RU2369925C1 - Микротвэл ядерного реактора - Google Patents
Микротвэл ядерного реактора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2369925C1 RU2369925C1 RU2008110291/06A RU2008110291A RU2369925C1 RU 2369925 C1 RU2369925 C1 RU 2369925C1 RU 2008110291/06 A RU2008110291/06 A RU 2008110291/06A RU 2008110291 A RU2008110291 A RU 2008110291A RU 2369925 C1 RU2369925 C1 RU 2369925C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- density
- layer
- pyrocarbon
- layers
- nuclear reactor
- 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
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микротвэлам ядерного реактора. Микротвэл ядерного реактора содержит топливную микросферу и многослойное защитное покрытие. Это покрытие состоит 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. Микротвэл дополнительно содержит слой из пироуглерода плотностью 1,40-1,60 г/см3. Этот слой расположен между слоями карбидов. Изобретение направлено на уменьшение повреждаемости слоя из карбида кремния и карбида циркония за счет уменьшения его коррозионного повреждения при воздействии угарного газа и твердых продуктов деления в условиях радиационного распухания и термоциклирования. 1 табл.
Description
Микротвэл ядерного реактора
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микротвэлам ядерного реактора.
Микротвэл (МТ) ядерного реактора - это топливная микросфера (ТМ) из ядерного материала (UO2, РuО2, ТhO2) со слоями защитного покрытия (Allen 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 Н. 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±3мкм, третий слой - из SiC плотностью 3,20 г/см3 и толщиной 34±2мкм и четвертый (наружный) слой - из высокоплотного изотропного PyC плотностью 1,85 г/см3 и толщиной 39±3мкм (Minato К., Sawa К., Коуа Т. etal. 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, имеющих большие по сравнению с ZrC анизотропные радиационные размерные изменения.
Существенный вклад в разрушение силовых покрытий из ZrC и SiC вносит различная степень распухания этих материалов по мере набора дозы облучения. В условиях низких температур (начало облучения) для SiC-слоя характерно интенсивное распухание (до 10% объемных). Карбид циркония в этих условиях остается практически неизменным. Возникающие напряжения на границе ZrC-SiC релаксировать за счет термической ползучести не могут (низкие значения температуры). Поэтому в этих условиях возникает значительная вероятность образования трещин в любом из карбидных слоев. При температурах 1000°C и выше доминирующим наряду с распуханием является механизм развития напряжений за счет различий в коэффициентах термического расширения, что недопустимо для керамики в условиях термоциклирования.
Перед авторами предложенного технического решения стояла задача уменьшения повреждаемости слоев из SiC и ZrC за счет уменьшения его коррозионного повреждения при воздействии СО и ТПД в условиях радиационного распухания и 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 пироуглерода плотностью 1,40-1,60 г/см3.
Экспериментальные результаты указывают на то, что пироуглерод плотностью 1,40-1,60 г/см3 обладает меньшим коэффициентом термического расширения (КЛТР), чем ZrC, и близким значением КТЛР к SiC-слою. В случае разрушения слоя из ZrC слой из пироуглерода плотностью 1,40-1,60 г/см3 является дополнительным барьером, предотвращающим проникновение трещин в SiC-слой, а также компенсирует радиационное распухание SiC, уменьшая напряжения между карбидными слоями.
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 пироуглерода плотностью 1,40-1,60 г/см3.
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 слой пироуглерода плотностью 1,40-1,60 г/см3 является компенсатором несоответствия КЛТР ZrC и последующего SiC слоя, барьером, предотвращающим распространение трещин в SiC-слой, предохраняет от повреждений SiC-слой, а также служит компенсатором различных радиационно-термических изменений в карбидных слоях;
- 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 следующие данные. На топливные микросферы (масса навески 30 г) из UO2 диаметром около 200 мкм в кипящем слое последовательно осаждают шестислойное покрытие:
№ п/п | Слой покрытия | Температура пиролиза | Расход газов, л/ч | Концентрация реагентов, об.% | Время процесса, мин | Толщина слоя, мкм |
||||
Ar | H2 | с2н2 | С3Н6 | CH3SiCl3 | ZrCl4 | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
1 | Низкоплотный PyC | 1450±20 | 600 | 90 | 2,5 | 95,0 | ||||
2 | Высокоплотный PyC | 1330±20 | 1200 | 3J0O | 7,0 | 40,0 | ||||
3 | Карбид циркония | 1500±20 | 100 | 1500 | 120 | 2,0 | 100,0 | 35,0 | ||
4 | PyC плотность 1,4-1,6 г/см2 | 1450±20 | 1300 | 1500 | 200 | 7,0 | 10,5 | |||
CH4 | ||||||||||
5 | Карбид кремния | 1550±20 | 1500 | 1,5 | 110,0 | 30,0 | ||||
6 | Высокоплотный PyC | 1330±20 | 1200 | 350 | 10,0 | 45,0 |
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 SiC;
- в условиях радиационного распухания и термоциклирования существенно повышается вероятность разрушения слоя из ZrC и распространения трещин в SiC слой;
- введение в состав МТ слоя из пироуглерода плотностью 1,40-1,60 г/см2 между слоями из ZrC и SiC приводит к перераспределению напряжений в многослойной конструкции покрытий, что обеспечивает компенсацию напряжений за счет различных по знаку радиационно-размерных изменений слоев (карбид кремния распухает, а пироуглерод усаживается).
Выбор плотности пироуглеродного слоя в указанных пределах основывается на следующих экспериментальных данных. При плотности менее 1,4 г/см2 пироглерод усаживается с существенно большей скоростью, чем распухает карбид кремния, что может приводить к возникновению локальных отслоений и, как следствие, к возникновению опасных для хрупкого SiC-слоя растягивающих напряжений. При плотности более 1,6 г/см3 скорость усадки пироуглерода мала и не обеспечивает компенсацию распухания 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 пироуглерода плотностью 1,40-1,60 г/см3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008110291/06A RU2369925C1 (ru) | 2008-03-17 | 2008-03-17 | Микротвэл ядерного реактора |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008110291/06A RU2369925C1 (ru) | 2008-03-17 | 2008-03-17 | Микротвэл ядерного реактора |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2369925C1 true RU2369925C1 (ru) | 2009-10-10 |
Family
ID=41261043
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008110291/06A RU2369925C1 (ru) | 2008-03-17 | 2008-03-17 | Микротвэл ядерного реактора |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2369925C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CZ305059B6 (cs) * | 2013-09-20 | 2015-04-15 | České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Strojní, Ústav Energetiky | Vrstva, chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech |
-
2008
- 2008-03-17 RU RU2008110291/06A patent/RU2369925C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CZ305059B6 (cs) * | 2013-09-20 | 2015-04-15 | České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Strojní, Ústav Energetiky | Vrstva, chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Petti et al. | Key differences in the fabrication, irradiation and high temperature accident testing of US and German TRISO-coated particle fuel, and their implications on fuel performance | |
US20090032178A1 (en) | Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants | |
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 | |
US20120314831A1 (en) | Light Water Reactor TRISO Particle-Metal-Matrix Composite Fuel | |
US3649452A (en) | Nuclear reactor fuel coated particles | |
Ford et al. | Recent developments of coatings for GCFR and HTGCR fuel particles and their performance | |
ZA200610704B (en) | Nuclear fuel | |
US3650896A (en) | Nuclear fuel particles | |
RU2333553C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2369925C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2328783C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2368963C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2382423C2 (ru) | Микротвэл ядерного реактора на быстрых нейтронах | |
RU2603018C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2325711C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2368966C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора с двухслойным защитным покрытием топливной микросферы | |
RU2333552C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора с трехслойным защитным покрытием топливной микросферы | |
RU2368964C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2328781C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2294569C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
Lorrette et al. | Quench behavior of SiC/SiC cladding after a high temperature ramp under steam conditions | |
RU2300818C1 (ru) | Способ получения микротвэлов ядерного реактора | |
RU2603020C1 (ru) | Способ изготовления микротвэлов ядерного реактора | |
RU2393558C2 (ru) | Микротвэл ядерного реактора с двухслойным защитным покрытием топливной микросферы | |
RU2387030C1 (ru) | Микротвэл легководного ядерного реактора |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200318 |