RU2603020C1 - Method of making nuclear reactor pebbles - Google Patents

Method of making nuclear reactor pebbles Download PDF

Info

Publication number
RU2603020C1
RU2603020C1 RU2015126190/07A RU2015126190A RU2603020C1 RU 2603020 C1 RU2603020 C1 RU 2603020C1 RU 2015126190/07 A RU2015126190/07 A RU 2015126190/07A RU 2015126190 A RU2015126190 A RU 2015126190A RU 2603020 C1 RU2603020 C1 RU 2603020C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
density
silicon carbide
mixture
vol
Prior art date
Application number
RU2015126190/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Владимирович Белеевский
Игорь Евгеньевич Голубев
Николай Викторович Морозов
Андрей Анатольевич Перцев
Original Assignee
Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара"
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 Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" filed Critical Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара"
Priority to RU2015126190/07A priority Critical patent/RU2603020C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2603020C1 publication Critical patent/RU2603020C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C21/00Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
    • G21C21/02Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/32Carbides
    • 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

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: energy.
SUBSTANCE: invention relates to nuclear power, particularly to production of pebbles. Method comprises successively depositing on a fuel microsphere by pyrolysis of a gas mixture in a boiling layer a low density, high density, silicon carbide layer and outer high density coating layer. Low-density silicon carbide layer is deposited from a mixture of methyl silane and argon at concentration of methyl silane of 5-15 vol%, high-density silicon carbide layer is deposited from a mixture of argon and methyl silane with methyl silane concentration of not more than 10 vol%, silicon carbide layer is deposited from a mixture of argon and methyl silane with methyl silane concentration of not more than 5 vol%, external high-density silicon carbide layer is deposited from a mixture of methyltrichlorosilane and hydrogen at concentration of methyltrichlorosilane 1.2-1.5 vol%.
EFFECT: technical result is simplification of method for production of nuclear reactor pebbles, longer service life of fuel microspheres, as well as wider range of application for fast neutron reactors.
5 cl, 1 tbl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области ядерной энергии, в частности к производству микротвэлов (МТ) ядерного реактора.The invention relates to the field of nuclear energy, in particular to the production of microfuel (MT) nuclear reactor.

Применение микросферического топлива с защитными слоями покрытий типа TRISO (TRistructural ISOtropic - трехструктурное изотропное покрытие из пироуглерода и карбида кремния на топливных частицах) обеспечивает длительную работу реактора без перезагрузки, большой коэффициент выгорания топлива. Кроме этого, обеспечивается максимальная безопасность эксплуатации атомного реактора, так как микросферическое топливо с многослойным керамическим покрытием типа TRISO эффективно удерживает продукты деления внутри топливных микросфер как при нормальных условиях эксплуатации, так и при условиях максимальной проектной аварии с потерей теплоносителя, когда температура топлива может достигать 1600°C.The use of microspherical fuel with protective coatings of the TRISO type (TRistructural ISOtropic - a three-structure isotropic coating of pyrocarbon and silicon carbide on fuel particles) ensures long-term operation of the reactor without rebooting, a large fuel burnup rate. In addition, maximum operational safety of the nuclear reactor is ensured, since TRISO microspherical fuel with a multilayer ceramic coating effectively retains fission products inside the fuel microspheres both under normal operating conditions and under conditions of maximum design accident with loss of coolant, when the fuel temperature can reach 1600 ° C.

При использовании керна из оксидного топлива для связывания выделяющегося в процессе выгорания топлива кислорода, который в результате взаимодействия с углеродом покрытий образует оксиды углерода, создающие дополнительное давление внутри топливной микросферы, применяют геттер кислорода, расположенный в непосредственной близости к топливному керну.When using a core of oxide fuel to bind oxygen released during fuel combustion, which, as a result of interaction with the carbon of the coatings, forms carbon oxides that create additional pressure inside the fuel microsphere, an oxygen getter is used located in close proximity to the fuel core.

Слои покрытий получают в кипящем слое топливных микросфер газофазным осаждением продуктов пиролиза углеводородных и кремнийсодержащих смесей газов, разбавленных аргоном и водородом.Coating layers are obtained in the fluidized bed of fuel microspheres by gas-phase deposition of the pyrolysis products of hydrocarbon and silicon-containing gas mixtures diluted with argon and hydrogen.

Известен способ осаждения четырехслойного покрытия в кипящем слое, согласно которому первый низкоплотный (буферный) слой из пироуглерода (PyC) получают за счет пиролиза C2H2 при температуре 1250°C, второй высокоплотный изотропный PyC получают за счет пиролиза C2H2-C3H6 смеси при температуре 1300°C, третий SiC слой получают за счет пиролиза CH3SiCl3 при температуре 1500°C и четвертый высокоплотный изотропный PyC получают за счет пиролиза C2H2-C3H6 смеси при температуре 1300°C (Huschka Н., Vugen P. Coated fuel particles: requirements and status of fabrication technology. - Nuclear Technology, V. 35, September, 1977, p. 238-245).A known method of deposition of a four-layer coating in a fluidized bed, according to which the first low-density (buffer) layer of pyrocarbon (PyC) is obtained by pyrolysis of C 2 H 2 at a temperature of 1250 ° C, the second high-density isotropic PyC is obtained by pyrolysis of C 2 H 2 -C 3 H 6 mixture at a temperature of 1300 ° C, the third SiC layer is obtained by pyrolysis of CH 3 SiCl 3 at a temperature of 1500 ° C and the fourth high-density isotropic PyC is obtained by pyrolysis of a C 2 H 2 -C 3 H 6 mixture at a temperature of 1300 ° C (Huschka N., Vugen P. Coated fuel particles: requirements and status of fabrication technology. - Nuclear Technology, V. 35, September, 1977, p. 238-24 5).

Известен способ, согласно которому первый слой низкоплотного пироуглерода осаждают пиролизом смеси ацетилена и аргона с концентрацией 50 об.% при температуре 1450°C, 85-95% второго слоя из высокоплотного пироуглерода осаждают пиролизом смеси ацетилена и аргона с концентрацией первого 40,0-43,0 об.% и смеси пропилена и аргона с концентрацией первого 30,0-27,0 об.% при температуре 1300°C, а 5-15% покрытия осаждают пиролизом смеси пропилена и аргона с концентрацией первого 5,0-10,0 об.% с добавкой 0,5-1,5 об.% метилтрихлорсилана. Третий слой, выполненный из карбида кремния, осаждают пиролизом метилтрихлорсилана с концентрацией в смеси водород-аргон 2,5-3,0 об.% при температуре 1500°C. После осаждения проводят его обработку в водороде при температуре 1750-1800°C в течение 20-30 мин. Большую часть четвертого слоя (90-95%) осаждают пиролизом смеси газов: ацетилена с концентрацией 40,0-43,0 об.%, пропилена с концентрацией 30,0-27,0 об.% и аргона при температуре 1300°C. А после осаждения 90-95% толщины пироуглеродного покрытия четвертого слоя 5-10% покрытия осаждают пиролизом пропилена с концентрацией в смеси с водородом 3,0-5,0 об.% (патент RU №2300818, МПК G21C 3/06, 21/02, опубл. 10.06.2007).There is a method according to which the first layer of low-density pyrocarbon is precipitated by pyrolysis of a mixture of acetylene and argon with a concentration of 50 vol% at a temperature of 1450 ° C, 85-95% of the second layer of high-density pyrocarbon is precipitated by pyrolysis of a mixture of acetylene and argon with a concentration of the first 40.0-43 , 0 vol.% And a mixture of propylene and argon with a concentration of the first 30.0-27.0 vol.% At a temperature of 1300 ° C, and 5-15% of the coating precipitated by pyrolysis of a mixture of propylene and argon with a concentration of the first 5.0-10, 0 vol.% With the addition of 0.5-1.5 vol.% Methyltrichlorosilane. The third layer, made of silicon carbide, precipitated by pyrolysis of methyltrichlorosilane with a concentration in the mixture of hydrogen-argon 2.5-3.0 vol.% At a temperature of 1500 ° C. After deposition, it is treated in hydrogen at a temperature of 1750-1800 ° C for 20-30 minutes. Most of the fourth layer (90-95%) is precipitated by pyrolysis of a mixture of gases: acetylene with a concentration of 40.0-43.0 vol.%, Propylene with a concentration of 30.0-27.0 vol.% And argon at a temperature of 1300 ° C. And after the deposition of 90-95% of the thickness of the pyrocarbon coating of the fourth layer, 5-10% of the coating is precipitated by pyrolysis of propylene with a concentration of 3.0-5.0 vol.% In a mixture with hydrogen (patent RU No. 2300818, IPC G21C 3/06, 21 / 02, publ. 06/10/2007).

Недостатком перечисленных способов является то, что при осаждении первого, второго и четвертого слоев покрытия применяются горючие и взрывоопасные газы (пропилен и ацетилен), при получении изотропных слоев пироуглерода требуется контролировать степень анизотропии покрытия, которая, в свою очередь, сильно зависит от многих технологических факторов. К недостаткам следует отнести сложность технологического процесса. В аналогах отсутствует геттер кислорода, расположенный в непосредственной близости от топливной микросферы.The disadvantage of these methods is that during the deposition of the first, second and fourth layers of the coating, combustible and explosive gases (propylene and acetylene) are used, while obtaining isotropic layers of pyrocarbon, it is necessary to control the degree of anisotropy of the coating, which, in turn, greatly depends on many technological factors . The disadvantages include the complexity of the process. In analogues there is no oxygen getter located in close proximity to the fuel microsphere.

Известен способ, согласно которому на топливную микросферу наносится как минимум два чередующихся слоя, причем каждая серия слоев содержит слой пироуглерода, соприкасающийся со слоем карбида кремния, причем толщина каждого слоя составляет не более 10 микрон, а слои наносятся так, что на керн наносятся попеременно слои пироуглерода и карбида кремния. Слои наносят при температурах выше 1000°C (патент US №20090129533 A1).There is a method according to which at least two alternating layers are deposited on the fuel microsphere, each series of layers containing a pyrocarbon layer in contact with the silicon carbide layer, the thickness of each layer being not more than 10 microns, and the layers being applied so that the layers are alternately applied pyrocarbon and silicon carbide. The layers are applied at temperatures above 1000 ° C (US patent No. 20090129533 A1).

Недостатком этого способа является отсутствие технологии нанесения буферного слоя, в результате чего при работе топлива произойдет быстрое разрушение плотных слоев покрытия за счет распухания топливной микросферы и образования газообразных продуктов деления.The disadvantage of this method is the lack of technology for the deposition of a buffer layer, as a result of which when the fuel is in operation, the dense coating layers will quickly destroy due to the swelling of the fuel microsphere and the formation of gaseous fission products.

Известен способ, согласно которому на топливную микросферу наносится пористый углерод, пироуглерод и карбид кремния в смеси с нитридом кремния, включающий в себя следующие операции: нанесение покрытия, содержащего смесь кремния и карбида кремния при температуре, равной от 1300 до 1950°C, с последующей нитридизацией поверхности (Nuclear fuel provided with a coating. WO 2005086173 A2).There is a method according to which porous carbon, pyrocarbon and silicon carbide are mixed with silicon nitride on a fuel microsphere, which includes the following operations: applying a coating containing a mixture of silicon and silicon carbide at a temperature of 1300 to 1950 ° C, followed by surface nitridation (Nuclear fuel provided with a coating. WO 2005086173 A2).

Недостатком этого способа являются сложность технологического процесса и крайне негативное воздействие очень высокой температуры (до 1950°C) при операции нитридизации на слой изотропного пироуглерода.The disadvantage of this method is the complexity of the process and the extremely negative effect of a very high temperature (up to 1950 ° C) during the nitridation operation on an isotropic pyrocarbon layer.

Известен способ получения микротвэла ядерного реактора с трехслойным защитным покрытием, который включает последовательное осаждение на топливные микросферы слоев покрытий в кипящем слое, в котором первый слой низкоплотного пироуглерода осаждают пиролизом ацетилена с концентрацией в смеси с аргоном 50 об.% при температуре 1450°C, 95-97% второго слоя из высокоплотного изотропного пироуглерода осаждают пиролизом смеси ацетилена с концентрацией в смеси с аргоном 40,0-43,0 об.% и пропилена с концентрацией в смеси с аргоном 30,0-27,0 об.% при температуре 1300°C, а 5-3% покрытия второго слоя осаждают пиролизом пропилена с концентрацией в смеси с аргоном 20,0 об.% с добавкой 1,0-2,0 об.% кислорода, осаждение третьего слоя Si3Al3O3N5 осуществляют пиролизом SiCl4-NH3-AlCl3-O2 в мольном соотношении (2,5-3,0):(3,0-4,0):(2,5-3,5):(1,5-3,0) (патент РФ №2328782, МПК A63B 23/02, 21/00, опубл. 10.10.2010).A known method of producing a microtel of a nuclear reactor with a three-layer protective coating, which includes sequential deposition on the fuel microspheres of the coating layers in a fluidized bed, in which the first layer of low-density pyrocarbon is precipitated by pyrolysis of acetylene with a concentration of 50 vol.% In argon at a temperature of 1450 ° C, 95 -97% of the second layer of high-density isotropic pyrocarbon is precipitated by pyrolysis of a mixture of acetylene with a concentration in a mixture with argon of 40.0-43.0 vol.% And propylene with a concentration in a mixture with argon of 30.0-27.0 vol.% At a temperature of 1 300 ° C, and 5-3% of the coating of the second layer is precipitated by pyrolysis of propylene with a concentration of 20.0% by volume in an mixture with argon with the addition of 1.0-2.0% by volume of oxygen, the third layer is deposited Si 3 Al 3 O 3 N 5 is carried out by pyrolysis of SiCl 4 -NH 3 -AlCl 3 -O 2 in a molar ratio (2.5-3.0) :( 3.0-4.0) :( 2.5-3.5) :( 1 5-3.0) (RF patent No. 2323782, IPC A63B 23/02, 21/00, publ. 10.10.2010).

Недостатками данного способа являются сложность технологического процесса, применение для получения третьего слоя четырехкомпонентной смеси газов, состав которой трудно контролировать, а любое отклонение состава приведет к браку всей партии микротвэлов. В данном способе существует опасность образования взрывоопасной смеси газов, т.к. применяются горючие газы и кислород.The disadvantages of this method are the complexity of the process, the use to obtain the third layer of a four-component gas mixture, the composition of which is difficult to control, and any deviation in the composition will lead to the rejection of the entire batch of microtelles. In this method, there is a danger of the formation of an explosive mixture of gases, because combustible gases and oxygen are used.

Известен способ изготовления микротвэлов ядерного реактора, заключающийся в последовательном осаждении на топливную микросферу в кипящем слое покрытий из низкоплотного пироуглерода, высокоплотного изотропного пироуглерода, карбида кремния и высокоплотного изотропного пироуглерода. Последнее является наружным покрытием. Карбидное покрытие наносят пиролизом метилтрихлорсилана в смеси с водородом при температуре 1650±25°C. При формировании карбидного покрытия сначала наносят слой карбида толщиной 1-10% от требуемой толщины карбидного покрытия. Затем снижают температуру до 600-1200°C. Обрабатывают микросферы смесью Cl22-Ar. После возобновляют пиролиз. Доводят толщину карбидного покрытия до требуемой толщины. Снижают температуру до 600-1200°C и обрабатывают микросферы смесью Cl22-Ar (патент РФ 2368965, МПК G21C 3/28, опубл. 20.10.2009).A known method of manufacturing microtubules of a nuclear reactor, which consists in sequential deposition on a fuel microsphere in a fluidized bed of coatings of low-density pyrocarbon, high-density isotropic pyrocarbon, silicon carbide and high-density isotropic pyrocarbon. The latter is an outer coating. The carbide coating is applied by pyrolysis of methyltrichlorosilane in a mixture with hydrogen at a temperature of 1650 ± 25 ° C. When forming a carbide coating, a carbide layer of 1-10% thickness of the required thickness of the carbide coating is first applied. Then lower the temperature to 600-1200 ° C. The microspheres are treated with a mixture of Cl 2 —H 2 —Ar. After resume pyrolysis. Bring the thickness of the carbide coating to the desired thickness. Reduce the temperature to 600-1200 ° C and process the microspheres with a mixture of Cl 2 -H 2 -Ar (RF patent 2368965, IPC G21C 3/28, publ. 20.10.2009).

Недостатками данного способа являются сложность технологического процесса, применение агрессивного хлора, а также отсутствие геттера кислорода и вредное воздействие высокой температуры 1650°C на второй слой изотропного пироуглерода,The disadvantages of this method are the complexity of the process, the use of aggressive chlorine, as well as the absence of an oxygen getter and the harmful effects of high temperature of 1650 ° C on the second layer of isotropic pyrocarbon,

Наиболее близким - прототипом предложенного технического решения является способ, согласно которому в кипящем слое топливных микросфер при 1450°C и концентрации C2H2 50 об.% осаждают первый буферный слой PyC, при 1300°C из смеси С2Н2 (40-43 об.%) и С3Н6 (30-27 об.%), осаждают второй высокоплотный изотропный слой PyC, при температуре 1500°C из смеси CH3SiCl3 с водородом осаждают третий слой карбида кремния, четвертый высокоплотный изотропный слой PyC осаждают по режиму второго слоя (патент DE №2626446, МПК 7 С23С 11/02).The closest prototype of the proposed technical solution is the method according to which in the fluidized bed of fuel microspheres at 1450 ° C and a concentration of C 2 H 2 50 vol.% The first buffer layer PyC is precipitated, at 1300 ° C from a mixture of C 2 H 2 (40- 43 vol.%) And C 3 H 6 (30-27 vol.%), The second high-density isotropic PyC layer is deposited, at a temperature of 1500 ° C the third silicon carbide layer is deposited from a mixture of CH 3 SiCl 3 with hydrogen, the fourth high-density isotropic PyC layer precipitated according to the regime of the second layer (DE patent No. 2626446, IPC 7 C23C 11/02).

Недостатками данного способа так же, как и предыдущих, являются сложность технологического процесса, в частности применение трехкомпонентной, трудноконтролируемой смеси газов при нанесении изотропного пироуглерода второго и четвертого слоев покрытия. Недостатком является применение взрывчатого и взрывоопасного ацетилена и взрывоопасного пропилена при получении пироуглеродных слоев. В данном способе происходит образование больших количеств сажи, создающих значительную нагрузку на систему газоочистки. Кроме того, полученные микротвэлы приходится отмывать от сажи. В этом способе отсутствует технология, позволяющая получить геттер, связывающий кислород, который выделяется при выгорании оксидного топлива.The disadvantages of this method, as well as the previous ones, are the complexity of the process, in particular the use of a three-component, difficult to control mixture of gases when applying isotropic pyrocarbon of the second and fourth coating layers. The disadvantage is the use of explosive and explosive acetylene and explosive propylene in the preparation of pyrocarbon layers. In this method, the formation of large quantities of soot, which creates a significant load on the gas treatment system. In addition, the resulting microfuel must be washed from soot. In this method, there is no technology that allows you to get a getter that binds oxygen, which is released during the burning of oxide fuel.

Задача: разработка способа изготовления микротвэлов ядерного реактора, имеющих повышенный ресурс работы в реакторе и способных выдерживать более высокий флюенс нейтронов, характерный для реакторов на быстрых нейтронах.Objective: to develop a method for the manufacture of microtubels of a nuclear reactor having an increased service life in the reactor and capable of withstanding the higher neutron fluence characteristic of fast neutron reactors.

Технический результат: повышение технологичности процесса и упрощение способа производства микротвэлов ядерного реактора, а также увеличение срока службы топливных микросфер.EFFECT: increased technological effectiveness of the process and simplification of the method of production of microfuel nuclear reactor, as well as increased service life of fuel microspheres.

Технический результат достигается в способе изготовления микротвэлов ядерного реактора, заключающемся в последовательном осаждении на топливную микросферу пиролизом смеси газов в кипящем слое низкоплотного, высокоплотного, слоя карбида кремния и наружного высокоплотного слоев покрытий, отличающемся тем, что низкоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5-15 об.%, высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 10 об.%, слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 5 об.%, наружный высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси водорода и метилтрихлорсилана при концентрации последнего 1,2-1,5 об.%.The technical result is achieved in a method of manufacturing a microtuel of a nuclear reactor, which consists in sequentially depositing a mixture of gases in a fluidized bed of a low-density, high-density layer of silicon carbide and an outer high-density coating layer onto the fuel microsphere, characterized in that the low-density layer of silicon carbide is deposited from a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of 5-15 vol.%, a high-density layer of silicon carbide is precipitated from a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of not more than 10 vol.% , a silicon carbide layer is precipitated from a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of not more than 5 vol.%, an outer high-density layer of silicon carbide is precipitated from a mixture of hydrogen and methyltrichlorosilane at a concentration of the latter of 1.2-1.5 vol.%.

Низкоплотный слой осаждают при температуре 1100-1300°C.The low-density layer is precipitated at a temperature of 1100-1300 ° C.

Высокоплотный слой осаждают при температуре 750-800°C.High-density layer is precipitated at a temperature of 750-800 ° C.

Слой карбида кремния осаждают при температуре 1050-1150°C.The silicon carbide layer is precipitated at a temperature of 1050-1150 ° C.

Наружный высокоплотный слой осаждают при температуре 1500°C.The outer high-density layer is precipitated at a temperature of 1500 ° C.

Поставленная задача решается за счет использования для пиролиза только двухкомпонентных смесей газов, причем один из компонентов является разбавителем. При применении такой смеси гораздо проще контролировать состав, и даже небольшое отклонение концентрации реагента практически не влияет на свойства получаемого покрытия. При получении первых трех слоев покрытия применяется метилсилан-аргоновая газовая смесь с максимальным содержанием метилсилана не более 15% и не менее 85% аргона, такая смесь является негорючей и невзрывоопасной. Для нанесения всех слоев покрытия используется только два реагента (метилсилан и метилтрихлорсилан). Таким образом, в заявленном способе избавились от взрывчатых и взрывоопасных углеводородов (ацетилен, пропилен). При проведении пиролиза метилсилановых смесей не происходит выделения сажи, как в случае с углеводородами, а значит, и не происходит интенсивного зарастания полостей оборудования продуктами пиролиза, что повышает технологичность способа, т.к. отсутствует необходимость очистки оборудования от сажи и отмывки от сажи самих микротвэлов.The problem is solved by using only two-component gas mixtures for pyrolysis, moreover, one of the components is a diluent. When using such a mixture, it is much easier to control the composition, and even a small deviation in the concentration of the reagent practically does not affect the properties of the resulting coating. Upon receipt of the first three layers of the coating, a methylsilane-argon gas mixture with a maximum content of methylsilane of not more than 15% and not less than 85% argon is used, such a mixture is non-combustible and non-explosive. Only two reagents (methylsilane and methyltrichlorosilane) are used to apply all coating layers. Thus, in the claimed method got rid of explosive and explosive hydrocarbons (acetylene, propylene). During the pyrolysis of methylsilane mixtures, soot does not emit, as is the case with hydrocarbons, which means that there is no intensive overgrowing of equipment cavities with pyrolysis products, which increases the processability, since there is no need to clean the equipment from soot and to wash the soot of microtel themselves.

Все защитные слои покрытий в заявляемом микротвэле ядерного реактора выполнены из карбида кремния, который является радиационно-стойким и жаропрочным конструкционным материалом вплоть до значений флюенсов, характерных для реакторов на быстрых нейтронах. При этом низкоплотный (высокопористый, буферный) и высокоплотный (герметизирующий) слои карбида кремния получены пиролизом соединения, не содержащего хлор, а именно метилсилана. В промышленности для получения карбида кремния широко используется метилтрихлорсилан, при пиролизе которого в качестве побочного продукта выделяется хлористый водород. При взаимодействии хлористого водорода с топливной микросферой происходит образование летучих соединений урана, которые загрязняют все слои защитных покрытий и оборудование. Поэтому для получения первого и второго слоев карбида кремния отсутствие хлора и других галогенов принципиально.All protective coating layers in the inventive microtel of a nuclear reactor are made of silicon carbide, which is a radiation-resistant and heat-resistant structural material up to the fluences characteristic of fast neutron reactors. In this case, the low-density (highly porous, buffering) and high-density (sealing) layers of silicon carbide are obtained by pyrolysis of a chlorine-free compound, namely methylsilane. Methyltrichlorosilane is widely used in industry for the production of silicon carbide, during the pyrolysis of which hydrogen chloride is released as a by-product. The interaction of hydrogen chloride with the fuel microsphere results in the formation of volatile uranium compounds that contaminate all layers of protective coatings and equipment. Therefore, to obtain the first and second layers of silicon carbide, the absence of chlorine and other halogens is essential.

Проведено моделирование экспериментальной конструкции микротвэлов. Возможность такой конструкции подтверждена расчетами, которые были проведены с использованием кода GOLT-v3, разработанного в АО ВНИИНМ (Голубев И.Е., Курбаков С.М., Черников А.С. «Расчетно-экспериментальные исследования пироуглеродных и карбидокремниевых барьеров микротвэлов ВТГР», Атомная Энергия, Том 105, №1, июль 2008, с. 14-25). Код протестирован на задачах, имеющих аналитическое решение, а также верифицирован при бенчмарк-расчетах, проведенных МАГАТЭ в рамках проекта CRP-6 (Tecdoc 1674 «Advances in High-Temperature Gas-Cooled Reactor Fuel Technology», МАГАТЭ, Вена, Австрия, 2012).The simulation of the experimental design of microfuel was carried out. The possibility of such a design is confirmed by calculations that were carried out using the GOLT-v3 code developed by VNIINM JSC (Golubev I.E., Kurbakov S.M., Chernikov A.S. "Calculation and experimental studies of pyrocarbon and silicon carbide barriers of VTGR microfuel" Nuclear Energy, Volume 105, No. 1, July 2008, pp. 14-25). The code was tested on problems with an analytical solution, and also verified during benchmark calculations carried out by the IAEA in the framework of the CRP-6 project (Tecdoc 1674 “Advances in High-Temperature Gas-Cooled Reactor Fuel Technology”, IAEA, Vienna, Austria, 2012) .

Для сравнения были проведены расчеты для двух конструкций МТ:For comparison, calculations were performed for two MT designs:

1) предлагаемая конструкция: топливная микросфера UO2 (диаметр 400 мкм, 20% обогащение по U-235) с нанесенным на нее карбидокремниевым покрытием, состоящим из четырех последовательно осажденных (один за другим) слоев карбида кремния: первый (начиная от микросферы) низкоплотный (буферный) слой - пористый SiC (толщина 100 мкм, плотность 1,0 г/см3), второй слой - высокоплотный SiC (толщина 35 мкм, плотность 2,8 г/см3), третий слой - SiC (толщина 10 мкм, плотность 2,0 г/см3) и четвертый (наружный) слой - высокоплотный β-SiC (толщина 40 мкм, плотность 3,21 г/см3).1) the proposed design: the fuel microsphere UO 2 (diameter 400 μm, 20% enrichment according to U-235) coated with a silicon carbide coating consisting of four sequentially deposited (one after another) layers of silicon carbide: the first (starting from the microsphere) is low-density the (buffer) layer is porous SiC (thickness 100 μm, density 1.0 g / cm 3 ), the second layer is high-density SiC (thickness 35 μm, density 2.8 g / cm 3 ), the third layer is SiC (thickness 10 μm , density 2.0 g / cm 3 ) and the fourth (outer) layer is high-density β-SiC (thickness 40 μm, density 3.21 g / cm 3 ).

2) конструкция прототипа (частица с покрытием типа TRISO): топливная микросфера UO2 (диаметр 400 мкм, 20% обогащение по U-235) с нанесенным на нее четырехслойным покрытием: первый буферный слой - пористый пироуглерод (BPyC, толщина 100 мкм, плотность 1,0 г/см3), второй слой - плотный пироуглерод (IPyC, толщина 35 мкм, плотность 1,85 г/см3), третий - слой из β-SiC (толщина 40 мкм, плотность 3,21 г/см3) и четвертый (наружный) слой - плотный пироуглерод (OPyC, толщина 40 мкм, плотность 1,85 г/см3).2) prototype design (TRISO type coated particle): fuel microsphere UO 2 (diameter 400 μm, 20% enrichment according to U-235) coated with a four-layer coating: the first buffer layer is porous pyrocarbon (BPyC, thickness 100 μm, density 1.0 g / cm 3 ), the second layer is dense pyrocarbon (IPyC, thickness 35 μm, density 1.85 g / cm 3 ), the third layer is a layer of β-SiC (thickness 40 μm, density 3.21 g / cm 3 ) and the fourth (outer) layer is dense pyrocarbon (OPyC, thickness 40 μm, density 1.85 g / cm 3 ).

Расчеты проводились для условий облучения, характерных для высокотемпературных газовых реакторов (ВТГР):The calculations were carried out for the irradiation conditions characteristic of high-temperature gas reactors (HTGR):

- тепловыделение в единичном керне: 0,1 Вт;- heat in a single core: 0.1 W;

- максимальное выгорание: 20% FIMA;- maximum burnup: 20% FIMA;

- максимальный флюенс быстрых нейтронов (Е>0,18 МэВ): 4×1025 м-2;- maximum fast neutron fluence (E> 0.18 MeV): 4 × 10 25 m -2 ;

- максимальная температура топливной микросферы: 1250°C.- maximum temperature of the fuel microsphere: 1250 ° C.

На Фиг. 1 представлены эпюры тангенциальных термических напряжений в начале кампании топлива после вывода на номинальную мощность для двух вариантов МТ. Из приведенных графиков следует, что при начальном разогреве в силовом слое из карбида кремния в покрытии МТ прототипа развиваются растягивающие напряжения, а в предлагаемой конструкции напряжения во внешнем силовом слое SiC сжимающие порядка -64 МПа. Такое распределение напряжений в предлагаемой многослойной конструкции покрытия повышает ее сопротивление действию внутреннего давления газообразных продуктов деления, и, следовательно, увеличивается глубина выгорания топлива.In FIG. Figure 1 shows plots of tangential thermal stresses at the beginning of a fuel campaign after outputting to rated power for two MT variants. From the above graphs it follows that during the initial heating in the power layer of silicon carbide in the coating of the prototype MT, tensile stresses develop, and in the proposed construction, the stresses in the external SiC power layer are of the order of -64 MPa. Such a distribution of stresses in the proposed multilayer coating design increases its resistance to the action of the internal pressure of the gaseous fission products, and, consequently, the burnup depth of the fuel increases.

На Фиг. 2 приведены зависимости от флюенса быстрых нейтронов внутреннего давления, развивающегося под покрытиями МТ в процессе выгорания топлива. Из сравнения полученных кривых для 2-х вариантов следует, что в предлагаемой конструкции МТ конечное значение давления газа в 4 раза ниже, чем в конструкции прототипа, и соответственно увеличивается глубина выгорания топлива.In FIG. Figure 2 shows the dependences on the fluence of fast neutrons of internal pressure that develops under MT coatings during fuel burnout. From a comparison of the obtained curves for the 2 options, it follows that in the proposed design MT the final value of the gas pressure is 4 times lower than in the design of the prototype, and accordingly, the burnup depth of the fuel increases.

На Фиг. 3 приведены зависимости максимальных напряжений в силовых слоях покрытия от флюенса быстрых нейтронов. Из приведенных на этом чертеже графиков следует, что напряжения в МТ прототипа в начале облучения от растягивающих термических быстро переходят в область сжатия, а затем опять в область растяжения и имеют тенденцию к значительному росту по мере выгорания топлива и выхода газообразных продуктов деления из топливной микросферы в буферный слой из пористого SiC. Напротив, в наружном силовом слое из карбида кремния покрытия МТ предлагаемой конструкции напряжения в течение всего расчетного периода находятся в области сжатия и имеют незначительный тренд в сторону роста. Из полученных результатов можно сделать вывод: предлагаемая конструкция МТ перспективна для использования в реакторах как на тепловых, так и на быстрых нейтронах.In FIG. Figure 3 shows the dependences of the maximum stresses in the power layers of the coating on the fluence of fast neutrons. From the graphs shown in this drawing, it follows that the stresses in the MT of the prototype at the beginning of irradiation from tensile thermal ones quickly move to the compression region, and then again to the tension region and tend to increase significantly as the fuel burns out and the gaseous fission products leave the fuel microsphere in porous SiC buffer layer. On the contrary, in the outer silicon carbide power layer, the MT coatings of the proposed design stresses are in the compression region during the entire calculation period and have a slight upward trend. From the obtained results we can conclude: the proposed MT design is promising for use in both thermal and fast neutron reactors.

На Фиг. 4 приведена фотография низкоплотного слоя карбида кремния.In FIG. Figure 4 shows a photograph of a low-density silicon carbide layer.

На Фиг. 5 приведена фотография высокоплотного слоя карбида кремния, осажденного на низкоплотный слой карбида кремния.In FIG. Figure 5 shows a photograph of a high-density silicon carbide layer deposited on a low-density silicon carbide layer.

Для изучения режимов осаждения низкоплотного и высокоплотного слоев были проведены исследования по изучению пиролиза метилсилан-аргоновой смеси при различных температурах с последующим изучением свойств полученных покрытий. Полученные результаты приведены в таблице 1.To study the deposition modes of low-density and high-density layers, studies were carried out to study the pyrolysis of methylsilane-argon mixture at various temperatures, followed by studying the properties of the coatings obtained. The results are shown in table 1.

По результатам экспериментов для первого, низкоплотного, слоя покрытия выбран режим, соответствующий экспериментам №№5-7. Полученные в этих экспериментах слои имеют хорошую прочность и достаточный объем пор для локальной емкости. Как при более низкой температуре пиролиза метилсилана (эксперимент №4), так и при более высокой (выше 1300°C) получают непрочные покрытия. Для второго, высокоплотного (газонепроницаемого), слоя выбран режим, соответствующий эксперименту №2. При температурах пиролиза метилсилана ниже 750°C скорость осаждения слоя становится слишком низкой, а при температурах выше 800°C слой становится газопроницаемым. Третий слой покрытия наносят по режиму эксперимента №8. Четвертый слой покрытия получают согласно условиям, приведенным в эксперименте №9, что соответствуют получению высокоплотного карбида кремния в покрытиях типа TRISO (патент DE №2626446, МПК 7 С23С 11/02). В экспериментах №3 и 4 получены очень непрочные и хрупкие покрытия, вероятно, это связанно с получением переходной структуры карбида кремния, содержащей смесь плотной и низкоплотной составляющей. Концентрация метилсилана в пиролизной смеси влияет на плотность покрытия, так, при получении низкоплотного слоя она должна быть в пределах 5-15% (при концентрации ниже 5% покрытие содержит мало пор, а выше 15% покрытие непрочно). При получении второго высокоплотного слоя концентрация метилсилана не должна быть выше 10%, в противном случае покрытие становится газопроницаемым. Для третьего слоя карбида кремния концентрация метилсилана не должна быть выше 5%, в противном случае получают слишком низкоплотное покрытие.According to the results of the experiments, for the first, low-density coating layer, the regime corresponding to experiments No. 5-7 was selected. The layers obtained in these experiments have good strength and sufficient pore volume for a local capacitance. Both at a lower pyrolysis temperature of methylsilane (experiment No. 4) and at a higher (above 1300 ° C), weak coatings are obtained. For the second, high-density (gas-tight) layer, the regime corresponding to experiment No. 2 was selected. At methylsilane pyrolysis temperatures below 750 ° C, the deposition rate of the layer becomes too low, and at temperatures above 800 ° C the layer becomes gas permeable. The third coating layer is applied according to the experimental mode No. 8. The fourth coating layer is obtained according to the conditions given in experiment No. 9, which corresponds to the production of high-density silicon carbide in TRISO type coatings (DE patent No. 2626446, IPC 7 C23C 11/02). In experiments No. 3 and 4, very fragile and brittle coatings were obtained, probably this is due to the transition structure of silicon carbide containing a mixture of a dense and low-density component. The concentration of methylsilane in the pyrolysis mixture affects the density of the coating, so when receiving a low-density layer it should be in the range of 5-15% (at a concentration below 5%, the coating contains few pores, and above 15% the coating is fragile). Upon receipt of the second high-density layer, the concentration of methylsilane should not be higher than 10%, otherwise the coating becomes gas permeable. For the third layer of silicon carbide, the concentration of methylsilane should not be higher than 5%, otherwise too low-density coating is obtained.

Figure 00000001
Figure 00000001

Первый низкоплотный (буферный) слой карбида кремния наносят непосредственно на оксидную топливную микросферу, он, являясь локальным объемом для продуктов деления и распухающего топливного ядра, также выполняет функции геттера кислорода. Выделяющийся при работе оксидного топлива кислород связывается в твердое соединение, SiC+2O→SiO2+С, в результате чего достигается максимальное снижение давление окиси углерода, создающей растягивающие напряжения в слоях покрытия микросферы. Также непосредственный контакт карбида кремния с топливной микросферой позволяет связывать некоторые агрессивные к высокоплотным слоям покрытия твердые продукты деления, например получить устойчивые, тугоплавкие (1950°C) и не поддающиеся диффузии соединения палладия (U-Si-Pd-C). На сканирующем электронном микроскопе выполнены снимки низкоплотного слоя карбида кремния (фиг. 4) и высокоплотного слоя карбида кремния, осажденного на низкоплотный (фиг. 5).The first low-density (buffer) layer of silicon carbide is applied directly to the oxide fuel microsphere; it, being a local volume for fission products and a swelling fuel core, also acts as an oxygen getter. Oxygen released during the operation of oxide fuel binds to a solid compound, SiC + 2O → SiO 2 + С, as a result of which the maximum decrease in the pressure of carbon monoxide is achieved, which creates tensile stresses in the coating layers of the microsphere. Also, direct contact of silicon carbide with the fuel microsphere allows one to bind some solid fission products that are aggressive to high-density coating layers, for example, to obtain stable, refractory (1950 ° C) and diffusion-resistant palladium compounds (U-Si-Pd-C). Using a scanning electron microscope, pictures were taken of a low-density layer of silicon carbide (Fig. 4) and a high-density layer of silicon carbide deposited on a low-density (Fig. 5).

Второй слой высокоплотного газонепроницаемого карбида кремния герметизирует низкоплотный (буферный) слой, не допуская выхода газообразных продуктов деления при работе микротвэла и предотвращая проникновение хлористого водорода к топливной микросфере при нанесении слоя карбида кремния из метилтрихлорсилана. При нанесении высокоплотного карбида кремния на пористый слой часть его проникает в поры. Таким образом, создается плавный переход от пористого слоя к плотному. Такой переход снижает механические напряжения, вызванные изменением температуры и радиационными изменениями в слоях различной структуры.The second layer of high-density gas-tight silicon carbide seals the low-density (buffer) layer, preventing the release of gaseous fission products during the operation of the microfuel and preventing the penetration of hydrogen chloride to the fuel microsphere when applying a layer of silicon carbide from methyltrichlorosilane. When applying high-density silicon carbide to a porous layer, part of it penetrates into the pores. Thus, a smooth transition is created from the porous layer to the dense. Such a transition reduces mechanical stresses caused by temperature changes and radiation changes in layers of various structures.

Третий слой карбида кремния является прослойкой между двумя плотными слоями карбида кремния, снимая механические напряжения, вызванные различной структурой этих слоев, и не допуская развития сквозной трещины.The third layer of silicon carbide is a layer between two dense layers of silicon carbide, relieving mechanical stresses caused by the different structure of these layers, and preventing the development of a through crack.

Четвертый наружный высокоплотный слой карбида кремния наносят по технологии, применяемой во всех покрытиях типа TRISO.The fourth outer high-density layer of silicon carbide is applied according to the technology used in all coatings of the TRISO type.

Примеры осуществления технического решения.Examples of the technical solution.

Пример 1Example 1

Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1100°C, при расходе аргона 800 л/ч засыпают партию топливных микросфер, после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.The apparatus for coating in a fluidized bed is heated to a temperature of 1100 ° C, with an argon flow rate of 800 l / h, a batch of fuel microspheres is poured, after which a pyrolysis gas mixture is fed instead of argon.

Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 30 минут. Второй высокоплотный слой получают подачей смеси метилсилана с аргоном при концентрации метилсилана 2 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 800°C, время осаждения слоя составляет 60 минут. Третий слой карбида кремния осаждают пиролизом из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 10 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.% и расходе водорода на псевдоожижение 900 л/ч при температуре 1500°C, время осаждения слоя составляет 120 минут.The first low-density layer is applied by pyrolysis of a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of 5 vol% and a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 1100 ° C, the deposition time of the layer is 30 minutes. The second high-density layer is obtained by feeding a mixture of methylsilane with argon at a methylsilane concentration of 2 vol% and a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 800 ° C, the deposition time of the layer is 60 minutes. The third layer of silicon carbide is precipitated by pyrolysis from a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of 5 vol% and a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 1100 ° C, the deposition time of the layer is 10 minutes. The fourth high-density layer is deposited from methyltrichlorosilane vapor in a hydrogen atmosphere at a concentration of methyltrichlorosilane 1.2-1.5 vol.% And a hydrogen flow rate of 900 l / h for fluidization at a temperature of 1500 ° C, the deposition time of the layer is 120 minutes.

Пример 2Example 2

Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1300°C, при расходе аргона 800 л/ч засыпают партию топливных микросфер, после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.The apparatus for coating in a fluidized bed is heated to a temperature of 1300 ° C, with an argon flow rate of 800 l / h, a batch of fuel microspheres is poured, after which a pyrolysis gas mixture is fed instead of argon.

Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1300°C, время осаждения слоя составляет 20 минут. Второй высокоплотный слой получают подачей смеси метилсилана с аргоном при концентрации метилсилана 10 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 800°C, время осаждения слоя составляет 30 минут. Третий слой карбида кремния осаждают пиролизом из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 2 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 20 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.% и расходе водорода на псевдоожижение 900 л/ч при температуре 1500°C, время осаждения слоя составляет 120 минут.The first low-density layer is applied by pyrolysis of a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of 5 vol% and a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 1300 ° C, the deposition time of the layer is 20 minutes. The second high-density layer is obtained by feeding a mixture of methylsilane with argon at a methylsilane concentration of 10 vol.% And a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 800 ° C, the deposition time of the layer is 30 minutes. The third layer of silicon carbide is precipitated by pyrolysis from a mixture of methylsilane and argon at a concentration of methylsilane of 2 vol% and a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 1100 ° C, the deposition time of the layer is 20 minutes. The fourth high-density layer is deposited from methyltrichlorosilane vapor in a hydrogen atmosphere at a concentration of methyltrichlorosilane 1.2-1.5 vol.% And a hydrogen flow rate of 900 l / h for fluidization at a temperature of 1500 ° C, the deposition time of the layer is 120 minutes.

Пример 3Example 3

Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1100°C, при расходе аргона 800 л/ч засыпают партию топливных микросфер, после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.The apparatus for coating in a fluidized bed is heated to a temperature of 1100 ° C, with an argon flow rate of 800 l / h, a batch of fuel microspheres is poured, after which a pyrolysis gas mixture is fed instead of argon.

Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 15 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 10 минут. Второй высокоплотный слой получают подачей смеси метилсилана с аргоном при концентрации метилсилана 10 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 800°C, время осаждения слоя составляет 30 минут. Третий слой карбида кремния осаждают пиролизом из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 10 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.% и расходе водорода на псевдоожижение 900 л/ч при температуре 1500°C, время осаждения слоя составляет 120 минут.The first low-density layer is applied by pyrolysis of a mixture of methylsilane and argon at a concentration of methylsilane of 15 vol% and a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 1100 ° C, the deposition time of the layer is 10 minutes. The second high-density layer is obtained by feeding a mixture of methylsilane with argon at a methylsilane concentration of 10 vol.% And a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 800 ° C, the deposition time of the layer is 30 minutes. The third layer of silicon carbide is precipitated by pyrolysis from a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of 5 vol% and a total gas flow of 900 l / h at a temperature of 1100 ° C, the deposition time of the layer is 10 minutes. The fourth high-density layer is deposited from methyltrichlorosilane vapor in a hydrogen atmosphere at a concentration of methyltrichlorosilane 1.2-1.5 vol.% And a hydrogen flow rate of 900 l / h for fluidization at a temperature of 1500 ° C, the deposition time of the layer is 120 minutes.

Пример 4Example 4

Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1100°C, при расходе аргона 800 л/ч засыпают партию топливных микросфер, после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.The apparatus for coating in a fluidized bed is heated to a temperature of 1100 ° C, with an argon flow rate of 800 l / h, a batch of fuel microspheres is poured, after which a pyrolysis gas mixture is fed instead of argon.

Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 10 об.% и температуре 1100°C. Суммарный расход газов - 900 л/ч. Время осаждения слоя составляет 15 минут. Второй высокоплотный слой получают пиролизом смеси метилсилана с аргоном при концентрации метилсилана 10 об.% и температуре 800°C. Суммарный расход газов - 900 л/ч. Время осаждения - 30 минут. Третий слой карбида кремния осаждают пиролизом из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и температуре 1100°C. Суммарный расход газов - 900 л/ч. Время осаждения - 10 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.% и температуре 1500°C. Расход водорода на псевдоожижение составляет 900 л/ч. Время осаждения - 120 минут.The first low-density layer is applied by pyrolysis of a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of 10 vol% and a temperature of 1100 ° C. The total gas consumption is 900 l / h. The deposition time of the layer is 15 minutes. The second high-density layer is obtained by pyrolysis of a mixture of methylsilane with argon at a concentration of methylsilane of 10 vol.% And a temperature of 800 ° C. The total gas consumption is 900 l / h. The deposition time is 30 minutes. A third layer of silicon carbide is precipitated by pyrolysis from a mixture of methylsilane and argon at a methylsilane concentration of 5 vol% and a temperature of 1100 ° C. The total gas consumption is 900 l / h. The deposition time is 10 minutes. The fourth high-density layer is precipitated from methyltrichlorosilane vapor in a hydrogen atmosphere at a concentration of methyltrichlorosilane 1.2-1.5 vol.% And a temperature of 1500 ° C. The flow rate of hydrogen for fluidization is 900 l / h. The deposition time is 120 minutes.

Таким образом, разработан способ получения микротвэлов ядерного реактора, имеющих стойкое к высокому флюенсу нейтронов карбидокремниевое защитное покрытие. В заявляемом способе производства микротвэлов не используются пироуглеродные слои покрытий, а значит, отпадает проблема с обеспечением изотропности слоев покрытий и не образуется сажа, загрязняющая технологическое оборудование. В заявляемом способе при осаждении слоев защитных покрытий не используются пожаро- и взрывоопасные углеводороды. Улучшена технологичность производства микротвэлов, так как при проведении пиролиза используются только двухкомпонентные смеси газов. Полученные по заявляемому способу микротвэлы способны (за счет первого низкоплотного слоя) связывать выделяющийся при работе оксидного топлива кислород, обеспечивая, таким образом, низкое давление газообразных продуктов деления и окиси углерода внутри микротвэла, а соответственно и повышенный ресурс работы микротвэлов в ядерном реакторе.Thus, a method has been developed for the production of microfuel in a nuclear reactor having a silicon carbide protective coating that is resistant to high neutron fluence. In the inventive method for the production of microfuel, pyrocarbon coating layers are not used, which means that there is no problem with ensuring the isotropy of the coating layers and soot does not form, polluting the processing equipment. In the inventive method when the deposition of layers of protective coatings are not used fire and explosive hydrocarbons. The manufacturability of microfuel production has been improved since only two-component gas mixtures are used during pyrolysis. The microfuel obtained by the present method is able (due to the first low-density layer) to bind the oxygen released during the operation of the oxide fuel, thus providing a low pressure of gaseous fission products and carbon monoxide inside the microfuel, and, accordingly, an increased service life of the microfuel in a nuclear reactor.

Claims (5)

1. Способ изготовления микротвэлов ядерного реактора, заключающийся в последовательном осаждении на топливную микросферу пиролизом смеси газов в кипящем слое низкоплотного, высокоплотного, слоя карбида кремния и наружного высокоплотного слоев покрытий, отличающийся тем, что низкоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5-15 об.%, высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 10 об.%, слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 5 об.%, наружный высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилтрихлорсилана и водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.%.1. A method of manufacturing a microfuel of a nuclear reactor, which consists in sequentially depositing a mixture of gases in a fluidized bed of a low-density, high-density layer of silicon carbide and an outer high-density coating layer on the fuel microsphere by pyrolysis, characterized in that the low-density layer of silicon carbide is deposited from a mixture of methylsilane and argon at a concentration methylsilane 5-15 vol.%, a high-density layer of silicon carbide precipitated from a mixture of methylsilane and argon at a concentration of methylsilane not more than 10 vol.%, a layer of silicon carbide precipitated from cm If methylsilane and argon are present at a methylsilane concentration of not more than 5 vol.%, the outer high-density layer of silicon carbide is precipitated from a mixture of methyltrichlorosilane and hydrogen at a concentration of methyltrichlorosilane 1.2-1.5 vol.%. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что низкоплотный слой осаждают при температуре 1100-1300°C.2. The method according to p. 1, characterized in that the low-density layer is precipitated at a temperature of 1100-1300 ° C. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокоплотный слой осаждают при температуре 750-800°C.3. The method according to p. 1, characterized in that the high-density layer is precipitated at a temperature of 750-800 ° C. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой карбида кремния осаждают при температуре 1050-1150°C.4. The method according to p. 1, characterized in that the silicon carbide layer is deposited at a temperature of 1050-1150 ° C. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наружный высокоплотный слой осаждают при температуре 1500°C. 5. The method according to p. 1, characterized in that the outer high-density layer is precipitated at a temperature of 1500 ° C.
RU2015126190/07A 2015-06-30 2015-06-30 Method of making nuclear reactor pebbles RU2603020C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015126190/07A RU2603020C1 (en) 2015-06-30 2015-06-30 Method of making nuclear reactor pebbles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015126190/07A RU2603020C1 (en) 2015-06-30 2015-06-30 Method of making nuclear reactor pebbles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2603020C1 true RU2603020C1 (en) 2016-11-20

Family

ID=57760236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015126190/07A RU2603020C1 (en) 2015-06-30 2015-06-30 Method of making nuclear reactor pebbles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2603020C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3992258A (en) * 1974-01-07 1976-11-16 Westinghouse Electric Corporation Coated nuclear fuel particles and process for making the same
US4342284A (en) * 1976-06-12 1982-08-03 Loeser Harald Process for the coating of particles for the production of fuel and/or absorbing elements for nuclear reactors and apparatus therefor
US4459338A (en) * 1982-03-19 1984-07-10 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method of deposition of silicon carbide layers on substrates and product
RU2328781C1 (en) * 2006-12-18 2008-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч" Coated fuel particle of nuclear reactor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3992258A (en) * 1974-01-07 1976-11-16 Westinghouse Electric Corporation Coated nuclear fuel particles and process for making the same
US4342284A (en) * 1976-06-12 1982-08-03 Loeser Harald Process for the coating of particles for the production of fuel and/or absorbing elements for nuclear reactors and apparatus therefor
US4459338A (en) * 1982-03-19 1984-07-10 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method of deposition of silicon carbide layers on substrates and product
RU2328781C1 (en) * 2006-12-18 2008-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч" Coated fuel particle of nuclear reactor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Avincola et al. Oxidation at high temperatures in steam atmosphere and quench of silicon carbide composites for nuclear application
JP6693891B2 (en) Nuclear fuel structure and method of making nuclear fuel structure
Katoh et al. Current status and recent research achievements in SiC/SiC composites
KR102338164B1 (en) Improving the toughness of microencapsulated nuclear fuel
US9754687B2 (en) ALD coating of nuclear fuel actinides materials
JP2022527222A (en) Modified polymer-derived ceramics for additive manufacturing, additive manufacturing using it, and ceramics produced thereby.
Tao et al. Fabrication of highly dense three‐layer SiC cladding tube by chemical vapor infiltration method
RU2603020C1 (en) Method of making nuclear reactor pebbles
JP2013521494A (en) Fuel material and method for producing fuel material
RU2328783C1 (en) Coated fuel particle of nuclear reactor
RU2333553C1 (en) Particle fuel element of nuclear reactor
RU2603358C1 (en) Method of making nuclear reactor microfuel rods
KR102646971B1 (en) fuel pellets
RU2300818C1 (en) Method for producing nuclear reactor fuel microelements
RU2369925C1 (en) Coated fuel particle for nuclear reactor
RU2603018C1 (en) Nuclear reactor pebble
Bratten et al. High‐temperature oxidation behavior of the SiC layer of TRISO particles in low‐pressure oxygen
RU153879U1 (en) MICROTEL NUCLEAR REACTOR
RU2567507C1 (en) Nuclear reactor fuel microelement
RU2333552C1 (en) Particle fuel element with three-layer protective coating of fuel microsphere
RU2333555C1 (en) Particle fuel element of nuclear reactor
US20240062925A1 (en) Triso architecture for palladium and silicon carbide interaction mitigation
RU2382423C2 (en) Coated fuel particle for fast neutron reactor
McHugh et al. High temperature steam corrosion of cladding for nuclear applications: experimental
RU2387030C1 (en) Minute particle of light-water nuclear reactor