RU2370835C1

RU2370835C1 - Fuel element of nuclear reactor

Info

Publication number: RU2370835C1
Application number: RU2008117491/06A
Authority: RU
Inventors: Валентин Петрович Денискин (RU); Валентин Петрович Денискин; Сергей Дмитриевич Курбаков (RU); Сергей Дмитриевич Курбаков; Иван Иванович Федик (RU); Иван Иванович Федик; Альберт Семенович Черников (RU); Альберт Семенович Черников
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2009-10-20

Abstract

FIELD: power engineering. ^ SUBSTANCE: invention is related to the field of nuclear engineering, in particular to fuel elements of nuclear reactor. Fuel element of nuclear reactor comprises fuel microsphere from fission material and four-layer protective coat including layers of pyrocarbon and layer of metal carbide selected from group containing silicon, zirconium, niobium, in which external layer of fuel element is made of titanium-silicon carbide Ti3SiC2. External layer of titanium-silicon carbide Ti3SiC2 protects fragile carbide layer against external mechanical damages, and also corrosion effect of admixtures from fuel element matrix and performs bandage functions for internal layers of fuel element protective coat. ^ EFFECT: fuel element design provides for prolonged operational resource (depth of fuel burning) due to improved corrosion resistance and thermomechanical stability of force carbide layers.

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микросферическому топливу с керамическими защитными покрытиями.The invention relates to the field of nuclear energy, in particular to microspherical fuel with ceramic protective coatings.

Микротвэл ядерного реактора - это топливная микросфера из делящегося материала, например, UO₂, PuO₂, ThO₂ или смесей на их основе, на которую нанесены защитные пироуглеродные и карбидные покрытия. См., например, "Very high temperature gas cooled reactor systems" (VHTR). Finis South-Worth.GENERATION IV. Technical Working group 2 Gas Cooled Reactor Systems. 2002 Winter ANS Meeting, Washington, D.C., November 18, 2002.A microfuel of a nuclear reactor is a fuel microsphere made of fissile material, for example, UO ₂ , PuO ₂ , ThO ₂ or mixtures based on them, on which protective pyrocarbon and carbide coatings are applied. See, for example, "Very high temperature gas cooled reactor systems" (VHTR). Finis South-Worth.GENERATION IV. Technical Working group 2 Gas Cooled Reactor Systems. 2002 Winter ANS Meeting, Washington, DC, November 18, 2002.

Защитные покрытия в составе микротвэла выполняют многоцелевые функции, основной из которых является удержание газообразных и твердых продуктов деления и предотвращение выхода их в активную зону ядерного реактора.Protective coatings as a part of a microfuel have multi-purpose functions, the main of which is the retention of gaseous and solid fission products and preventing their entry into the active zone of a nuclear reactor.

Такие характеристики покрытий как плотность, толщина, параметры кристаллической структуры и т.п., выбираются на соответствующих стадиях отработки с учетом специфических особенностей реакторной установки и условий ее эксплуатации: температурного интервала облучения, величины выгорания топлива, флюенса быстрых нейтронов, постулируемых величин перегрева топлива и т.п.Such characteristics of coatings as density, thickness, parameters of the crystal structure, etc., are selected at the appropriate stages of testing taking into account the specific features of the reactor installation and the conditions of its operation: the temperature range of irradiation, the magnitude of the burnup of the fuel, the fluence of fast neutrons, the postulated values of the superheat of the fuel, and etc.

Известен микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу из UO₂ диаметром 500 мкм и многослойное покрытие, первый слой которого выполнен из пироуглерода низкой плотности толщиной 92 мкм, второй слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода толщиной 39 мкм, третий слой выполнен из карбида кремния толщиной 35 мкм, наружный слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода толщиной 40 мкм. (Hrovat M., Huschka H., Mehner A.-W., Warzawa W. "Spherical fuel elements for small and medium sized HTR". - Nuclear Engineering and Design, 109, 1988, p.253-256).Known microtel nuclear reactor containing a fuel microsphere of UO _{2 with a} diameter of 500 μm and a multilayer coating, the first layer of which is made of low-density pyrocarbon 92 μm thick, the second layer is made of high-density isotropic pyrocarbon 39 μm thick, the third layer is made of silicon carbide 35 μm thick , the outer layer is made of high-density isotropic pyrocarbon with a thickness of 40 μm. (Hrovat M., Huschka H., Mehner A.-W., Warzawa W. "Spherical fuel elements for small and medium sized HTR." - Nuclear Engineering and Design, 109, 1988, p. 253-256).

Существенным недостатком указанных микротвэлов является высокая повреждаемость карбидокремниевого слоя при разрушении внутреннего высокоплотного слоя из пироуглерода продуктами деления, например J, Cs, Ag, Pd, Rb и др., и разрушение наружного слоя из пироуглерода с потерей его бандажных свойств, что ограничивает ресурс его эксплуатации (глубину выгорания топлива).A significant drawback of these microfuel is the high damage to the silicon carbide layer during the destruction of the inner high-density pyrocarbon layer by fission products, for example, J, Cs, Ag, Pd, Rb, etc., and the destruction of the outer pyrocarbon layer with the loss of its bandage properties, which limits its service life (fuel burnup depth).

Наиболее близким аналогом-прототипом предложенному техническому решению является микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу из UO₂ и многослойное покрытие, первый слой которого выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой выполнен из карбидного материала, например SiC или ZrC, наружный слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода (Minato К., Ogawa Т., Sawa К., Ishikawa A., Tomita Т., lida S. Irradiation experiment on ZrC-coated fuel particles for high-temperature gas-cooled reactors.- Nuclear Technology, vol.130, June, 2000, p.272-281).The closest prototype analogue to the proposed technical solution is a microtel of a nuclear reactor containing a fuel microsphere of UO ₂ and a multilayer coating, the first layer of which is made of low-density pyrocarbon, the second layer is made of high-density isotropic pyrocarbon, the third layer is made of a carbide material, for example SiC or ZrC, the outer layer is made of high-density isotropic pyrocarbon (Minato K., Ogawa T., Sawa K., Ishikawa A., Tomita T., lida S. Irradiation experiment on ZrC-coated fuel particles for high temperature gas-cooled reactors. - Nuclear Technology, vol. 130, June, 2000, p. 272-281).

Недостатком указанного микротвэла является повреждаемость карбидных слоев продуктами деления при разрушении внутреннего и наружного слоев из пироуглерода, что ограничивает ресурс его эксплуатации (глубину выгорания топлива) особенно при повышенных температурах (более 1300°С) и дозах (более 2,0·10²¹ н/cм²) облучения.The disadvantage of this microfuel is the damage of carbide layers by fission products during the destruction of the inner and outer layers of pyrocarbon, which limits its service life (fuel burnup depth) especially at elevated temperatures (more than 1300 ° C) and doses (more than 2.0 · 10 ²¹ n / cm ² ) exposure.

Повреждаемость карбидных слоев (основных силовых и диффузионных барьеров по отношению к газообразным и твердым продуктам деления) обусловлена целым рядом параллельно протекающих превращений:Damage to carbide layers (the main force and diffusion barriers with respect to gaseous and solid fission products) is caused by a number of parallel transformations:

- усадка уже на ранних стадиях облучения пироуглеродных слоев, развитие в них растягивающих напряжений, обусловленных анизотропными размерными изменениями, и, наконец, образование в них радиальных трещин, открывающих прямой доступ продуктов деления к карбидным слоям;- shrinkage already in the early stages of irradiation of pyrocarbon layers, the development of tensile stresses due to anisotropic dimensional changes in them, and, finally, the formation of radial cracks in them, which open up direct access of fission products to carbide layers;

- коррозионное взаимодействие моноокиси углерода и твердых продуктов деления с карбидными слоями создает в местах выхода трещин на внутренней поверхности карбидных слоев локальные концентраторы растягивающих напряжений;- the corrosion interaction of carbon monoxide and solid fission products with carbide layers creates local concentrators of tensile stresses in the places where cracks exit on the inner surface of the carbide layers;

- нарастающее по мере выгорания топлива давление твердых продуктов деления и термоциклирование, например, за счет изменения энерговыделения из топливной микросферы при разрушении наружного слоя из пироугдерода повышают вероятность разрушения карбидных слоев и микротвэла в целом.- the pressure of solid fission products increasing as fuel burns out and thermal cycling, for example, due to a change in energy release from the fuel microsphere when the outer layer of pyrocarbon is destroyed increases the likelihood of destruction of carbide layers and the microfuel as a whole.

Экспериментально установлено, что коррозионное взаимодействие карбидов кремния или циркония с твердыми продуктами деления и моноокисью углерода интенсивно протекает как в местах выхода трещин пироуглеродного слоя на внутреннюю поверхность карбидных слоев, так и в местах локального отслоения внутреннего пироуглеродного слоя от слоя карбида. Концентрация продуктов деления в этих местах приводит к неконтролируемому формированию новых структур, которые по своим физико-механическим и радиационным свойствам отличаются от соответствующих свойств карбидных слоев, что приводит к разрушению последних в условиях воздействия высокого внутреннего давления в микротвэле. Повреждаемость карбидных слоев повышается также за счет диффузии через слой наружного пироуглерода из матрицы твэла таких примесей, как Fe, Cr, Ni и др.It was experimentally established that the corrosion interaction of silicon or zirconium carbides with solid fission products and carbon monoxide occurs intensively both at the places where the pyrocarbon layer cracks exit onto the inner surface of the carbide layers, and at the places where the inner pyrocarbon layer exfoliates locally from the carbide layer. The concentration of fission products in these places leads to the uncontrolled formation of new structures, which in their physicomechanical and radiation properties differ from the corresponding properties of carbide layers, which leads to the destruction of the latter under conditions of high internal pressure in the microfuel. Damage to the carbide layers also increases due to diffusion of such impurities as Fe, Cr, Ni, etc. through the outer pyrocarbon layer from the fuel matrix.

Перед авторами предложенного технического решения стояла задача повышения ресурса эксплуатации (глубины выгорания топлива) микротвэлов за счет повышения коррозионной стойкости и термомеханической стабильности силовых карбидных слоев.The authors of the proposed technical solution were faced with the task of increasing the service life (fuel burnup depth) of microfuel by increasing the corrosion resistance and thermomechanical stability of power carbide layers.

Поставленная задача решается тем, что в микротвэле ядерного реактора, содержащего топливную микросферу из UO₂ и четырехслойное покрытие, в котором первый слой выполнен из низкоплотного пироуглерода, второй слой - из высокоплотного пироуглерода, третий слой - из карбидного материала, например SiC, ZrC, NbC, четвертый - наружный слой выполнен из титанокремнистого карбида Ti₃SiC₂.The problem is solved in that in the microtel of a nuclear reactor containing a fuel microsphere of UO ₂ and a four-layer coating in which the first layer is made of low-density pyrocarbon, the second layer is of high-density pyrocarbon, the third layer is made of carbide material, for example SiC, ZrC, NbC fourth — the outer layer is made of titanium-silicon carbide Ti ₃ SiC ₂ .

Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом заключается в следующем. Каждый из слоев предложенного микротвэла ядерного реактора с карбонитридными барьерами выполняет следующие функции:A causal relationship between the essential features and the technical result is as follows. Each of the layers of the proposed microfuel nuclear reactor with carbonitride barriers performs the following functions:

- первый слой из пироуглерода низкой плотности создает «свободный» объем для локализации газообразных продуктов деления;- the first layer of low-density pyrocarbon creates a "free" volume for the localization of gaseous fission products;

- второй высокоплотный изотропный пироуглерод является диффузионным барьером для газообразных продуктов деления;- the second high-density isotropic pyrocarbon is a diffusion barrier for gaseous fission products;

- третий слой из SiC, либо ZrC, либо NbC является основным силовым слоем, противодействующим внутреннему давлению газообразных продуктов деления, и служит диффузионным барьером по отношению к твердым продуктам деления;- the third layer of SiC, or ZrC, or NbC is the main force layer that counteracts the internal pressure of the gaseous fission products, and serves as a diffusion barrier in relation to solid fission products;

- четвертый слой из титанокремнистого карбида Ti₃SiC₂ защищает хрупкий карбидный слой из SiC, либо ZrC, либо NbC от внешних механических повреждений, а также коррозионных воздействий примесей из матрицы твэла и выполняет бандажные функции по отношению к внутренним слоям защитного покрытия микротвэла.- the fourth layer of titanium-silicon carbide Ti ₃ SiC ₂ protects the brittle carbide layer of SiC, or ZrC, or NbC from external mechanical damage, as well as the corrosive effects of impurities from the fuel rod matrix and performs banding functions with respect to the inner layers of the microfuel protective coating.

Пример осуществления предлагаемого технического решения. Пятислойное защитное покрытие на топливные микросферы из диоксида урана диаметром 500 мкм последовательно осаждают в кипящем слое:An example of the implementation of the proposed technical solution. A five-layer protective coating on fuel microspheres made of uranium dioxide with a diameter of 500 μm is successively deposited in a fluidized bed:

- первый слой из низкоплотного пироуглерода (температура пиролиза Т=1450°С, концентрация С₂Н₂ в смеси с аргоном 60 об.%, суммарный расход газов G=1500 л/ч);- the first layer of low-density pyrocarbon (pyrolysis temperature T = 1450 ° C, a concentration of C ₂ H ₂ mixed with argon of 60 vol.%, the total gas flow rate G = 1500 l / h);

- второй слой из высокоплотного изотропного пироуглерода (Т=1300°С, концентрация С₃Н₆ в смеси с аргоном 30 об.%, G=1500 л/ч);- the second layer of high-density isotropic pyrocarbon (T = 1300 ° C, the concentration of C ₃ H ₆ mixed with argon 30 vol.%, G = 1500 l / h);

- третий слой из SiC (Т=1550°С, концентрация СН₃ SiCl₃ 1,0 об.%, G водорода=1500 л/ч);- the third layer of SiC (T = 1550 ° C, the concentration of CH ₃ SiCl ₃ 1.0 vol.%, G hydrogen = 1500 l / h);

- либо третий слой из ZrC (T=1500°С, концентрация ZrCl₄ в смеси с азотом 1,0-1,5 об.%, G=1500 л/ч);- either the third layer of ZrC (T = 1500 ° C, the concentration of ZrCl ₄ in a mixture with nitrogen 1.0-1.5 vol.%, G = 1500 l / h);

- либо третий слой из NbC (T=1250°С, концентрация NbCl₅ в смеси с азотом 2,0-2,5 об.%. G=1500 л/ч);- either the third layer of NbC (T = 1250 ° C, the concentration of NbCl ₅ in a mixture with nitrogen 2.0-2.5 vol.%. G = 1500 l / h);

- четвертый слой из титанокремнистого карбида Ti₃SiC₂ (T=1300°С, концентрация C₃H₈ 2,0 об.% в смеси с TiCl₄-3,0 об.%, SiCl₄-1,0 об.%, G аргона = 500 л/ч, G водорода=1100 л/ч);- the fourth layer of titanium-silicon carbide Ti ₃ SiC ₂ (T = 1300 ° C, the concentration of C ₃ H ₈ 2.0 vol.% in a mixture with TiCl ₄ -3.0 vol.%, SiCl ₄ -1.0 vol.% , G argon = 500 l / h; G hydrogen = 1100 l / h);

Анализ экспериментальных результатов по облучению микротвэлов, включающих только карбидные слои, показал, что герметичность покрытий ограничивается максимальными температурами, не превышающими 1350°С, в то время как микротвэл с наружным слоем из Тi₃SiС₂ позволяет увеличить температуру облучения до 1450°С и более, обеспечивая при этом удержание продуктов деления в пределах микротвэла на требуемом уровне. Одновременно при этом допустимо применение более жесткого нейтронного спектра и реализована доза облучения микротвэла до значений (4,0-4,5)·10²¹н/cм² и бoлee.An analysis of the experimental results on the irradiation of microfuel, including only carbide layers, showed that the tightness of the coatings is limited to maximum temperatures not exceeding 1350 ° C, while microfuel with an outer layer of Ti ₃ SiC ₂ can increase the irradiation temperature to 1450 ° C and more while ensuring the retention of fission products within the microfuel at the required level. At the same time, the application of a more rigid neutron spectrum is permissible and the microfuel irradiation dose is implemented up to values (4.0-4.5) · 10 ²¹ n / cm ² and more.

Claims

A microfuel of a nuclear reactor containing a fuel microsphere made of fissile material and a four-layer protective coating comprising pyrocarbon layers and a metal carbide layer selected from the group: silicon, zirconium, niobium, characterized in that the outer microfuel layer is made of titanium-silicon carbide Ti ₃ SiC ₂ .