RU2688086C1 - Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония - Google Patents
Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония Download PDFInfo
- Publication number
- RU2688086C1 RU2688086C1 RU2018145299A RU2018145299A RU2688086C1 RU 2688086 C1 RU2688086 C1 RU 2688086C1 RU 2018145299 A RU2018145299 A RU 2018145299A RU 2018145299 A RU2018145299 A RU 2018145299A RU 2688086 C1 RU2688086 C1 RU 2688086C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- zirconium
- alloy
- absorption
- thermal neutrons
- samarium
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 15
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 14
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- KZUNJOHGWZRPMI-UHFFFAOYSA-N samarium atom Chemical compound [Sm] KZUNJOHGWZRPMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 5
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 7
- 239000002915 spent fuel radioactive waste Substances 0.000 abstract description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000012857 radioactive material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000004173 sunset yellow FCF Substances 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004236 Ponceau SX Substances 0.000 description 1
- 229910000612 Sm alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000004193 disodium 5'-ribonucleotide Substances 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C16/00—Alloys based on zirconium
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
- G21C3/07—Casings; Jackets characterised by their material, e.g. alloys
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C7/00—Control of nuclear reaction
- G21C7/06—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section
-
- 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности для изготовления специального оборудования для влажного и сухого хранения отработанного ядерного топлива и его транспортировки. Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония содержит, вес.%: ниобий 0,9-1,1; самарий 0,5-5,0; гафний 0,5-2,5; цирконий и примеси остальное. Сплав характеризуется высоким уровнем поглощения тепловых нейтронов при сохранении эксплуатационной надежности. 2 табл.
Description
Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. В частности, для изготовления специального оборудования для влажного и сухого хранения отработанного ядерного топлива и его транспортировки.
На сегодня, в отечественной промышленности для этих целей применяется сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф), (см. а.с. СССР №1122009, 1983 г., а также описание к патенту РФ №2483132, 2013 г.). За рубежом, сталь «БОРОН-304» (БССК, Англия). С 2008 года - алюминиевый сплав «Metamic™» (Holtec International, США). Все эти материалы обладают свойством поглощения тепловых нейтронов, за счет наличия в из составе в определенных пропорциях бора и его изотопа 10В.
Переход к новым типам ядерного топлива, более перспективным с точки зрения энергетики, предъявляет повышенные требования к материалу с поглощающими свойствами. Увеличение в процентном соотношении бора в названных металлах, существенно их охрупчивает, что делает их не пригодными в технологической переработке. Это общее свойство боридов, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами, что в целом обеспечивает безопасность хранения отработанного ядерного топлива.
Известен сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана (патент РФ №2519063, БИ №16, 2014 г.). Здесь для увеличения поглощающих свойств известного сплава титана ПТ7М, добавляют в состав редкоземельный элемент - самарий, обладающий большим сечением захвата тепловых нейтронов (для природных изотопов: 149Sm ~ 50000⋅10-28 м2, 152Sm ~ 5600⋅10-28 м2, 154Sm ~ 5600⋅10-28 м2). Соответственно для бора: 10В ~ 3838⋅10-2 м2, 11B ~ 757-10-28 м2 (см. Справочник: свойства элементов / По ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом. «Руда и Металлы», 2005).
Недостатком этого сплава является способность титановой основы - матрицы поглощать водород из воздуха, особенно интенсивно при повышении температуры окружающей среды. Что приводит к охрупчиванию металла, его к растрескиванию со временем его эксплуатации. Это не допустимо в изделиях при сухом хранении отработанного ядерного топлива.
Наиболее близкий к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе циркония (сплав Э110, ТУ95.166-83), который также применяется в атомной энергетике. Химический состав сплава Э110, вес. %:
Ниобий 0,9-1,1;
Цирконий и примеси остальное.
Содержание примесей представлено в табл. 1.
Поставленная цель достигается тем, что в известный сплав Э110 на основе циркония, добавляют редкоземельный элемент - самарий, в объеме, вес. %: (0,5-5,0), при этом увеличивается присутствие гафния в пределах вес. %: (0,5-2,5). Содержание примесей представлено табл. 2, где элемент гафний исключен из примесей и переведен в разряд состава сплава.
В атомной энергетике цирконий, благодаря высоким коррозионным свойствам, малому поперечному сечению захвата тепловых нейтронов, хорошим механическим свойствам и высокой жаропрочности, используют более пятидесяти лет для оболочек тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах. Одна из проблем применения циркония в ядерной энергетике в качестве материала для оболочки тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) и других активной зоны реактора, это очистка циркония от примеси гафния. Последний имеет достаточно высокое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов (в среднем ~ 300⋅10-28 м2), по сравнению с цирконием ~ 0,18⋅10-28 м2, алюминием ~ 0,21⋅10-28 м2, титаном ~ 8,3⋅10-28 м2, ниобием ~ 1,1⋅10-28 м2, А так как цель изобретения - создание материала с высокой поглощающей способностью, в отличие от твельного варианта, содержание гафния в пределах технологической доступности (0,5-2,5)%, существенно снижает себестоимость заявленного материала.
Диапазон содержания в сплаве самария обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 0,5% - сплав не обеспечивает необходимый уровень поглощения, более 5% - повышается себестоимость сплава. Отметим, при выплавке циркониевого сплава, допускается добавление в его состав не только технически чистого самария, изготовленного по ТУ48-4-207-72, но и оксиды Sm2O3, гидриды SmH2, SmH3. При сплавлении самария с цирконием, образуется интерметаллическое соединение с высокими эксплуатационными свойствами. При этом, в отличие от бора, самарий не охрупчивает сплав, а существенно увеличивает его поглощающиеся возможности.
Промышленное производство циркониевых сплавов (Э635, Э110, Э125) с пониженным содержанием гафния, а также изделия из них (прутки, трубы, листы…) освоено на АО «Чепецкий механический завод», г. Глазов (www.chmz.net).
Claims (2)
- Сплав на основе циркония для поглощения тепловых нейтронов, содержащий ниобий, цирконий и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит самарий и гафний при следующем содержании компонентов, вес. %:
-
Ниобий 0,9-1,1 Самарий 0,5-5,0 Гафний 0,5-2,5 Цирконий и примеси остальное
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145299A RU2688086C1 (ru) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145299A RU2688086C1 (ru) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2688086C1 true RU2688086C1 (ru) | 2019-05-17 |
Family
ID=66579093
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018145299A RU2688086C1 (ru) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2688086C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022255899A1 (ru) | 2021-05-31 | 2022-12-08 | Акционерное Общество "Твэл" | Тепловыделяющий элемент водо-водяного энергетического ядерного реактора |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5076488A (en) * | 1989-09-19 | 1991-12-31 | Teledyne Industries, Inc. | Silicon grain refinement of zirconium |
| RU2227171C1 (ru) * | 2002-12-23 | 2004-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара" | Цирконий-ниобиевый кислородсодержащий сплав и способ его получения |
| RU2342450C2 (ru) * | 2006-10-27 | 2008-12-27 | Открытое акционерное общество "Композит" | Сплав на основе циркония |
| US8795441B2 (en) * | 2006-04-26 | 2014-08-05 | Smith & Nephew, Inc. | Reworking of surface oxidized and nitrided components |
| US8989339B2 (en) * | 2010-11-08 | 2015-03-24 | Hitachi, Ltd. | Zirconium alloy material |
-
2018
- 2018-12-20 RU RU2018145299A patent/RU2688086C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5076488A (en) * | 1989-09-19 | 1991-12-31 | Teledyne Industries, Inc. | Silicon grain refinement of zirconium |
| RU2227171C1 (ru) * | 2002-12-23 | 2004-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара" | Цирконий-ниобиевый кислородсодержащий сплав и способ его получения |
| US8795441B2 (en) * | 2006-04-26 | 2014-08-05 | Smith & Nephew, Inc. | Reworking of surface oxidized and nitrided components |
| RU2342450C2 (ru) * | 2006-10-27 | 2008-12-27 | Открытое акционерное общество "Композит" | Сплав на основе циркония |
| US8989339B2 (en) * | 2010-11-08 | 2015-03-24 | Hitachi, Ltd. | Zirconium alloy material |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022255899A1 (ru) | 2021-05-31 | 2022-12-08 | Акционерное Общество "Твэл" | Тепловыделяющий элемент водо-водяного энергетического ядерного реактора |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106489180B (zh) | 用于聚变反应堆的屏蔽材料 | |
| JP6961719B2 (ja) | 核燃料ペレット、燃料棒、および燃料アセンブリ | |
| CN103409661A (zh) | 用于反应堆核燃料组件的锆铌合金 | |
| RU2688086C1 (ru) | Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония | |
| RU2419897C1 (ru) | Топливный сердечник тепловыделяющего элемента | |
| RU2697675C1 (ru) | Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе алюминия | |
| JPS6270799A (ja) | 核放射線吸収材 | |
| Davis et al. | The impact of hydrogen in a fusion reactor environment on titanium alloys | |
| Filburn et al. | Nuclear Fuel, Cladding, and the “Discovery” of Zirconium | |
| RU2698309C1 (ru) | Композиционный материал на основе алюминия (варианты) и изделие из него | |
| CN102251149A (zh) | 一种核反应堆包壳材料用锆-锡-铌系锆合金 | |
| Zuyok et al. | Assessment of the corrosion resistance of the main alternative materials for light water reactors tolerant fuel rod cladding | |
| US7187744B2 (en) | Method of providing a nuclear fuel and a fuel element provided by such a method | |
| Dragunov et al. | Investigation of thermophysical and nuclear properties of prospective coolants for generation-IV nuclear reactors | |
| US9384862B2 (en) | Method of fabricating liquid-metal coolants for nuclear reactors | |
| US3004849A (en) | Zirconium alloys | |
| Tulenko | Nuclear Reactor Materials and Fuels | |
| Vazquez et al. | Mechanical tests and microstructural characterization of hydrided Zr-1 wt% Nb | |
| US3119687A (en) | Radiation resistant steel | |
| US3188202A (en) | Aluminum-plutonium alloys | |
| CN105483444B (zh) | 核电站燃料包壳用锆铌铁系合金 | |
| US3480430A (en) | Zirconium alloy | |
| KR102124517B1 (ko) | 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로 | |
| Okunev | A systematic approach to minimizing the corrosion rate of structural materials in lead-cooled fast reactors | |
| Kim et al. | Fabrication of UO2 fuel pellet containing Mo metallic channel |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201221 |