RU2467411C1 - Nanostructured nuclear fuel pellet (versions) and nuclear reactor fuel element (versions) - Google Patents
Nanostructured nuclear fuel pellet (versions) and nuclear reactor fuel element (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2467411C1 RU2467411C1 RU2011150841/07A RU2011150841A RU2467411C1 RU 2467411 C1 RU2467411 C1 RU 2467411C1 RU 2011150841/07 A RU2011150841/07 A RU 2011150841/07A RU 2011150841 A RU2011150841 A RU 2011150841A RU 2467411 C1 RU2467411 C1 RU 2467411C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- nuclear
- compound
- nuclear fuel
- particles
- 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
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к ядерной энергетике, а именно к таблетированному ядерному топливу и к стержневым тепловыделяющим элементам, и может быть использована в ядерных реакторах различного типа.The group of inventions relates to nuclear energy, namely to pelletized nuclear fuel and to rod fuel elements, and can be used in various types of nuclear reactors.
Тепловыделяющий элемент (твэл) стержневого типа содержит оболочку с концевыми заглушками, в которой размещен топливный сердечник. Оболочка защищает топливный сердечник от контакта с теплоносителем, от его эрозионного и коррозионного действия и ограничивает возможность загрязнения теплоносителя продуктами деления. Одной из проблем эксплуатации стержневого твэла с таблетированным топливом является растрескивание с последующей фрагментацией топливных таблеток и расклинивание фрагментами таблеток оболочки твэла, небезопасное для ее целостности. К числу причин, вызывающих растрескивание таблеток, наряду с разбуханием топлива относятся значительные температурные градиенты, вызывающие в условиях низкой теплопроводности керамического топлива высокие (для смешанного топлива - специфически высокие) термоупругие напряжения. По мере выгорания топлива на периферии таблетки образуется так называемый rim-слой, отличающийся наличием многочисленных газовых пузырьков, исчезновением исходной зеренной структуры и образованием новых субзерен значительно меньшего размера. Образование и развитие такого слоя приводит к созданию барьера на пути тепла из топлива, к снижению радиальной теплопроводности и, как следствие, к неоднородности выгорания топлива и к еще большим напряжениям в его материале. Недостаточное соответствие запаса прочности и термостойкости таблеток уровню возможных термонапряжений ведет к риску разрушения оболочки и ограничивает эксплуатационный потенциал твэла [1].The rod type fuel element (fuel element) contains a shell with end caps, in which the fuel core is placed. The shell protects the fuel core from contact with the coolant, from its erosive and corrosive effects and limits the possibility of contamination of the coolant with fission products. One of the problems in the operation of a rod fuel rod with tablet fuel is cracking with subsequent fragmentation of the fuel pellets and wedging of the fuel rod shell fragments with tablets, which is unsafe for its integrity. Among the causes of cracking of the tablets, along with fuel swelling, are significant temperature gradients, which cause high (for mixed fuels - specifically high) thermoelastic stresses under conditions of low thermal conductivity of ceramic fuels. As the fuel burns out, a so-called rim layer forms on the periphery of the tablet, characterized by the presence of numerous gas bubbles, the disappearance of the original grain structure and the formation of new subgrains of much smaller size. The formation and development of such a layer leads to the creation of a barrier to the heat from the fuel, to a decrease in the radial thermal conductivity, and, as a consequence, to the heterogeneity of fuel burnout and to even greater stresses in its material. Insufficient compliance of the margin of safety and heat resistance of tablets with the level of possible thermal stresses leads to the risk of destruction of the cladding and limits the operational potential of the fuel element [1].
Возможным решением этой проблемы является повышение прочности и термоустойчивости топлива, заключенного в оболочку твэла, путем введения добавок, изменяющих теплофизические свойства топливного материала и превращающих его в дисперсно-упрочненную керамику, замедляющих процесс образования в материале rim-слоя и повышающих допустимый уровень выгорания топлива.A possible solution to this problem is to increase the strength and thermal stability of the fuel enclosed in the cladding of a fuel rod by introducing additives that change the thermophysical properties of the fuel material and turn it into dispersion hardened ceramics, slow down the formation of the rim layer in the material and increase the allowable level of fuel burnup.
Известна таблетка ядерного топлива, содержащая диоксид урана и инертную к облучению добавку в виде MgAl2O4 или окиси магния. Диаметр распределенных в матрице частиц ядерного топлива составляет 70-230 мкм. Содержание диоксида урана составляет 20-40 об.% от материала таблетки. Коэффициент теплового расширения материала добавки меньше коэффициента теплового расширения частиц ядерного топлива. Таблетка обладает повышенным сопротивлением к растрескиванию (Патент RU 2175791 С2, 10.11.2001, МПК G21C 3/64). Недостатком таблетки является ее хрупкость.A known tablet of nuclear fuel containing uranium dioxide and an inert to radiation additive in the form of MgAl 2 O 4 or magnesium oxide. The diameter of the nuclear fuel particles distributed in the matrix is 70-230 microns. The content of uranium dioxide is 20-40 vol.% Of the tablet material. The thermal expansion coefficient of the additive material is less than the thermal expansion coefficient of nuclear fuel particles. The tablet has an increased resistance to cracking (Patent RU 2175791 C2, 10.11.2001, IPC G21C 3/64). The disadvantage of the pill is its fragility.
Известна таблетка, изготовленная из (U,Pu)O2 с добавкой, выбранной из оксидов Cr, Al, Ti, Mg и Nb. Таблетка изготовлена по технологии смешения, при которой сначала создают начальную смесь порошков с «избыточной концентрацией» плутония по отношению к точно заданному содержанию плутония, которую повторно смешивают с добавкой диоксида урана для получения целевой порошковой смеси; именно эту целевую смесь таблетируют и спекают. Таблетка обладает повышенной равномерностью распределения фазы (U,Pu)O2 в матрице UO2 (RU 2352004 С2, 20.11.2007, МПК G21C 3/62). К недостаткам известной таблетки можно отнести ее недостаточную прочность и термоустойчивость: равномерность распределения (U,Рu)O2-фазы оптимизирует температурные поля, но только частично снижает термоупругие напряжения в таблетке.A known tablet made from (U, Pu) O 2 with an additive selected from oxides of Cr, Al, Ti, Mg and Nb. The tablet is made by mixing technology, in which first an initial mixture of powders with an "excessive concentration" of plutonium is created with respect to the precisely specified content of plutonium, which is mixed again with the addition of uranium dioxide to obtain the target powder mixture; it is this target mixture that is tabletted and sintered. The tablet has an increased uniformity of the distribution of the (U, Pu) O 2 phase in the UO 2 matrix (RU 2352004 C2, 11.20.2007, IPC G21C 3/62). The disadvantages of the known tablets include its lack of strength and thermal stability: the uniform distribution of (U, Pu) O 2 phases optimizes temperature fields, but only partially reduces the thermoelastic stresses in the tablet.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемой таблетке является ядерное топливо, выполненное из диоксида урана с добавкой наноалмаза. Введение наноалмаза снизило твердость керамической композиции. Размер зерна с 20 мкм снизился до ≤5 мкм, прочность, оцененная методом нагружения тонкой пластины, увеличилась в 2 раза и более. При этом характер хрупкого разрушения обычного диоксида и наноструктурированного оксида принципиально различался - трещины в обычном диоксиде повторяли межзеренные границы и скалывались, а в наноструктурированном оксиде трещины были металлоподобны (Дьяков Е.К. и др. Наноструктуированные соединения урана - топливо для перспективных компактных ядерных реакторов. М., Цветные металлы, 2007, №11, с.62-66). К недостаткам известного решения следует отнести непроработанность вопросов распределения фаз в топливе и специфики структурирования наноалмазом смешанного топлива.The closest in technical essence and the achieved result to the described tablet is nuclear fuel made of uranium dioxide with the addition of nanodiamonds. The introduction of nanodiamonds decreased the hardness of the ceramic composition. The grain size from 20 μm decreased to ≤5 μm, the strength estimated by the method of loading a thin plate increased by 2 times or more. Moreover, the nature of brittle fracture of ordinary dioxide and nanostructured oxide was fundamentally different - cracks in ordinary dioxide repeated grain boundaries and cleaved, and in nanostructured oxide, the cracks were metal-like (Dyakov E.K. et al. Nanostructured uranium compounds are fuel for promising compact nuclear reactors. M., Non-ferrous metals, 2007, No. 11, pp. 62-66). The disadvantages of the known solutions include the undeveloped issues of the distribution of phases in the fuel and the specifics of the structuring of mixed fuel with a nanodiamond.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому твэлу является твэл ядерного реактора, представляющий собой трубку из оболочечного материала с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутреннюю полость которой помещены компактные изделия из спеченного диоксида урана в виде таблеток. Спеченные изделия из диоксида урана загружают в оболочечную трубку с зазором, размер которого зависит от материала оболочки (Емельянов И.Я. и др. Конструирование ядерных реакторов. М., Энергоиздат, 1982, с.183). К недостаткам известного твэла можно отнести недостаточную прочность и термоустойчивость материала его топливного сердечника.The closest in technical essence and the achieved result to the described fuel rod is a nuclear fuel rod, which is a tube of shell material with hermetically welded end caps, in the inner cavity of which are compacted articles of sintered uranium dioxide in the form of tablets. Sintered uranium dioxide products are loaded into the shell tube with a gap, the size of which depends on the shell material (Emelyanov I.Ya. et al. Design of nuclear reactors. M., Energoizdat, 1982, p.183). The disadvantages of the known fuel rod include insufficient strength and heat resistance of the material of its fuel core.
Заявленные технические решения направлены на снижение вероятности фрагментации таблеток ядерного топлива и разрушения оболочки твэла, на повышение допустимого уровня выгорания топлива и обеспечивает достижение технических результатов, состоящих в замедлении процесса образования rim-слоя на периферии таблетки, в повышения ее прочности и термостойкости, в снижении риска расклинивания оболочки твэла фрагментами таблеток.The claimed technical solutions are aimed at reducing the likelihood of fragmentation of nuclear fuel tablets and destruction of the cladding of a fuel rod, increasing the allowable level of fuel burnout and ensuring the achievement of technical results consisting in slowing down the formation of the rim layer on the periphery of the tablet, increasing its strength and heat resistance, and reducing risk wedging the cladding of a fuel rod with fragments of tablets.
Технический результат для таблетки достигается тем, что таблетка содержит спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по эффективному размеру и плотности частиц соединения U и наноалмаза или спрессованный и спеченный порошок смеси частиц соединения (U,Pu) и наноалмаза. Технический результат для тепловыделяющего элемента достигается тем, что он содержит трубку из оболочечного материала с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутренней полости которой с зазором размещен топливный сердечник, собранный из сооеных таблеток ядерного топлива, при этом все или часть таблеток содержат спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по эффективному размеру и плотности частиц соединения U или частиц соединения (U,Pu) с наноалмазом.The technical result for a tablet is achieved in that the tablet contains a compressed and sintered powder of a mixture of particles of compound U and nanodiamond uniform in effective size and density, or a compressed and sintered powder of a mixture of particles of compound (U, Pu) and nanodiamond. The technical result for the fuel element is achieved by the fact that it contains a tube of shell material with hermetically welded end caps, in the inner cavity of which a fuel core is assembled with a gap, assembled from soiled nuclear fuel pellets, while all or part of the pellets contain a compressed and sintered mixture powder particles of compound U or particles of a compound (U, Pu) with a nanodiamond homogeneous in effective size and density.
Под таблеткой ядерного топлива (топливной таблеткой) в рамках настоящего технического решения понимается керамическое изделие цилиндрической формы, содержащее соединение делящегося вещества (в первую очередь UO2, UN, (U,Рu)О2 и (U,Pu)N; допустимы, но менее перспективны в использовании UC и (U,Pu)C). Наиболее технологичными являются таблетки высотой около 1-2 диаметров, но возможны и иные соотношения размеров, в частности значительно более высокие таблетки.In the framework of this technical solution, a nuclear fuel tablet (fuel tablet) is understood to mean a cylindrical ceramic product containing a compound of fissile material (primarily UO 2 , UN, (U, Pu) O 2 and (U, Pu) N; admissible, but less promising in the use of UC and (U, Pu) C). The most technologically advanced are tablets with a height of about 1-2 diameters, but other size ratios are possible, in particular significantly higher tablets.
Наноалмаз - углеродный нанокристаллический материал с кристаллической структурой алмаза (два гранецентрированных куба, сдвинутые друг относительно друга на 1/4 главной диагонали). Кристаллит наноалмаза состоит из алмазного ядра (размер 1-10 нм), в котором атомы углерода находятся в sp3-гибридном состоянии, покрытого оболочкой луковичного углерода, в котором атомы углерода находятся в sр2-гибридном состоянии. Свойства наноалмазов существенным образом зависят от метода получения (получение из природных алмазов физическими методами; синтез при сверхвысоких давлениях и температурах; электронно- и ионно-лучевые методы, облучение углеродсодержащего материала пучками электронов и ионами аргона; детонационный синтез). При термическом воздействии в инертной атмосфере детонационный наноалмаз переходит в углерод луковичной формы - наноразмерную углеродную структуру, образованную вложенными друг в друга углеродными сферами, который при дальнейшем нагреве переходит в нанографит [2]. Применение в таблетировании ядерного топлива известных методов порошковой металлургии, в частности метода компрессионного спекания, с введение наноалмаза на стадии изготовления пресс-порошка обеспечивает образование полиструктурной наноуглеродной матрицы.Nanodiamond is a carbon nanocrystalline material with a diamond crystal structure (two face-centered cubes shifted relative to each other by 1/4 of the main diagonal). A nanodiamond crystallite consists of a diamond core (size 1-10 nm), in which the carbon atoms are in the sp3 hybrid state, coated with a bulbous carbon shell, in which the carbon atoms are in the sp2 hybrid state. The properties of nanodiamonds substantially depend on the production method (production from natural diamonds by physical methods; synthesis at ultrahigh pressures and temperatures; electron and ion beam methods; irradiation of carbon-containing material with electron beams and argon ions; detonation synthesis). Upon thermal exposure in an inert atmosphere, the detonation nanodiamond transforms into onion-shaped carbon — a nanoscale carbon structure formed by carbon spheres embedded in each other, which, upon further heating, transforms into nanographite [2]. The use of known powder metallurgy methods in tabletting nuclear fuel, in particular the compression sintering method, with the introduction of nanodiamonds at the stage of manufacture of the press powder provides the formation of a multistructure nanocarbon matrix.
Структурирование топлива наноалмазом увеличивает модули упругости и сдвига, одновременно снижая твердость; значительно повышается прочность топлива;Structuring the fuel with a nanodiamond increases the elastic and shear moduli, while reducing hardness; significantly increases fuel strength;
повышается теплопроводность, что смягчает действие температурных градиентов.thermal conductivity increases, which softens the effect of temperature gradients.
Введение упрочняющей фазы наноуглеродных структур, активно не взаимодействующих с соединениями делящегося материала и не растворяющихся в нем вплоть до температуры его плавления, обеспечивает возможность сохранения микрогетерогенного строения и дислокационной субструктуры, а следовательно и длительной работоспособности керамической таблетки до 0,9-0,95 Тпл.The introduction of the hardening phase of nanocarbon structures that do not actively interact with compounds of fissile material and do not dissolve in it up to its melting temperature, makes it possible to preserve the microheterogeneous structure and dislocation substructure, and hence the long-term performance of the ceramic tablet to 0.9-0.95 T pl .
В таблетке ядерного топлива, спрессованной и спеченной из смеси частиц соединения делящегося вещества и наноалмаза, образовавшаяся полиструктурная наноуглеродная матрица (первичного наноалмаза и, в ряде случаев, сложных углеродных новообразований) воспринимает основную часть напряжений при температурных градиентах. Распределенные в ней частицы соединения делящегося вещества препятствуют движению дислокации приложения нагрузки. Когда движущаяся дислокация встречается с частицей, происходит либо перерезание частицы, либо обход частицы дислокацией. В результате реализуется тот процесс, для протекания которого необходимо наименьшее напряжение, что минимизирует термические напряжения в таблетке и повышает ее термостойкость [3, 4].In a tablet of nuclear fuel, compressed and sintered from a mixture of particles of a compound of fissile material and a nanodiamond, the formed polystructured nanocarbon matrix (primary nanodiamond and, in some cases, complex carbon neoplasms) takes up the bulk of the stress at temperature gradients. Particles of the compound of fissile material distributed in it impede the movement of the load dislocation. When a moving dislocation meets a particle, either the particle is cut, or the particle moves around the dislocation. As a result, the process is realized for which the smallest voltage is required, which minimizes thermal stresses in the tablet and increases its heat resistance [3, 4].
Основными параметрами, от которых зависит эффективность упрочнения, являются размер частиц соединения делящегося вещества и расстояние в матрице наноуглеродных структур между ними. Использование известного расчетного механизма Орована с учетом модуля сдвига матрицы Gm и величины вектора Бюргенса позволяет определить оптимальные значения объемного содержания армирующей фазы наноуглеродных структур, обеспечивающие наиболее эффективное упрочнение керамической таблетки. Оптимальная объемная доля углеродной фазы также может быть рассчитана, например, по известному правилу аддитивности напряжений с учетом критического минимального объема армирующей углеродной фазы [5].The main parameters on which the effectiveness of hardening depends are the particle size of the compound of the fissile material and the distance in the matrix of nanocarbon structures between them. Using the well-known calculation mechanism of Orowan, taking into account the shear modulus of the matrix Gm and the value of the Burgens vector, it is possible to determine the optimal values of the volume content of the reinforcing phase of nanocarbon structures, which provide the most effective hardening of the ceramic tablet. The optimal volume fraction of the carbon phase can also be calculated, for example, according to the well-known stress additivity rule taking into account the critical minimum volume of the reinforcing carbon phase [5].
При этом необходимо учитывать различное эксплуатационное поведение топлива на основе U и топлива на основе (U,Pu). В смешанном (U,Pu) топливе содержание соединения плутония не превышает 30%, то есть фактически основой топлива является соединение урана, но поведение смешанного топлива под облучением в значительной степени определяется именно плутониевой составляющей. Различная стабильность валентных состояний урана и плутония ведет к пространственному перераспределению урана и плутония в топливном материале, которое реализуется в процессе «испарение-конденсация». При наличии температурного градиента давление пара над топливом в центральной части всегда будет больше, чем над топливом в более холодной периферийной области, что и приводит к радиальному изменению состава топлива в таблетке. Более летучее соединение урана конденсируется на холодной стороне, в то время как менее летучее соединение плутония концентрируется в горячей зоне и его концентрация растет в направлении к более горячей зоне таблетки. Эти процессы в условиях низкой теплопроводности топливного материала обусловливают высокие в сравнении с ординарным урановым топливом градиенты температуры, достигающие 700°С/мм, с температурой в центре таблетки выше температуры плавления [1, 6].In this case, it is necessary to take into account the different operational behavior of fuel based on U and fuel based on (U, Pu). In mixed (U, Pu) fuel, the content of the plutonium compound does not exceed 30%, that is, in fact, the uranium compound is the basis of the fuel, but the behavior of the mixed fuel under irradiation is largely determined by the plutonium component. Different stability of the valence states of uranium and plutonium leads to a spatial redistribution of uranium and plutonium in the fuel material, which is realized in the process of "evaporation-condensation". In the presence of a temperature gradient, the vapor pressure above the fuel in the central part will always be greater than above the fuel in the colder peripheral region, which leads to a radial change in the composition of the fuel in the tablet. The more volatile uranium compound condenses on the cold side, while the less volatile plutonium compound concentrates in the hot zone and its concentration increases towards the hotter zone of the tablet. These processes under conditions of low thermal conductivity of the fuel material cause high temperature gradients in comparison with ordinary uranium fuel, reaching 700 ° C / mm, with a temperature in the center of the tablet above the melting temperature [1, 6].
В связи с этими принципиальными поведенческими отличиями смешанного топлива от ординарного оценки термонапряжений для таблеток на основе (U,Pu) необходимо проводить с учетом динамики температурных градиентов, обусловленной радиальной миграцией актиноидов.In connection with these fundamental behavioral differences of mixed fuel from the ordinary assessment of thermal stresses for tablets based on (U, Pu), it is necessary to take into account the dynamics of temperature gradients due to the radial migration of actinides.
Расчеты показывают, что объемное содержание наноалмаза, равномерно распределенного в материале порошка смеси, при котором эффективно замедляется процесс растрескивания таблетки вследствие термоупругих напряжений, для рабочего диапазона выгорания с учетом отличающихся тепловых и прочностных характеристик UO2, UN, (U,Pu)O2 и (U,Pu)N и с учетом сопутствующего процесса разбухания топлива составляет: 1,7-13,8% об. для смеси с UO2, 1,3-11,5% об. для смеси с UN, 1,9-17,2% об. для смеси с (U,Pu)O2, 1,6-14,3% об. для смеси с (U,Pu)N.Calculations show that the volume content of nanodiamond uniformly distributed in the powder material of the mixture, at which the tablet cracking process due to thermoelastic stresses is effectively slowed down, for the working range of burnout, taking into account the different thermal and strength characteristics of UO 2 , UN, (U, Pu) O 2 and (U, Pu) N and taking into account the accompanying process of fuel swelling is: 1.7-13.8% vol. for a mixture with UO 2 , 1.3-11.5% vol. for a mixture with UN, 1.9-17.2% vol. for a mixture with (U, Pu) O 2 , 1.6-14.3% vol. for a mixture with (U, Pu) N.
Равномерность распределения наноуглеродных структур в объеме материала предопределяет незначительность величин пространственных флуктуации термических напряжений, уменьшает вероятность появления локальных участков деструкции материала, являющихся потенциальными очагами зарождения трещин. Условие равномерности распределения накладывает ограничения на допустимые гранулометрические и плотностные характеристики порошка делящегося вещества, предназначенного к смешению с наноалмазом. В частности, равномерность распределения фаз материала не достигается при использовании порошка частиц соединения делящегося вещества произвольного размера. Для ее достижения необходим однородный по эффективному размеру порошок частиц (эффективный размер частиц определяется по размеру сита, задерживающего 90% материала). Предпочтительно применение частиц приближенно сферической формы. Более высокий уровень равномерности распределения достигается дополнением размерной однородности однородностью по плотности. Последнее обеспечивается, в частности, применением порошка частиц соединения делящегося вещества, изготовленного по одной технологии, предпочтительно применением порошка частиц одной производственной партии.The uniform distribution of nanocarbon structures in the volume of the material determines the insignificance of the spatial fluctuations of thermal stresses, reduces the likelihood of local areas of material destruction, which are potential centers of crack nucleation. The condition for uniform distribution imposes restrictions on the allowable particle size and density characteristics of the powder of fissile material intended for mixing with a nanodiamond. In particular, a uniform phase distribution of the material is not achieved when using a powder of particles of a compound of fissile material of arbitrary size. To achieve it, a particle powder uniform in effective size is required (the effective particle size is determined by the size of the sieve retaining 90% of the material). The use of particles of approximately spherical shape is preferred. A higher level of uniformity of distribution is achieved by complementing dimensional uniformity with density uniformity. The latter is ensured, in particular, by the use of a powder of particles of a compound of a fissile material made by the same technology, preferably by the use of a powder of particles of one production batch.
Такого качества порошок может быть получен, например, уплотнением исходного порошка соединения U или (U,Pu), затем дроблением полученных компактов и гранулированием на ситах с итоговым получением более плотного однородного продукта. Допустимы и другие способы подготовки размерно монофракционного порошка требуемой плотности.A powder of this quality can be obtained, for example, by densifying the initial powder of a compound U or (U, Pu), then crushing the obtained compacts and granulating it on sieves to obtain a denser, homogeneous product. Other methods of preparing a dimensionally monofractional powder of the required density are also acceptable.
Фактором, влияющим на термостойкость таблетки смешанного топлива, является равномерность распределения фазы соединения Рu в матрице соединения U. Последнее обеспечивается, в первую очередь, способом изготовления пресс-порошка соединения (U, Рu). Эти способы можно разделить на 3 основные группы. Первую группу составляют способы химического соосаждения солей U и Рu (например, AU/PuC-процесс или COPRECAL-процесс). Вторую группу составляют способы механического смешения порошков соединений U и Рu, включающие технологические операции совместного измельчения и грануляции (например, ОКОМ-процесс). Третью группу - способы прямого смешения порошков соединений U и Рu. Способы первой и второй групп обеспечивают получение спрессованного и спеченного продукта с достаточной относительно настоящего технического решения равномерностью распределения фазы соединения Рu в матрице U. Способы третьей группы (прямое смешение) не гарантируют равномерного распределения U и Рu в виде единой фазы (U, Рu)O2 или (U, Pu)N и их применение в настоящем техническом решении нецелесообразно [7].A factor affecting the heat resistance of a mixed fuel tablet is the uniform distribution of the phase of compound Pu in the matrix of compound U. The latter is provided, first of all, by the method of manufacturing a press powder of the compound (U, Pu). These methods can be divided into 3 main groups. The first group consists of methods for the chemical coprecipitation of salts of U and Pu (for example, the AU / PuC process or the COPRECAL process). The second group consists of methods of mechanical mixing of powders of compounds U and Pu, including technological operations of joint grinding and granulation (for example, OKOM-process). The third group includes methods for direct mixing of powders of compounds U and Pu. The methods of the first and second groups ensure the production of a pressed and sintered product with a uniform distribution of the phase of the Pu compound in the U matrix relative to the present technical solution. The methods of the third group (direct mixing) do not guarantee a uniform distribution of U and Pu in the form of a single phase (U, Pu) O 2 or (U, Pu) N and their use in the present technical solution is impractical [7].
Возможности дисперсного упрочнения элементов топливного сердечника углеродными каркасными структурами ограничены требованиями к плотности материала по делящемуся веществу. Дополняющим приемом снижения термических напряжений в твэле является заполнение зазора между топливом и оболочкой материалом с высокой теплопроводностью, например свинцом или сплавом свинца с висмутом. Это позволяет обеспечить отвод тепла от твэлов при относительно низкой температуре топлива.The possibilities of disperse hardening of the elements of the fuel core by carbon frame structures are limited by the requirements for the density of the material in the fissile material. An additional method of reducing thermal stresses in a fuel element is to fill the gap between the fuel and the cladding with a material with high thermal conductivity, for example, lead or an alloy of lead with bismuth. This allows heat to be removed from the fuel rods at a relatively low fuel temperature.
Дисперсное упрочнение таблетки ядерного топлива наноуглеродными структурами как для топлива на основе U, так и для топлива на основе (U,Pu) эффективно обеспечивает высокую прочность и термостойкость таблетки, повышает ресурс ее работы и снижает риск разрушения оболочки твэла.Dispersion hardening of a nuclear fuel tablet with nanocarbon structures for both U-based and U-based (Fu, U) fuels effectively provides high strength and thermal stability of the pellet, increases its service life and reduces the risk of destruction of the fuel cladding.
Пример 1. Таблетка имеет высоту 9,1 мм и диаметр 7,53 мм. Таблетка изготовлена из порошка смеси 95,0% об. частиц UO2 и 5,0% об. детонационного наноалмаза. Исходный порошок UO2 измельчают в шаровой мельнице. Полученный продукт уплотняют путем прессованием шашки с последующими дроблением и грануляцией на ситах. В стандартный «сухой» пластификатор (стеарат цинка) вводят наноалмаз, гомогенизируют смесь. Проводят перемешивание отобранной фракции порошка UO2 и полученной смеси. Из приготовленного пресс-порошка формируют сырые таблетки, которые спекают при температуре ~1680°С и подвергают штатным доводочным и контрольным операциям.Example 1. The tablet has a height of 9.1 mm and a diameter of 7.53 mm. The tablet is made from a powder mixture of 95.0% vol. particles of UO 2 and 5.0% vol. detonation nanodiamonds. The initial UO 2 powder is ground in a ball mill. The resulting product is compacted by pressing pieces with subsequent crushing and granulation on sieves. Nanodiamonds are introduced into a standard “dry” plasticizer (zinc stearate), the mixture is homogenized. The selected fraction of the UO 2 powder and the resulting mixture are mixed. Raw tablets are formed from the prepared press powder, which are sintered at a temperature of ~ 1680 ° C and subjected to regular lapping and control operations.
Пример 2. Таблетка имеет форму цилиндра с отношением высоты к диаметру 1,60. Порошки UN и PuN совместно подвергают операциям измельчения, компактирования, дробления, гранулирования. Отобранную фракцию готовой смеси (94,7% об.) и порошок наноалмаза (5,3% об.) гомогенизируют со стандартным «сухим» пластификатором. Из полученного пресс-порошка формируют сырые таблетки, которые подвергают компрессионному спеканию при температуре ~1540°С и шлифуют.Example 2. The tablet has the shape of a cylinder with a ratio of height to diameter of 1.60. UN and PuN powders are jointly subjected to grinding, compacting, crushing, granulation. The selected fraction of the finished mixture (94.7% vol.) And nanodiamond powder (5.3% vol.) Are homogenized with a standard "dry" plasticizer. Raw tablets are formed from the obtained press powder, which are subjected to compression sintering at a temperature of ~ 1540 ° C and ground.
Пример 3. Твэл имеет оболочку из сплава Zn-1%Nb. Топливный сердечник имеет высоту 2485 мм и сформирован из таблеток высотой 9,1 мм и диаметром 7,53 мм. Таблетки изготовлены из порошка смеси UO2 и 5,0% об. детонационного наноалмаза. Зазор между топливом и оболочкой заполнен свинцом.Example 3. The fuel rod has a shell made of an alloy of Zn-1% Nb. The fuel core has a height of 2485 mm and is formed from tablets 9.1 mm high and 7.53 mm in diameter. The tablets are made from a powder of a mixture of UO 2 and 5.0% vol. detonation nanodiamonds. The gap between the fuel and the shell is filled with lead.
Пример 4. Твэл имеет оболочку из нержавеющей стали. Топливный сердечник имеет высоту 1060 мм и сформирован из таблеток высотой 6,1 мм и диаметром 5,4 мм. Таблетки изготовлены из порошка смеси (U,Pu)O2 и 5,3% об. наноалмаза. Зазор между топливом и оболочкой заполнен сплавом свинца с висмутом.Example 4. A fuel rod has a stainless steel sheath. The fuel core has a height of 1060 mm and is formed from tablets with a height of 6.1 mm and a diameter of 5.4 mm. The tablets are made from a powder of a mixture of (U, Pu) O 2 and 5.3% vol. nanodiamonds. The gap between the fuel and the shell is filled with an alloy of lead with bismuth.
Приведенные выше примеры реализации изобретений не исключают использования иных содержаний наноалмаза в порошке смеси, иных технологий таблетирования и иных технических параметров деталей твэла.The above examples of the implementation of the inventions do not exclude the use of other contents of nanodiamonds in the powder mixture, other tabletting technologies and other technical parameters of the fuel elements.
Источники информацииInformation sources
1. Самойлов А.Г. и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М., Энергоатомиздат, 1996, с.100-104, 132-135.1. Samoilov A.G. et al. Fuel elements of nuclear reactors. M., Energoatomizdat, 1996, pp. 100-104, 132-135.
2. Долматов В.Ю.и др. Современные промышленные возможности синтеза наноалмазов. Физика твердого тела, 2004, Т.46, Вып. 4. С.596-600.2. Dolmatov V.Yu. and others. Modern industrial capabilities of the synthesis of nanodiamonds. Solid State Physics, 2004, vol. 46, no. 4. S.596-600.
3. Кем А.Ю. Технологические основы производства порошковых и композиционных наноструктурных материалов и изделий. Ростов н/Д, ИЦ ДГТУ, 2008, с.9.3. By A.Yu. Technological basis for the production of powder and composite nanostructured materials and products. Rostov n / a, IC DSTU, 2008, p. 9.
4. Шевердяев О.Н. Нанотехнологии и наноматериалы. М., Изд-во МГОУ, 2009, с.65-74.4. Sheverdyaev O.N. Nanotechnology and nanomaterials. M., Publishing House of the Moscow State Educational University, 2009, p. 65-74.
5. Портной К.И. Дисперсно-упрочненные материалы / Портной К.И., Бабич Б.Н., М., Металлургия, 1974, с.14-17.5. Tailor K.I. Dispersion-strengthened materials / Tailor K.I., Babich B.N., M., Metallurgy, 1974, p.14-17.
6. Котельников Р.Б. и др. Высокотемпературное ядерное топливо. М., Атомиздат, 1969, с.132-135.6. Kotelnikov RB and other high-temperature nuclear fuel. M., Atomizdat, 1969, p. 132-135.
7. Махова В.А. и др. Усовершенствование методов изготовления уран-плутониевого топлива. Атомная техника за рубежом, 1982, с.16-21.7. Makhova V.A. et al. Improvement of manufacturing methods for uranium-plutonium fuel. Nuclear Technology Abroad, 1982, p.16-21.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011150841/07A RU2467411C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Nanostructured nuclear fuel pellet (versions) and nuclear reactor fuel element (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011150841/07A RU2467411C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Nanostructured nuclear fuel pellet (versions) and nuclear reactor fuel element (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2467411C1 true RU2467411C1 (en) | 2012-11-20 |
Family
ID=47323372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011150841/07A RU2467411C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Nanostructured nuclear fuel pellet (versions) and nuclear reactor fuel element (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2467411C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015080626A1 (en) | 2013-11-26 | 2015-06-04 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Nuclear fuel pellet having enhanced thermal conductivity, and preparation method thereof |
| CN108538409A (en) * | 2018-04-27 | 2018-09-14 | 中国工程物理研究院材料研究所 | A kind of fast preparation method and products thereof of uranium dioxide/Nano diamond fuel ball |
| CN112071444A (en) * | 2020-08-07 | 2020-12-11 | 中国科学院上海应用物理研究所 | Uranium dioxide single crystal/nano diamond composite fuel and preparation method thereof |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1756838B1 (en) * | 2004-03-01 | 2010-08-18 | Pebble Bed Modular Reactor (Proprietary) Limited | Nuclear fuel |
-
2011
- 2011-12-14 RU RU2011150841/07A patent/RU2467411C1/en active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1756838B1 (en) * | 2004-03-01 | 2010-08-18 | Pebble Bed Modular Reactor (Proprietary) Limited | Nuclear fuel |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| САМОЙЛОВ А.Г. и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1996, с.96-105. ДЬЯКОВ Е.К. и др. Наноструктуированные соединения урана - топливо для перспективных компактных ядерных реакторов. - М.: Цветные металлы, 2007, 11, с.62-66. ГРЕЧИХИН Л.И. Наночастицы и нанотехнологии. - Минск: Право и экономика, 2008, с.11-22. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015080626A1 (en) | 2013-11-26 | 2015-06-04 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Nuclear fuel pellet having enhanced thermal conductivity, and preparation method thereof |
| US10381119B2 (en) | 2013-11-26 | 2019-08-13 | Joint Stock Company “Akme-Engineering” | Nuclear fuel pellet having enhanced thermal conductivity, and preparation method thereof |
| CN108538409A (en) * | 2018-04-27 | 2018-09-14 | 中国工程物理研究院材料研究所 | A kind of fast preparation method and products thereof of uranium dioxide/Nano diamond fuel ball |
| CN112071444A (en) * | 2020-08-07 | 2020-12-11 | 中国科学院上海应用物理研究所 | Uranium dioxide single crystal/nano diamond composite fuel and preparation method thereof |
| CN112071444B (en) * | 2020-08-07 | 2023-10-27 | 中国科学院上海应用物理研究所 | Uranium dioxide monocrystal/nano diamond composite fuel and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10689776B2 (en) | Preparation method of monocrystal uranium dioxide nuclear fuel pellets | |
| KR20230148265A (en) | Method for fabrication of fully ceramic microencapsulated nuclear fuel | |
| JP6081182B2 (en) | Reactor components | |
| WO2012047657A2 (en) | Ceramic-ceramic composites and process therefor, nuclear fuels formed thereby, and nuclear reactor systems and processes operated therewith | |
| JP6961719B2 (en) | Nuclear fuel pellets, fuel rods, and fuel assemblies | |
| EP3143627B1 (en) | Device and method for enhanced iridium gamma radiation sources | |
| KR20160051113A (en) | Nuclear fuel composite pellets and its fabrication method | |
| RU2352004C2 (en) | METHOD OF OBTAINING OF NUCLEAR FUEL TABLETS ON BASIS OF IMMIXED OXIDE (U, Pu)O2 OR (U, Th)O2 | |
| Zhao et al. | Manufacture and characteristics of spherical fuel elements for the HTR-10 | |
| US20180151261A1 (en) | Sintered nuclear fuel pellet and manufacturing method thereof | |
| CN109461509B (en) | Inert matrix dispersion fuel pellet and preparation method thereof | |
| CN108039210A (en) | Fuel pellet and its manufacture method | |
| RU2467411C1 (en) | Nanostructured nuclear fuel pellet (versions) and nuclear reactor fuel element (versions) | |
| US9466398B2 (en) | Ceramic-ceramic composites and process therefor, nuclear fuels formed thereby, and nuclear reactor systems and processes operated therewith | |
| KR102084466B1 (en) | Nuclear fuel pellet having enhanced thermal conductivity and method for manufacturing the same | |
| RU2469427C1 (en) | Nuclear fuel pellets (versions) | |
| Burkes et al. | A US perspective on fast reactor fuel fabrication technology and experience. Part II: Ceramic fuels | |
| RU115550U1 (en) | NUCLEAR FUEL TABLET (OPTIONS) AND NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENT | |
| RU2467410C1 (en) | Composite nuclear fuel pellet (versions) | |
| KR20150135679A (en) | oxide nuclear fuel pellet and the method for manufacturing thereof | |
| JP2009053156A (en) | Manufacturing method of nuclear fuel pellet and nuclear fuel pellet | |
| RU2467414C1 (en) | Fuel element for fast neutron reactor (versions) | |
| Chen et al. | Processing of ThO 2/CeO 2 Ceramic Fuel | |
| KR101209139B1 (en) | Nitriding surface treated nuclear fuel powder and dispersion nuclear fuel having the same | |
| RU2467415C1 (en) | Nuclear reactor fuel element (versions) |