RU2382423C2 - Coated fuel particle for fast neutron reactor - Google Patents

Coated fuel particle for fast neutron reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2382423C2
RU2382423C2 RU2007103998/06A RU2007103998A RU2382423C2 RU 2382423 C2 RU2382423 C2 RU 2382423C2 RU 2007103998/06 A RU2007103998/06 A RU 2007103998/06A RU 2007103998 A RU2007103998 A RU 2007103998A RU 2382423 C2 RU2382423 C2 RU 2382423C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
silicon carbide
fuel
density
sic
Prior art date
Application number
RU2007103998/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007103998A (en
Inventor
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
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "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" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч"
Priority to RU2007103998/06A priority Critical patent/RU2382423C2/en
Publication of RU2007103998A publication Critical patent/RU2007103998A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2382423C2 publication Critical patent/RU2382423C2/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

  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: nuclear physics. ^ SUBSTANCE: invention relates to nuclear power engineering, particularly to microspherical fuel with ceramic protective coatings for fast neutron reactors. The coated fuel particle for fast neutron reactors consists of fuel microspheres based on PuO2 and a four-layered protective coating. The third layer from the microsphere is made from silicon carbide or zirconium carbide, the second and fourth layers are made from titanium-silicon carbide with formula Ti3SiC2. The first layer is deposited on the microsphere and is made from a carbon-silicon carbide composition with content of the silicon phase within defined limits. Content of the silicon phase in the surface zone of the outer boundaries of this layer is 35-45 wt % with depth of the zone equal to 0.03-0.05 of the thickness of the layer. ^ EFFECT: longer operation due to high radiation-chemical stability of the Ti3SiC2 coating. ^ 1 tbl

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микросферическому топливу с керамическими защитными покрытиями для реакторов на быстрых нейтронах.The invention relates to the field of nuclear energy, in particular to microspherical fuel with ceramic protective coatings for fast neutron reactors.

Микротвэл (МТ) ядерного реактора - это топливная микросфера (ТМ) из делящегося материала (UO2, (U, Рu)O2, РuО2 и др.) со слоями защитных покрытий.Microtel (MT) of a nuclear reactor is a fuel microsphere (TM) made of fissile material (UO 2 , (U, Pu) O 2 , PuO 2 , etc.) with layers of protective coatings.

Основные функции защитных покрытий - удержание газообразных (ГПД) и твердых продуктов деления (ТПД) внутри МТ. Одновременно защитные покрытия предохраняют силовые и диффузионные барьеры МТ, например слои из SiC или ZrC, а также материал ТМ от коррозионного воздействия примесей, находящихся в материале твэла (шаровой твэл или компакт) или в теплоносителе (Minato К., Ogawa Т., Kashimura S., Fukuda К., Metallic impurities - silicon carbide interaction in HTGR fuel particles. - J. of Nucl. Mater., 175, 1990, p.14-19).The main functions of protective coatings are the retention of gaseous (GPA) and solid fission products (TPD) inside the MT. At the same time, the protective coatings protect the MT power and diffusion barriers, for example, SiC or ZrC layers, as well as the TM material from the corrosive effects of impurities in the fuel element (ball fuel rod or compact) or in the coolant (Minato K., Ogawa T., Kashimura S ., Fukuda, K., Metallic impurities - silicon carbide interaction in HTGR fuel particles. - J. of Nucl. Mater., 175, 1990, p.14-19).

Основными защитными покрытиями МТ в настоящее время рассматриваются: пироуглерод различной плотности (РуС), карбид кремния (SiC) или карбид циркония (ZrC). В качестве первого слоя на ТМ используется низкоплотный (буферный) пироуглерод (РуСбуф), в качестве второго слоя - высокоплотный изотропный пироуглерод (РуСв), третий слой выполнен либо из SiC, либо из ZrC, четвертый - наружный - слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода (РуСн). В тех случаях, когда РуСв и РуСн осаждают из метанаргоновой смеси при температурах пиролиза более 1900°С, МТ между слоями РуСбуф и РуСв содержит дополнительный РуС-слой плотностью около 1,60 г/см3, являющимся диффузионным барьером, предотвращающим реакцию, например, UO2+3C↔UC+2СО, протекающую с большой скоростью в условиях равновесного давления СО (Черников А.С. Топливо и твэлы ВТГР, Атомная энергия, т.65, вып.1, июль 1988, с.32-38).The main protective coatings of MT are currently considered: pyrocarbon of various densities (Rus), silicon carbide (SiC) or zirconium carbide (ZrC). As the first layer on the TM, low-density (buffer) pyrocarbon (RuSbuf) is used, as the second layer is high-density isotropic pyrocarbon (RuSv), the third layer is made of either SiC or ZrC, the fourth is the outer layer is made of high-density isotropic pyrocarbon ( RusSn). In cases where RusCb and RusCn are precipitated from a methane-argon mixture at pyrolysis temperatures of more than 1900 ° C, the MT between the layers of RusCoof and RusCoV contains an additional CoC layer with a density of about 1.60 g / cm 3 , which is a diffusion barrier preventing the reaction, for example, UO 2 + 3C↔UC + 2CO, flowing at high speed under conditions of equilibrium CO pressure (Chernikov A.S. Fuel and VTGR fuel rods, Atomic energy, vol. 65, issue 1, July 1988, p. 32-38).

Микротвэлы на основе ТМ, например, из UO2 и РуС, SiC или ZrC покрытий являются четырехслойными (низкотемпературный РуС) или пятислойными (высокотемпературный РуС):Microfuel based on ТМ, for example, from UO 2 and Rus, SiC or ZrC coatings are four-layer (low-temperature Rus) or five-layer (high-temperature Rus):

Номер слояLayer number МатериалMaterial Толщина, мкмThickness, microns Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 1one РуСRus 9090 1,01,0 22 РуСRus 30thirty 1,4-1,61.4-1.6 33 РуСRus 30thirty 1,8-1,91.8-1.9 4four SiCSiC 50fifty 3,23.2 55 РуСRus 50fifty 1,8-1,91.8-1.9

В составе МТ пироуглеродные покрытия выполняют многоцелевые функции: РуСбуф - объем для локализации ГПД и компенсатор несоответствия в коэффициентах линейного термического расширения между материалом ТМ и последующими высокоплотными слоями; РуСв - диффузионный барьер для ГПД и некоторых ТПД, одновременно защищает карбидный (SiC или ZrC) слой от коррозионного воздействия ТПД; РуСн - защищает хрупкие карбидные слои от механических повреждений; карбидный (SiC или ZrC) слой - основной силовой слой и диффузионный барьер для ТПД.As part of MT, pyrocarbon coatings perform multi-purpose functions: RuSbuf - volume for the localization of GPA and a compensator for mismatch in the coefficients of linear thermal expansion between the TM material and subsequent high-density layers; RusSv is a diffusion barrier for GPA and some TPD, while protecting the carbide (SiC or ZrC) layer from the corrosive effects of TPD; RusSn - protects brittle carbide layers from mechanical damage; carbide (SiC or ZrC) layer - the main force layer and diffusion barrier for TPD.

Исследование радиационной стойкости карбидокремниевых покрытий, как конструкционного материала, при облучении нейтронами в интервале температур 300-1400°С и флюенсе (4,0-6,0)1022 н/см2 (Е>0,1 МэВ) показывает:A study of the radiation resistance of silicon carbide coatings as a structural material when irradiated with neutrons in the temperature range 300-1400 ° C and a fluence (4.0-6.0) 10 22 n / cm 2 (E> 0.1 MeV) shows:

- при относительно низких температурах (<800°С) в SiC образуются точечные дефекты и небольшие петли дислокации;- at relatively low temperatures (<800 ° C), point defects and small dislocation loops form in SiC;

- при более высоких температурах (1400°С) точечные дефекты вырастают в петли Франка и, наконец, развиваются в сетидислокаций.- at higher temperatures (1400 ° С), point defects grow in Frank loops and, finally, develop in network dislocations.

Образование подобных дефектов, тем не менее, не приводит к существенному изменению физико-механических и теплофизических характеристик SiC покрытий как конструкционного материала. Однако в составе МТ карбидокремниевое покрытие, при разрушении РуСв, подвергается интенсивному коррозионному воздействию ТПД и СО. В совокупности с возрастающим внутренним давлением ГПД это приводит к повышению вероятности разрушения всего многослойного покрытия МТ.The formation of such defects, however, does not lead to a significant change in the physicomechanical and thermophysical characteristics of SiC coatings as a structural material. However, in the composition of MT, the silicon carbide coating, during the destruction of RusSv, is subjected to intense corrosion by TPD and CO. Together with increasing internal GPA pressure, this leads to an increase in the probability of destruction of the entire multilayer MT coating.

Экспериментально установлено, что разрушение РуСв и РуСн начинается при флюенсах быстрых нейтронов более 2,0·1021 н/см2.It was experimentally established that the destruction of RusSv and RusSn begins at fast neutron fluences of more than 2.0 · 10 21 n / cm 2 .

Известен микротвэл ядерного реактора на основе ТМ из UO2 и пятислойного покрытия, первый слой которого выполнен из пироуглерода низкой (1,0-1,1 г/см3) плотности, второй слой выполнен из пироуглерода средней (1,40-1,60 г/см3) плотности, третий слой выполнен из изотропного пироуглерода высокой (1,80-1,90 г/см3) плотности, четвертый слой выполнен из карбида кремния плотностью 3,20±0,02 г/см3, пятый слой выполнен из изотропного пироуглерода высокой (1,80-1,90 г/см3) плотности (Черников А.С., Михайличенко Л.И., Орлов Г.В., Курбаков С.Д., Микротвэлы ВТГР. Свойства материалов покрытий и результаты предреакторных испытаний. Атомная энергия, т.68, вып.3, март 1990, с.181-186).The microtelle of a nuclear reactor based on TM from UO 2 and a five-layer coating is known, the first layer of which is made of pyrocarbon of low (1.0-1.1 g / cm 3 ) density, the second layer is made of medium pyrocarbon (1.40-1.60 g / cm 3 ) density, the third layer is made of high density isotropic pyrocarbon (1.80-1.90 g / cm 3 ), the fourth layer is made of silicon carbide with a density of 3.20 ± 0.02 g / cm 3 , the fifth layer made of isotropic pyrocarbon of high (1.80-1.90 g / cm 3 ) density (Chernikov AS, Mikhaylichenko LI, Orlov GV, Kurbakov SD, Mikrotvely VTGR. Mother properties of coatings and the results of pre-reactor tests (Atomic Energy, vol. 68, vol. 3, March 1990, p. 181-186).

Недостатком указанного микротвэла ядерного реактора является невозможность использования его в среде быстрых нейтронов. Подобная конструкция МТ была разработана и успешно применена в условиях умеренного (теплового) спектра нейтронов. В жестком спектре нейтронов (реактор на быстрых нейтронах) решающее влияние на целостность МТ оказывают радиационно-химические повреждения покрытий. Причем влияние этих повреждений будет сказываться уже на низких уровнях выгорания топлива, т.е. при относительно небольших давлениях ГПД внутри МТ. Наиболее существенные изменения на ранних стадиях облучения произойдут в пироуглеродных слоях и особенно в низкоплотном и среднеплотном РуС. Следует отметить, что предельная стойкость РуС ограничена значениями флюенса быстрых нейтронов (2-4)·1021 н/см2, в то время как в быстрых газоохлаждаемых реакторах можно ожидать радиационное повреждение выше 200 dpa (флюенс более 2,0·1023 н/см2). При таком уровне повреждений следует учитывать образование Не (по реакции n-альфа), образование пор и распухание SiC, что в конечном итоге будет сказываться на изменении прочности SiC-слоя. Основываясь на опыте эксплуатации быстрых реакторов-размножителей к топливной конструкции МТ быстрых газоохлаждаемых реакторов, могут быть сформулированы следующие обобщенные требования:The disadvantage of this microfuel of a nuclear reactor is the inability to use it in a fast neutron medium. A similar MT design was developed and successfully applied in the conditions of a moderate (thermal) neutron spectrum. In the hard neutron spectrum (fast neutron reactor), radiation-chemical damage to coatings has a decisive influence on the integrity of MTs. Moreover, the effect of these damages will already affect low levels of fuel burnup, i.e. at relatively low GPA pressures inside the MT. The most significant changes in the early stages of irradiation will occur in the pyrocarbon layers and especially in the low-density and medium-density Rus. It should be noted that the ultimate resistance of Rus is limited by the fast neutron fluence (2-4) · 10 21 n / cm 2 , while in fast gas-cooled reactors, radiation damage above 200 dpa can be expected (fluence greater than 2.0 · 10 23 n / cm 2 ). At this level of damage, the formation of He (according to the n-alpha reaction), the formation of pores and swelling of SiC should be taken into account, which will ultimately affect the change in the strength of the SiC layer. Based on the experience of operating fast breeder reactors for the fuel structure of MT fast gas-cooled reactors, the following generalized requirements can be formulated:

- необходимость высокой плотности тяжелых атомов;- the need for a high density of heavy atoms;

- обогащение Рu 15-20%;- enrichment of Pu 15-20%;

- требование к материалам покрытий выдерживать флюенсы быстрых нейтронов (Е>0,1 МэВ) до ~1023 н/см2;- the requirement for coating materials to withstand fast neutron fluences (E> 0.1 MeV) up to ~ 10 23 n / cm 2 ;

- способность МТ удерживать продукты деления также эффективно (отношение R/B для нормальных, неравновесных и аварийных ситуаций, где R-скорость выхода и- MT's ability to retain fission products is also effective (R / B ratio for normal, nonequilibrium and emergency situations, where R is the exit velocity and

В-скорость образования продуктов деления), как и в тепловых реакторах.B-rate of formation of fission products), as in thermal reactors.

Таким образом, в качестве ядерного материала для быстрых газоохлаждаемых реакторов может рассматриваться смешанное монокарбидное (U, Pu)C, нитридное топливо (U, Pu)N или плутониевое (РuО2) топливо.Thus, mixed monocarbide (U, Pu) C, nitride fuel (U, Pu) N, or plutonium (PuO 2 ) fuel can be considered as nuclear material for fast gas-cooled reactors.

Требования к защитным покрытиям (толщина слоя, плотность, соотношение открытой и закрытой пористости, параметры кристаллической решетки т.п.) уточняются на стадии проведения опытно-конструкторских работ применительно к конкретному типу реактора.Requirements for protective coatings (layer thickness, density, ratio of open and closed porosity, crystal lattice parameters, etc.) are specified at the stage of experimental design work for a specific type of reactor.

Известен микротвэл быстрого газоохлаждаемого реактора на основе ТМ из (U0,8 Pu0,2)O2 диаметром 850 мкм с трехслойным покрытием, первый слой которого выполнен из пироуглерода низкой плотности толщиной 45 мкм, второй слой выполнен из высокоплотного пироуглерода толщиной 5 мкм, третий слой выполнен из карбида кремния толщиной около 50 мкм (М.Dalle and G. Schumacher. Considerations on PyC and SiC coated oxide particles for gas cooled fast reactor application. - J. of Nucl. Mater., 40, 1971, p.27-40).Known microtel fast gas-cooled reactor based on TM from (U 0.8 Pu 0.2 ) O 2 with a diameter of 850 μm with a three-layer coating, the first layer of which is made of low-density pyrocarbon 45 μm thick, the second layer is made of high-density pyrocarbon 5 μm thick, the third layer is made of silicon carbide about 50 μm thick (M. Dalle and G. Schumacher. Considerations on PyC and SiC coated oxide particles for gas cooled fast reactor application. - J. of Nucl. Mater., 40, 1971, p. 27 -40).

Помимо вышеперечисленных недостатков, связанных с существенной повреждаемостью пироуглеродных слоев быстрыми нейтронами, указанная конструкция МТ обладает дополнительными ограничениями, обусловленными высокой коррозионной повреждаемостью SiC слоя изнутри твердыми продуктами деления и снаружи - металлическими примесями в теплоносителе. Все эти факторы существенным образом ограничивают ресурс эксплуатации МТ.In addition to the above disadvantages associated with the significant damage to pyrocarbon layers by fast neutrons, this MT design has additional limitations due to the high corrosion damage to the SiC layer from the inside by solid fission products and from the outside by metallic impurities in the coolant. All these factors significantly limit the life of the MT.

Известен микротвэл ядерного реактора на основе ТМ из UO2 с четырехслойным покрытием, первый слой которого выполнен из пироуглерода низкой (1,11 г/см3) плотности и толщиной 64 мкм, второй слой выполнен из изотропного высокоплотного (1,84 г/см3) пироуглерода толщиной 26 мкм, третий слой выполнен из карбида циркония плотностью 6.6 г/см3 и толщиной 31 мкм, четвертый слой выполнен из изотропного высокоплотного (1,95 г/см3) пироуглерода толщиной 55 мкм (Minato К., Fukuda К., Sekino И., Ishikawa A., Oeda E. Deterioration of ZrC - coated fuell partikle caused by failure of pyrolytic carbon layer. - J. of Nucl. Mater., 252, 1988, p.13-21).The microtelle of a nuclear reactor based on TM from UO 2 with a four-layer coating is known, the first layer of which is made of pyrocarbon of low (1.11 g / cm 3 ) density and 64 microns thick, the second layer is made of high-density isotropic (1.84 g / cm 3 ) pyrocarbon with a thickness of 26 μm, the third layer is made of zirconium carbide with a density of 6.6 g / cm 3 and a thickness of 31 μm, the fourth layer is made of isotropic high-density (1.95 g / cm 3 ) pyrocarbon with a thickness of 55 μm (Minato K., Fukuda K. , Sekino I., Ishikawa A., Oeda E. Deterioration of ZrC - coated fuell partikle caused by failure of pyrolytic carbon layer .-- J. of Nucl. Mater., 252, 1988, p.13-21).

Несмотря на более высокую термическую стабильность ZrC по сравнению с SiC (особенно в условиях возможных перегревов МТ до температур более 2000°С), высокая повреждаемость пироуглеродных слоев в конечном итоге лимитирует целостность всего четырехслойного ансамбля покрытий, что ограничивает ресурс эксплуатации МТ.Despite the higher thermal stability of ZrC compared to SiC (especially under conditions of possible MT overheating to temperatures above 2000 ° C), the high damage to the pyrocarbon layers ultimately limits the integrity of the entire four-layer coating ensemble, which limits the MT operating life.

Наиболее близким аналогом-прототипом предложенному техническому решению является микротвэл ядерного реактора на основе топливной микросферы из РuО2 диаметром 200±25 мкм с четырехслойным покрытием, в котором первый слой выполнен из низкоплотного пироуглерода толщиной 100±15 мкм и плотностью 1,0 г/см3, второй слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода толщиной 35±8 мкм и плотностью 1,80 г/см3, третий слой выполнен из карбида кремния толщиной 35±8 мкм и плотностью 3,2 г/см3, четвертый слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода толщиной 40±8 мкм и плотностью 1,80 г/см3 (Черников А.С., Пермяков Л.Н., Курбаков С.Д. и др. Ядерное топливо для ВТГР на основе микросфер из оксида плутония. - Атомная энергия, т.88, вып.1, январь 2000, с.35-38).The closest analogue to the prototype of the proposed technical solution is a microtel of a nuclear reactor based on a fuel microsphere made of PuO 2 with a diameter of 200 ± 25 μm with a four-layer coating, in which the first layer is made of low-density pyrocarbon with a thickness of 100 ± 15 μm and a density of 1.0 g / cm 3 the second layer is made of high-density isotropic pyrocarbon with a thickness of 35 ± 8 μm and a density of 1.80 g / cm 3 , the third layer is made of silicon carbide with a thickness of 35 ± 8 μm and a density of 3.2 g / cm 3 , the fourth layer is made of high-density isotropic pirog hydrogen chloride with a thickness of 40 ± 8 μm and a density of 1.80 g / cm 3 (Chernikov A.S., Permyakov L.N., Kurbakov S.D. et al. Nuclear fuel for HTGR based on plutonium oxide microspheres. - Atomic energy , vol. 88, issue 1, January 2000, p. 35-38).

Недостатком указанного микротвэла так же, как и предыдущих, является высокая повреждаемость пироуглеродных слоев, ограниченная флюенсами быстрых нейтронов (2-4)·1021 н/см2, причем повреждаемость второго высокоплотного изотропного РуС дополнительно активирована коррозионным воздействием ПД и повышенным выходом кислорода из-за распада плутониевого топлива. Выделяющийся кислород при взаимодействии с РуС приводит к интенсивному образованию СО, который приводит к коррозии карбидокремниевого слоя по реакции SiC+2СО→SiO2+3C. В свою очередь, это приводит к повышению вероятности разрушения силового SiC-слоя и полной разгерметизации четырехслойного покрытия. Все эти факторы ограничивают ресурс эксплуатации МТ в условиях облучения их в потоке быстрых нейтронов.The disadvantage of this microfuel, as well as the previous ones, is the high damage to the pyrocarbon layers, limited by fast neutron fluences (2-4) · 10 21 n / cm 2 , and the damage to the second high-density isotropic Rus is additionally activated by the corrosive action of PD and an increased oxygen output from for the decay of plutonium fuel. The released oxygen in the interaction with Rus leads to the intense formation of CO, which leads to corrosion of the silicon carbide layer by the reaction SiC + 2CO → SiO 2 + 3C. In turn, this leads to an increase in the probability of destruction of the SiC power layer and complete depressurization of the four-layer coating. All these factors limit the MT operating life under conditions of their irradiation in the fast neutron flux.

Перед авторами предложенного технического решения стояла задача повышения ресурса эксплуатации (глубины выгорания топлива) микротвэла за счет повышения радиационной стойкости защитного покрытия в условиях жесткого спектра быстрых нейтронов.The authors of the proposed technical solution had the task of increasing the service life (fuel burnup depth) of the microfuel due to the increase in the radiation resistance of the protective coating under the conditions of a hard spectrum of fast neutrons.

Поставленная задача решается тем, что в микротвэле ядерного реактора на быстрых нейтронах, состоящего из топливной микросферы на основе РuО2 и четырехслойного защитного покрытия, в котором третий от топливной микросферы слой выполнен из карбида кремния или карбида циркония, второй и четвертый слои выполнены из титано-кремнистого карбида состава Тi3SiС2, а первый слой, нанесенный на микросферу, выполнен из композиции углерод - карбид кремния с содержанием кремниевой фазы в пределах 1,0-20,0 мас.%, причем содержание кремниевой фазы в приповерхностной зоне внешней границы этого слоя составляет 35-45 мас.% при глубине зоны 0,03-0,05 от толщины слоя.The problem is solved in that in the microtelement of a fast neutron nuclear reactor, consisting of a fuel microsphere based on PuO 2 and a four-layer protective coating, in which the third layer from the fuel microsphere is made of silicon carbide or zirconium carbide, the second and fourth layers are made of titanium silicon carbide composition of Ti 3 SiC 2 and the first layer applied to the microsphere composition is made of carbon - silicon carbide phase containing silicon in the range 1,0-20,0% by weight, wherein the content of silicon in pripoverh phase. ostnoy zone outer boundary of this layer is 35-45 wt.% at a depth of 0.03-0.05 zone thickness.

Каждый из слоев предложенного микротвела ядерного реактора на быстрых нейтронах выполняет следующие функции:Each of the layers of the proposed microtel of a fast fast neutron nuclear reactor performs the following functions:

- первый слой из композиции углерод - карбид кремния содержит «свободный» объем для локализации ГПД и компенсирует несоответствие в коэффициентах линейного термического расширения между ТМ и последующими высокоплотными слоями; на стадиях глубокого выгорания топлива компенсирует его распухание;- the first layer of the carbon - silicon carbide composition contains a “free" volume for the localization of the GPA and compensates for the mismatch in the coefficients of linear thermal expansion between the TM and subsequent high-density layers; at the stages of deep burn-up of the fuel, it compensates for its swelling;

- второй слой из титано-кремнистого карбида является диффузионным барьером для ГПД и большинства ТПД, а также геттером для СО;- the second layer of titanium-silicon carbide is a diffusion barrier for GPA and most TPD, as well as a getter for CO;

- третий слой из SiC или ZrC является основным силовым слоем, противостоящим высокому внутреннему давлению ГПД и диффузионным барьером для ТПД;- the third layer of SiC or ZrC is the main power layer that resists the high internal pressure of the GPA and the diffusion barrier for TPD;

- четвертый слой из титано-кремнистого карбида является геттером для металлических примесей из матрицы твэла или теплоносителя, а также защищает хрупкий силовой слой SiC или ZrC от механических повреждений.- the fourth layer of titanium-silicon carbide is a getter for metal impurities from the fuel element matrix or coolant, and also protects the fragile SiC or ZrC force layer from mechanical damage.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. Титано-кремнистый карбид Ti3SiC2 - это материал, в гексагональной кристаллической решетке которого каждые три упакованных слоя атомов титана чередуются с одним слоем атомов кремния, а атомы углерода занимают все октаэдрические поры между атомами титана. В результате элементарная ячейка приобретает слоистую (наноламинарную) структуру (а=0,30665 нм и с=1,767 нм). Характерными особенностями этой кристаллической решетки является очень большое отношение осей с/а=5,76, два типа межатомной связи: жестконаправленная ковалентная Ti-С и металлическая Ti-Si. Кроме того, силы связи атомов Si между собой и с атомами Ti намного меньше сил связи Ti-С. Структурные особенности Ti3SiC2 предопределяют, в сравнении с карбидами и силицидами металлов IIIA и IVA группы, характер его радиационно-размерных изменений под действием быстрых нейтронов. При относительно низких (~ до 200°С) температурах облучения, как и для большинства керамических материалов, наблюдается незначительное распухание материала. По мере набора дозы облучения и роста температуры распухание сменяется усадкой, которая стабилизируется при достижении температуры облучения 1100-1300°С. Отжиг радиационных дефектов в этом температурном интервале, а также радиационно-термическая ползучесть Тi3SiС2 способствуют релаксации растягивающих напряжений во втором и четвертом слоях МТ. Стабильные сжимающие напряжения в SiC или ZrC-слое снижают вероятность разрушения многослойной конструкции МТ из-за возрастающего внутреннего давления ГПД.The essence of the proposed technical solution is as follows. Titanium-silicon carbide Ti 3 SiC 2 is a material in the hexagonal crystal lattice of which every three packed layers of titanium atoms alternate with one layer of silicon atoms, and carbon atoms occupy all the octahedral pores between the titanium atoms. As a result, the unit cell acquires a layered (nanolaminar) structure (a = 0.30665 nm and c = 1.777 nm). A characteristic feature of this crystal lattice is the very large axial ratio c / a = 5.76, two types of interatomic bonds: tightly directed covalent Ti-C and metallic Ti-Si. In addition, the bonding forces of Si atoms with each other and with Ti atoms are much smaller than the Ti – C bonding forces. The structural features of Ti 3 SiC 2 determine, in comparison with carbides and silicides of group IIIA and IVA metals, the nature of its radiation-dimensional changes under the influence of fast neutrons. At relatively low (~ 200 ° C) irradiation temperatures, as for most ceramic materials, a slight swelling of the material is observed. As the radiation dose is set and the temperature rises, the swelling is replaced by shrinkage, which stabilizes when the irradiation temperature reaches 1100–1300 ° С. Annealing of radiation defects in this temperature range, as well as radiation-thermal creep of Ti 3 SiC 2 contribute to the relaxation of tensile stresses in the second and fourth layers of MT. Stable compressive stresses in the SiC or ZrC layer reduce the likelihood of fracture of the multilayer MT structure due to the increasing internal pressure of the GPA.

Дополнительно следует учитывать, что Ti3SiC2 является коррозионно-стойким материалом по отношению к таким ТПД, как Cs, Rb, Sr, Ag, Pd, Eu и т.п. С такими металлами, как Ag, Pd, Fe, Co, Cr титано-кремнистый карбид не образует легкоплавких эвтектик, которые способствуют снижению диффузионных характеристик материала и снижению его прочности. Тi3SiС2 является прекрасным геттером по отношению к кислороду и монооксиду углерода, которые образуют в межслоевом пространстве связи Ti-О и Si-О. Из-за того, что ионный радиус кислорода меньше межплоскостного расстояния (с/а=5,76 при с=1,767 нм), процесс окисления не сопровождается объемными изменениями материала.In addition, it should be borne in mind that Ti 3 SiC 2 is a corrosion-resistant material with respect to TPDs such as Cs, Rb, Sr, Ag, Pd, Eu, etc. With metals such as Ag, Pd, Fe, Co, Cr, titanium-silicon carbide does not form fusible eutectics, which contribute to a decrease in the diffusion characteristics of the material and a decrease in its strength. Ti 3 SiC 2 is an excellent getter with respect to oxygen and carbon monoxide, which form Ti-O and Si-O bonds in the interlayer space. Due to the fact that the ionic radius of oxygen is less than the interplanar distance (c / a = 5.76 at c = 1.767 nm), the oxidation process is not accompanied by bulk changes in the material.

В процессе облучения МТ, у которого в качестве первого слоя используется пироуглерод низкой плотности (аналоги и прототип настоящей заявки), под действием быстрых нейтронов протекают интенсивные процессы анизотропной усадки. Это, как правило, выражается в образовании тангенциальных и радиальных трещин в слое и его отслоение от второго - Тi3SiС2 слоя. Радиальные трещины могут распространяться на всю толщину второго слоя, открывая прямые каналы для транспортировки ТПД к карбидным силовым слоям. Экспериментально установлено, что введение в пироуглеродный слой кремния в виде карбидокремниевой фазы позволяет существенным образом снизить величину и характер радиационной усадки покрытий. Качество карбидокремниевой фазы, вводимой в первый слой, должно позволять регулировать плотность и структуру пироуглерод-карбидокремниевой композиции, обеспечивать требуемый «свободный» объем для ГПД и компенсировать несоответствие в коэффициентах линейного термического расширения между материалом ТМ и высокоплотными слоями.In the process of MT irradiation, in which low density pyrocarbon (analogues and prototype of the present application) is used as the first layer, intense anisotropic shrinkage processes occur under the influence of fast neutrons. This, as a rule, is expressed in the formation of tangential and radial cracks in the layer and its detachment from the second — Ti 3 SiC 2 layer. Radial cracks can spread over the entire thickness of the second layer, opening direct channels for transporting TPD to carbide force layers. It was experimentally established that the introduction of silicon in the form of a silicon carbide phase into a pyrocarbon layer can significantly reduce the size and nature of radiation shrinkage of coatings. The quality of the silicon carbide phase introduced into the first layer should allow controlling the density and structure of the pyrocarbon – silicon – silicon composition, providing the required “free” volume for GPA and compensating for the mismatch in the coefficients of linear thermal expansion between the TM material and high-density layers.

Для этого процесс осаждения первого слоя осуществляют таким образом, чтобы 95-97% толщины покрытия содержало 1,0-20,0 мас.% кремниевой фазы. Это достигается подбором соотношения реагентов (С2Н2, SiH4) в газовой смеси, подаваемой в аппарат кипящего слоя, и температурой пиролиза. Осаждение оставшейся части слоя (3-5% от требуемой толщины) осуществляется таким образом, чтобы обеспечить содержание кремниевой фазы в композиции на уровне 35-45 мас.% в приповерхностной зоне.For this, the process of deposition of the first layer is carried out so that 95-97% of the coating thickness contains 1.0-20.0 wt.% Of the silicon phase. This is achieved by selecting the ratio of reagents (C 2 H 2 , SiH 4 ) in the gas mixture supplied to the fluidized bed apparatus and the pyrolysis temperature. The deposition of the remaining part of the layer (3-5% of the required thickness) is carried out in such a way as to ensure the content of the silicon phase in the composition at the level of 35-45 wt.% In the near-surface zone.

Пример осуществления предлагаемого технического решения. Четырехслойное защитное покрытие на ТМ диаметром 500 мкм последовательно осаждают в кипящем слое:An example of the implementation of the proposed technical solution. A four-layer protective coating on TM with a diameter of 500 μm is sequentially deposited in a fluidized bed:

- первый слой из композиции углерод - карбид кремния осаждают за счет смеси C2H2-SiH4-Ar при температуре пиролиза 1200-1400°С, причем соотношение C2H2/SiH4 выбирают равным 0,5-0,9 для интервала температуры 1200-1300°С и 0,3-0,6 для интервала температуры 1300-1400°С, суммарный расход газовой смеси 1500 л/ч;- the first layer of the carbon-silicon carbide composition is precipitated by a mixture of C 2 H 2 -SiH 4 -Ar at a pyrolysis temperature of 1200-1400 ° C, and the ratio of C 2 H 2 / SiH 4 is chosen equal to 0.5-0.9 for the temperature range of 1200-1300 ° C and 0.3-0.6 for the temperature range of 1300-1400 ° C, the total consumption of the gas mixture of 1500 l / h;

- второй слой из титано-кремнистого карбида осаждают при температуре 1350°С, концентрации TiCl4 - 3,0 об.% (носитель SiCl4 аргон), концентрации SiCl4 - 1,0 об.%, концентрации СH4 - 2,0 об.%, расход аргона - 600 л/ч, водорода - 900 л/ч;- the second layer of titanium-silicon carbide is precipitated at a temperature of 1350 ° C, TiCl 4 concentration is 3.0 vol.% (carrier SiCl 4 argon), SiCl 4 concentration is 1.0 vol.%, CH 4 concentration is 2.0 vol.%, argon consumption - 600 l / h, hydrogen - 900 l / h;

- третий слой SiC осаждают при температуре 1550°С, концентрации СН3SiСl3 - 1,0 об.%, расхода водорода - 1500 л/ч; третий слой ZrC осаждают при температуре 1450°С, концентрации ZrCl4 - 0,5 об.%, концентрации CH4 - 0,3 об.%, расходе водорода 1600 л/ч;- the third layer of SiC is precipitated at a temperature of 1550 ° C, the concentration of CH 3 SiCl 3 - 1.0 vol.%, the flow rate of hydrogen - 1500 l / h; the third ZrC layer is precipitated at a temperature of 1450 ° C, ZrCl 4 concentration is 0.5 vol.%, CH 4 concentration is 0.3 vol.%, hydrogen consumption is 1600 l / h;

- четвертый слой из титано-кремнистого карбида осаждают по режиму предыдущего (второго) слоя МТ.- the fourth layer of titanium-silicon carbide is deposited according to the regime of the previous (second) MT layer.

В таблице приведено сопоставление эксплуатационных характеристик известной конструкции микротвэла с микротвэлом по предложенному техническому решению.The table shows a comparison of the operational characteristics of the known design of the microfuel with microfuel according to the proposed technical solution.

Таблица
Сопоставление ресурса эксплуатации известного микротвэла с предложенным микротвэлом.
Table
Comparison of the operating life of the well-known microfuel with the proposed microfuel.
ПараметрParameter Микротвэл известныйMikrotvel famous Микротвэл предлагаемыйMikrotvel offered Ограничение по величине флюенса быстрых нейтронов, н/см2 The limitation on the magnitude of the fluence of fast neutrons, n / cm 2 (2,0-4,0)·1021 (2.0-4.0) 10 21 ~1,0·1023 ~ 1.0 · 10 23 Максимально допустимая температура эксплуатации топлива до начала разгерметизации покрытий, °СMaximum permissible temperature of fuel operation before depressurization of coatings, ° C 900-11001)
12502)
900-1100 1)
1250 2)
1350-14003) 1350-1400 3)
Глубина выгорания топлива на момент разгерметизации покрытий, % т.атDepth of fuel burnout at the time of depressurization of coatings,% t 10-1510-15 более 20more than 20 Примечание:
1) максимальная температура при достижении глубины выгорания топлива 15% т.ат;
2) максимальная температура при глубине выгорания топлива менее 10% т.ат;
3) максимальная температура 1350-1400°С может поддерживаться вплоть до глубины выгорания топлива более 20% т.ат
Note:
1) the maximum temperature when reaching the fuel burnup depth of 15% t;
2) the maximum temperature with a burnup depth of less than 10% tons;
3) the maximum temperature of 1350-1400 ° C can be maintained up to a fuel burnup depth of more than 20%

Как следует из приведенных в таблице данных, предложенный микротвэл ядерного реактора на быстрых нейтронах обеспечивает повышенный ресурс эксплуатации за счет более высокой радиационно-химической стабильности Ti3SiC2 покрытий. Следует отметить еще одно важное преимущество предложенного микротвэла - это возможность высокого энерговыделения (о чем свидетельствует высокий уровень температур эксплуатации) в широком диапазоне глубины выгорания топлива (более 20% т.ат).As follows from the data in the table, the proposed microfuel of a fast fast neutron nuclear reactor provides an increased service life due to the higher radiation-chemical stability of Ti 3 SiC 2 coatings. It should be noted one more important advantage of the proposed microfuel - this is the possibility of high energy release (as evidenced by the high level of operating temperatures) in a wide range of fuel burnup depths (more than 20% tons).

Claims (1)

Микротвэл ядерного реактора на быстрых нейтронах, состоящий из топливной микросферы на основе РuО2 и четырехслойного защитного покрытия, в котором третий от топливной микросферы слой выполнен из карбида кремния или карбида циркония, отличающийся тем, что второй и четвертый слои выполнены из титанокремнистого карбида состава Ti3SiC2, а первый слой, нанесенный на микросферу, выполнен из композиции углерод - карбид кремния с содержанием кремниевой фазы в пределах 1,0-20,0 мас.%, причем содержание кремниевой фазы в приповерхностной зоне внешней границы этого слоя составляет 35-45 мас.% при глубине зоны 0,03-0,05 от толщины слоя. A microfuel of a fast neutron reactor consisting of a fuel microsphere based on PuO 2 and a four-layer protective coating, in which the third layer from the fuel microsphere is made of silicon carbide or zirconium carbide, characterized in that the second and fourth layers are made of titanium-silicon carbide of the composition Ti 3 SiC 2 , and the first layer deposited on the microsphere is made of a carbon-silicon carbide composition with a silicon phase content in the range of 1.0-20.0 wt.%, And the silicon phase content in the surface area of the outer g the boundary of this layer is 35-45 wt.% with a zone depth of 0.03-0.05 of the layer thickness.
RU2007103998/06A 2007-02-02 2007-02-02 Coated fuel particle for fast neutron reactor RU2382423C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007103998/06A RU2382423C2 (en) 2007-02-02 2007-02-02 Coated fuel particle for fast neutron reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007103998/06A RU2382423C2 (en) 2007-02-02 2007-02-02 Coated fuel particle for fast neutron reactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007103998A RU2007103998A (en) 2008-08-10
RU2382423C2 true RU2382423C2 (en) 2010-02-20

Family

ID=39746009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007103998/06A RU2382423C2 (en) 2007-02-02 2007-02-02 Coated fuel particle for fast neutron reactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2382423C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2578680C1 (en) * 2015-02-12 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Nuclear reactor pebble

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЧЕРНИКОВ А.С. и др. Ядерное топливо для ВТГР на основе микросфер из оксида плутония. Атомная энергия, т.88, вып.1, январь 2000, с.35-38. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2578680C1 (en) * 2015-02-12 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Nuclear reactor pebble

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007103998A (en) 2008-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3361638A (en) Pyrolytic graphite and nuclear fuel particles coated therewith
US20060039524A1 (en) Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants
Fitzgerald et al. Review of SiCf/SiCm corrosion, erosion and erosion-corrosion in high temperature helium relevant to GFR conditions
Lee et al. Protection of graphite from salt and gas permeation in molten salt reactors
EP1756838B1 (en) Nuclear fuel
Ford et al. Recent developments of coatings for GCFR and HTGCR fuel particles and their performance
US3649452A (en) Nuclear reactor fuel coated particles
RU2382423C2 (en) Coated fuel particle for fast neutron reactor
RU2328783C1 (en) Coated fuel particle of nuclear reactor
Alkan et al. Silicon carbide encapsulated fuel pellets for light water reactors
RU2333553C1 (en) Particle fuel element of nuclear reactor
RU2369925C1 (en) Coated fuel particle for nuclear reactor
RU2333552C1 (en) Particle fuel element with three-layer protective coating of fuel microsphere
RU2328781C1 (en) Coated fuel particle of nuclear reactor
TW202141528A (en) Nuclear fuel cladding, assemblies thereof, methods of manufacture thereof, fast reactor and method for the fast reactor
RU2387030C1 (en) Minute particle of light-water nuclear reactor
RU2393558C2 (en) Micro-fuel elements of nuclear reactor with double-layer protective cladding of fuel micro-sphere
Trush et al. Influence of interstitial elements (oxygen, nitrogen) on properties of zirconium alloys
JP2732469B2 (en) Coated fuel particles
RU2333555C1 (en) Particle fuel element of nuclear reactor
RU2294569C1 (en) Micro heat-exhausting element for nuclear reactor
RU2326457C1 (en) Mini fuel element of nuclear reactor
RU2325711C1 (en) Mini fuel element of nuclear reactor
RU2368965C1 (en) Method for manufacturing of nuclear reactor minute fuel elements
RU2300818C1 (en) Method for producing nuclear reactor fuel microelements

Legal Events

Date Code Title Description
FA94 Acknowledgement of application withdrawn (non-payment of fees)

Effective date: 20090106

FZ9A Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal)

Effective date: 20090911

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090203