | 2008-09-18 | 2014-01-10 | Коммиссариа А Л'Энержи Атомик Э Оз Энержи Альтернатив | Оболочка ядерного топлива с высокой удельной теплопроводностью и способ ее производства |
CN111489837A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-08-04 | 清华大学 | 一种含复合碳化物包覆层的包覆燃料颗粒及其制备方法 |
CN116564562A (zh) * | 2023-07-10 | 2023-08-08 | 中核北方核燃料元件有限公司 | 一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料及其制备方法 |
-
2007
- 2007-03-23 RU RU2007110551/06A patent/RU2333553C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504030C2 (ru) * | 2008-09-18 | 2014-01-10 | Коммиссариа А Л'Энержи Атомик Э Оз Энержи Альтернатив | Оболочка ядерного топлива с высокой удельной теплопроводностью и способ ее производства |
CN111489837A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-08-04 | 清华大学 | 一种含复合碳化物包覆层的包覆燃料颗粒及其制备方法 |
CN111489837B (zh) * | 2020-04-02 | 2022-02-08 | 清华大学 | 一种含复合碳化物包覆层的包覆燃料颗粒及其制备方法 |
CN116564562A (zh) * | 2023-07-10 | 2023-08-08 | 中核北方核燃料元件有限公司 | 一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料及其制备方法 |
CN116564562B (zh) * | 2023-07-10 | 2023-11-14 | 中核北方核燃料元件有限公司 | 一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料及其制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Qiu et al. | A review on thermohydraulic and mechanical-physical properties of SiC, FeCrAl and Ti3SiC2 for ATF cladding | |
US20090032178A1 (en) | Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants | |
Kim et al. | Development status of accident-tolerant fuel for light water reactors in Korea | |
Koo et al. | KAERI’s development of LWR accident-tolerant fuel | |
EP3047489B1 (en) | A sic matrix fuel cladding tube with spark plasma sintered end plugs | |
JP6466956B2 (ja) | 原子燃料棒のセラミック含有被覆管に被覆を施す方法及び複合材 | |
Kaae | A mathematical model for calculating stresses in a four-layer carbon-silicon-carbide-coated fuel particle | |
US20120314831A1 (en) | Light Water Reactor TRISO Particle-Metal-Matrix Composite Fuel | |
US3649452A (en) | Nuclear reactor fuel coated particles | |
RU2333553C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
US3335063A (en) | Multi-pyrocarbon coated nuclear fuel and poison particles and method of preparing same | |
RU2369925C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2328783C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2603018C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2368963C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2325711C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2333552C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора с трехслойным защитным покрытием топливной микросферы | |
Lorrette et al. | Quench behavior of SiC/SiC cladding after a high temperature ramp under steam conditions | |
RU2387030C1 (ru) | Микротвэл легководного ядерного реактора | |
RU2382423C2 (ru) | Микротвэл ядерного реактора на быстрых нейтронах | |
RU2368964C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2328781C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2368966C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора с двухслойным защитным покрытием топливной микросферы | |
JP2732469B2 (ja) | 被覆燃料粒子 | |
RU2294569C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110324 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20121027 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200324 |