RU2387030C1 - Микротвэл легководного ядерного реактора - Google Patents
Микротвэл легководного ядерного реактора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2387030C1 RU2387030C1 RU2008132176/06A RU2008132176A RU2387030C1 RU 2387030 C1 RU2387030 C1 RU 2387030C1 RU 2008132176/06 A RU2008132176/06 A RU 2008132176/06A RU 2008132176 A RU2008132176 A RU 2008132176A RU 2387030 C1 RU2387030 C1 RU 2387030C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- composition
- silicon carbide
- fuel
- microfuel
- 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
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к микросферическому ядерному топливу с защитным покрытием. Микротвэл легководного ядерного реактора включает топливную микросферу и трехслойное защитное покрытие. Первый от топливной микросферы слой выполнен из матричной композиции углерод-карбид кремния, в которую введены армирующие композицию нанотрубки карбида кремния. Второй слой выполнен в виде композиции карбид кремния - нанотрубки карбида кремния. Третий, наружный, слой выполнен в виде композиции карбид кремния - углерод-нитрид титана. Использование изобретения обеспечивает повышение радиационно-химической стойкости всего покрытия, т.е. увеличивает ресурс эксплуатации микротвэла.
Description
Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к микросферическому ядерному топливу с защитными покрытиями.
Микротвэл - это топливная микросфера из делящегося под нейтронным облучением материала (диоксид урана, плутония, тория и др.) со слоями защитных покрытий, например, из пироуглерода (РуС) различной плотности и структурного состояния, карбидов кремния и циркония, нитрида титана и др. (Беденинг Д. Газоохлаждаемые высокотемпературные реакторы. Пер. с нем. М.: Атомиздат, 1975, 224 с.).
В составе микротвэла защитные покрытия выполняют следующие функции:
- удержания газообразных и твердых продуктов деления в пределах частицы;
- компенсации несоответствия в коэффициентах линейного термического расширения материала топливной микросферы и последующих слоев защитного покрытия;
- защиты топливного материала от коррозионного воздействия на него теплоносителя;
- защиты силового или силовых слоев микротвэла от химического воздействия металлических конструкций активной зоны ядерного реактора в условиях его номинальной эксплуатации, а также в условиях постулируемых перегревов топлива, включая аварийные ситуации (см., например, Макаров В.М., Махова В.А., Мирошкин Л.В. и др. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы за рубежом. Вып.2. Топливо и твэлы для высокотемпературных реакторов. (Аналитический обзор). АИНФ 441. М.: ЦНИИАтоминформ, 1977, 164 с.).
Микротвэлы, разработанные для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, используются в условиях пароводяных реакторов (см., например, Katscher W. Cooted particle fuel element for pressurized water reactor. - Nucl. Technol., 1977, Vol.35, p.557-563; Пономарев-Степной Н.Н., Кухаркин Н.Е., Хрулев А.А. и др. Перспективы применения микротвэлов в ВВЭР. - Атомная энергия, 1999, т.86, вып.6, с.443-449; Исаев А.Н. Реактор с водным теплоносителем малой мощности с топливом на базе шариковых микротвэлов. - Атомная техника за рубежом, 2007, №8, с.14-20; Geelchud K., Painter C., Senor D., Adkins H. Feasibility Assessment of using TRISO Fuel Particles in AFPR. - PNNL-1625. September 2006. Prepared for the U.S. Departament of energy under contract DE-AC 05-76 RL 01830).
Типы легководных реакторных установок, где используются микротвэлы:
- с водой под давлением (PWR);
- кипящие (BWR);
- с перегревом пара;
- со сверхкритичным давлением.
Технические условия для микротвэлов пароводяных реакторов включают:
- Выгорание | ≤0% тяжелых атомов |
- Флюенс быстрых нейтронов | 2,0·1022 н/см2 |
- Время кампании | 5 лет |
- Максимальная аварийная температура | ≤600°С |
- Теплоноситель: | |
вода, | |
насыщенный и перегретый пар с давлением | ~7-25 МПа |
Засыпка микротвэлов располагается в металлической перфорированной тепловыделяющей сборке.
Увеличение энергонапряженности активной зоны по сравнению с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами накладывает ограничение на отношение объема покрытий к объему топливной микросферы (или, соответственно, на отношение толщины покрытий к диаметру керна).
Таким образом, работоспособность микротвэлов в пароводяных реакторах определяется:
- коррозионной стойкостью наружного слоя покрытия в пароводяном теплоносителе и паровоздушной смеси при аварии с разгерметизацией контура реактора, а также при физико-химическом взаимодействии с металлическими конструкциями активной зоны;
- абразивным износом наружных покрытий микротвэлов и металлических конструкций тепловыделяющей сборки в условиях свободной засыпки и потока теплоносителя (так называемый фреттинг-износ);
- относительно большим флюенсом быстрых нейтронов при низкой температуре эксплуатации и, соответственно, высокой радиационной стойкостью материалов покрытий: содержание пироуглерода в составе многослойного покрытия микротвэла либо исключается полностью, либо минимизировано до уровня, не приводящего к масштабным разрушениям покрытия.
Известен микротвэл легководного ядерного реактора, содержащий топливную микросферу и трехслойное покрытие, первый слой которого выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой выполнен из композиции углерод-карбид кремния (Каае J.L., Sterling S.A., Yang L. Improvements in the performance of nuclear fuel particles offered by silicon-alloyed carbon coatings. - Nucl. Technol., 1975, Vol.35, p.536-547).
Недостатком указанного микровэла является ограниченный ресурс эксплуатации (глубины выгорания топлива) из-за высокой повреждаемости высокоплотного пироуглерода и SiC-C композиции в результате интенсивного распухания при низких (300-500°С) температурах облучения. Распухание пироуглеродных слоев в таких условиях может достигать 10%, а композиции SiC-С до ~15%, что приводит к развитию внутренних напряжений в слоях уже на ранних стадиях облучения (флюенс быстрых нейтронов ~1,0·1022 н/см2). Вероятность разрушения таких напряженных слоев существенно повышается при воздействии на микротвэлы растягивающих или динамических сжимающих (ударных) нагрузок, постоянно реализующихся при прохождении водного теплоносителя через засыпку частиц.
Наружный слой из SiC-C композиции не является коррозионно-стойким по отношению к большинству металлов, в том числе к аустенитным сталям, при температурах перегрева 1000°С и более. Учитывая длительность облучения микротвэлов (до 5 лет), даже слабые взаимодействия наружного покрытия микротвэла с конструкционными сталями, при прочих благоприятных условиях, будут также ограничивать ресурс эксплуатации топлива.
Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемого технического решения является микротвэл легководного ядерного реактора, включающий топливную микросферу и трехслойное покрытие, первый слой которого выполнен из низкоплотного пироуглерода толщиной 45 мкм, второй слой выполнен из высокоплотного пироуглерода толщиной 5 мкм, третий, наружный, слой выполнен из карбида кремния толщиной от 50 до 100 мкм (M.D.Donne and G.Sumacher. Considerations on PyC and SiC coated oxide particles for gas cooled fast reactor application. - J. of Nucl. Mater., 1971, 40, p.27-40).
Недостатком этого микротвэла является ограниченный ресурс эксплуатации (глубины выгорания топлива) из-за повреждаемости внутренних слоев по механизму образования радиальных сквозных до карбидного слоя трещин. Последние являются благоприятным каналом для транспорта ГПД, ТПД и СО к карбидокремниевому слою, вызывающих в нем образование локальных участков коррозии, например, за счет образования слоистых соединений внедрения с цезием, легкоплавких эвтектик с серебром и палладием, а также образование оксидной фазы по реакции SiC+2CO→SiO2+3C.
Локальные участки коррозии являются концентраторами напряжений в слое SiC, что повышает вероятность разрушения покрытия по мере роста внутреннего давления в микротвэле и становятся особенно опасными в условиях термоциклирования за счет форсирования энерговыделения из частицы при изменениях нейтронного потока в активной зоне. Наружный слой SiC не является коррозионно-стойким по отношению к большинству металлов в условиях контакта с ними в окислительной (водно-воздушной) смеси при температурах 1000°С и более, что также будет ограничивать ресурс эксплуатации микротвэла.
Перед авторами предложенного технического решения стояла задача повышения ресурса эксплуатации (глубины выгорания топлива) микротвэлов за счет повышения радиационной, термической и коррозионной стойкости каждого из трех слоев покрытия.
Поставленная задача решается тем, что первый от топливной микросферы слой выполнен из матричной композиции углерод-карбид кремния, армированной нанотрубками карбида кремния, второй слой выполнен в виде композиции карбид кремния - нанотрубки карбида кремния, наружный слой выполнен в виде композиции карбид кремния - углерод-нитрид титана.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. В процессе облучения во всех слоях покрытия с различной скоростью протекают радиационно-размерные изменения. В первом слое они протекают наиболее интенсивно, что обусловлено дополнительным воздействием на него ядер отдачи. Введение в матричную композицию углерод-карбид кремния армирующего каркаса из нанотрубок карбида кремния способствует не только уменьшению скорости усадки материала, но и препятствует образованию опасных для целостности всего трехслойного покрытия радиальных трещин. Разрушение карбидного материала второго слоя протекает в основном за счет диффузии ТПД по границам зерен, таким же путем реализуется и окисление слоя. Введение в SiC слой нанотрубок карбида кремния существенным образом повышает его радиационно-химическую стойкость. Наружный (третий слой микротвэла), выполненный из композиции карбид кремния - углерод-нитрид титана, является термостойким и жаропрочным материалом, обладающим повышенной коррозионной стойкостью по отношению к большинству металлов, способным к кратковременной выдержке при температурах их плавления.
Армирующее влияние нанотрубок карбида кремния в составе первых двух слоев и материальный состав композиции третьего (наружного) слоя обеспечивают повышение радиационно-химической стойкости всего покрытия, т.е. увеличивают ресурс эксплуатации микротвэла.
В качестве примера реализации предлагаемого технического решения приведем следующие данные.
Осаждение трехслойного покрытия осуществляли на навесках топливных микросфер из диоксида урана диаметром 500 мкм и массой 70 г в аппарате кипящего слоя.
На первом этапе из водного раствора ацетата никеля за счет многократного импрегирования, сушки и прокалки осаждали никелевый катализатор.
Наращивание нанотрубок карбида кремния осуществляли в условиях псевдоожиженного слоя за счет пиролиза SiR4 и NH4 при температуре 950-1000°С. Затем за счет пиролиза триметилсилана (СН3)SiH совместно с C2H2 при температуре 1350°С осуществляли осаждение матрицы из SiC-C композиции. При температуре ~1000°С из SiH4 и NH4 на поверхности частиц, с предварительно нанесенным Ni-катализатором, формировали нанотрубки карбида кремния и при температуре 1500°С из CH3SiCl3-H2-Ar осуществляли наращивание матрицы из карбида кремния. После уменьшения температуры до 800°С в кипящем слое за счет реакции SiC+2Cl2→SiCl4+C осуществляют травление карбида кремния. Сформированную подложку из покрытия SiC-углерод уплотняли нитридом титана при температуре около 1000°С по реакции 2TiCl4+N2+4H2→2TiN+8HCl.
Таким образом, повышение радиационно-химической стойкости первого и второго слоев покрытия заявляемого микротвэла по сравнению с прототипом, а также повышение коррозионной стойкости наружного (третьего) слоя позволяют повысить ресурс эксплуатации заявляемого микротвэла на 3-5% т.ат. Важным также является и то обстоятельство, что кратковременное расплавление металлических конструкций активной зоны не повлечет за собой разгерметизации защитных покрытий микротвэлов из-за высокой стойкости наружной композиции SiC-C-TiN.
Claims (1)
- Микротвэл легководного ядерного реактора, включающий топливную микросферу и трехслойное защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на топливную микросферу слоев, отличающийся тем, что первый от топливной микросферы слой выполнен из матричной композиции углерод-карбид кремния, армированной нанотрубками карбида кремния, второй слой выполнен в виде композиции карбид кремния - нанотрубки карбида кремния, наружный слой выполнен в виде композиции карбид кремния - углерод-нитрид титана.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008132176/06A RU2387030C1 (ru) | 2008-08-04 | 2008-08-04 | Микротвэл легководного ядерного реактора |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008132176/06A RU2387030C1 (ru) | 2008-08-04 | 2008-08-04 | Микротвэл легководного ядерного реактора |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008132176A RU2008132176A (ru) | 2010-02-10 |
RU2387030C1 true RU2387030C1 (ru) | 2010-04-20 |
Family
ID=42123496
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008132176/06A RU2387030C1 (ru) | 2008-08-04 | 2008-08-04 | Микротвэл легководного ядерного реактора |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2387030C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2603018C1 (ru) * | 2015-06-30 | 2016-11-20 | Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Микротвэл ядерного реактора |
-
2008
- 2008-08-04 RU RU2008132176/06A patent/RU2387030C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
M.D.Donne and G.Sumacher. Considerations on PyC and SiC coated oxide particles for gas cooled fast reactor application. - J of Nucl. Mater., 1971, 40, p.27-40. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2603018C1 (ru) * | 2015-06-30 | 2016-11-20 | Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Микротвэл ядерного реактора |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008132176A (ru) | 2010-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100877757B1 (ko) | 원자력과 화력 발전소내의 연료 격납 방호벽 및 다른 적용에 대한 다층 세라믹 관과 그에 대한 방법 | |
KR101793896B1 (ko) | 완전한 세라믹 핵연료 및 관련된 방법 | |
KR102573613B1 (ko) | 지르코늄 합금 클래딩 상의 내부식성 및 내마모성 피막 | |
CN105706176A (zh) | 一种具有火花等离子体烧结的端塞的SiC基体燃料包壳管 | |
KR20180043789A (ko) | 완전 세라믹 마이크로캡슐화된 핵연료의 제조 방법 | |
CN101019193A (zh) | 在核和化石发电厂中用于燃料安全壳屏蔽和其它应用的多层陶瓷管 | |
WO2012174548A1 (en) | Nuclear reactor fuel element having silicon carbide multilayered cladding and thoria-based fissionable fuel | |
US10573416B2 (en) | Nuclear fuel particle having a pressure vessel comprising layers of pyrolytic graphite and silicon carbide | |
Petti et al. | Fuels for advanced nuclear energy systems | |
JP2022153525A (ja) | 軽水炉および鉛高速炉向け高温セラミック原子燃料システム | |
Alkan et al. | Silicon carbide encapsulated fuel pellets for light water reactors | |
RU2387030C1 (ru) | Микротвэл легководного ядерного реактора | |
KR20120139708A (ko) | 연료 컴포넌트 및 연료 컴포넌트의 제조 방법 | |
RU2328783C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
JP6699882B2 (ja) | 核燃料コンパクト、核燃料コンパクトの製造方法、及び核燃料棒 | |
RU2333553C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
Feinroth | Silicon Carbide TRIPLEXTM Fuel Clad and SiC Channel Boxes for Accident Resistance and Durability | |
RU2603018C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2333552C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора с трехслойным защитным покрытием топливной микросферы | |
RU2393558C2 (ru) | Микротвэл ядерного реактора с двухслойным защитным покрытием топливной микросферы | |
RU2382423C2 (ru) | Микротвэл ядерного реактора на быстрых нейтронах | |
RU2370835C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2333555C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
RU2333551C1 (ru) | Микротвэл для сверхвысокотемпературного ядерного реактора | |
RU2347290C1 (ru) | Микротвэл ядерной энергетической установки космического базирования |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200805 |