Резервуар для плавки материалов активной зоны ядерного реактора

 

Изобретение относится к ядерной технике и связано с проблемой повышения безопасности работы ядерных реакторов. Резервуар может быть использован в качестве тигля для расплавления образцов кориума и удержания расплава в ходе экспериментов, моделирующих тяжелые аварии реакторов (например, ВВЗР). Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание резервуара, в котором отсутствует попадание в расплав вещества, содержащегося в стенке резервуара, приводящее к изменению состава и свойств кориума. Для этого предлагается защитное покрытие на внутренней поверхности графитовой емкости резервуара выполнять в виде наружного слоя из вольфрама и внутреннего слоя из тантала. Технический результат заключается в том, что выполнение наружного слоя покрытия из вольфрама исключает попадание в расплав вещества из стенки резервуара, а выполнение внутреннего слоя из тантала обеспечивает защиту наружного слоя от разрушения в результате взаимодействия вольфрама с углеродом графитовой емкости при высокой рабочей температуре стенки резервуара. 1 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и связано с проблемой повышения безопасности работы ядерных реакторов, например ВВЭР. Резервуар может быть использован в качестве тигля индукционной печи для расплавления вещества активной зоны ядерного реактора (кориума) и удержания расплава для излучения его свойства в экспериментах, модулирующих тяжелые аварии реактора.

Известен резервуар, выполненный целиком из тугоплавкого металла, используемый в качестве испарителя в камере вакуумного напыления тонких пленок (А. С. N 208408, МПК C 23 C 14/26, 1968).

Недостатком резервуара из тугоплавкого металла (в частности, из вольфрама) является его высокая стоимость и сложность изготовления, что особенно проявляется в случае, когда резервуар должен быть достаточно массивным, для того чтобы вмещать десятки и сотни килограммов рабочего вещества.

Известен резервуар из графита, внутренняя поверхность которого выполнена из тугоплакого материала, используемый в качестве термического испарителя вакуумных установок (А.С. N 485175, МПК C 23 C 14/26, 1975).

Недостатком резервуара из графита с покрытием на внутренней поверхности, выполненным из тугоплавкого материала, является трудность выбора материала покрытия стойкого одновременно к расплавляемому веществу и к графиту при температуре более 2500^oC.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание резервуара для плавки материалов активной зоны ядерного реактора, в котором отсутствует попадание в расплав вещества из стенки резервуара, приводящее к изменению состава и свойств кориума.

Для решения поставленной задачи предлагается резервуар для плавки материалов активной зоны ядерного реактора, представляющий собой емкость из графита и имеющий защитное покрытие на внутренней поверхности, выполненное в виде наружного слоя из вольфрама и внутреннего слоя из тантала. Выполнение емкости резервуара из графита позволяет использовать индукционный нагрев для плавки.

Выполнение наружного слоя покрытия из вольфрама исключает попадание в расплав веществ из покрытия резервуара. При этом выполнение внутреннего слоя покрытия из тантала обеспечивает защиту наружного слоя от разрушения в результате взаимодействия вольфрама с углеродом графитовой емкости при высокой рабочей температуре стенки резервуара.

На чертеже показано сечение резервуара. Стенка резервуара образована емкостью из графита - 1 и защитным покрытием - 2. Покрытие - 2 состоит из наружного слоя из вольфрама - 3 и внутреннего слоя из тантала - 4.

Наружный слой покрытия резервуара из тугоплавкого и химически стойкого к расплаву вольфрама (T_пл = 3490^oC) исключает попадание в расплав веществ из покрытия резервуара.

Внутренний слой покрытия из тантала защищает наружный слой от разрушения в результате взаимодействия вольфрама с углеродом графитовой емкости, так как при контакте углерод быстро диффундирует в вольфрам (при температуре 2320^oC и времени контакта 45 мин происходит насыщение углеродом прутка вольфрама диаметром 5 мм (Взаимодействие углерода с тугоплавкими металлами. М. : Металлургия, 1974 г) и, растворяясь в нем, не только понижает температуру плавления раствора до 2710^oC, но и недопустимо снижает прочность материала и соответственно изделия.

Благодаря тому, что коэффициент диффузии углерода в тантал на порядок меньше коэффициента диффузии в вольфрам, науглероживание внутреннего слоя покрытия происходит достаточно медленно (углерод диффундируя в тантал понижает температуру плавления твердого раствора до 2830^oC (Ниобий и тантал. М.: Металлургия, 1990 г).

Кроме того, после насыщения танталового слоя углеродом, дальнейшая диффузия углерода из него в вольфрамовый слой замедляется, что объясняется, по-видимому, термодинамическими условиями на границе тантал-вольфрам (система тантал-вольфрам выше линии солидуса образует твердый раствор с температурой плавления выше температуры плавления тантала (T_пл = 3014^oC) (Заликман А.Н., Никитина Л.С. Вольфрам. М.: Металлургия, 1978 г).

Поэтому предлагаемый резервуар способен выдерживать температуру стенки 2800^oC в течение времени, достаточном для плавления и удержания в ходе экспериментов кориума ядерного реактора типа ВВЭР, имеющего состав: UO₂ (70-80%), Zr (0-5%), ZrO₂ (остальное).

Температура плавления кориума такого состава в зависимости от степени окисления в нем циркония находится в диапазоне от 2350 до 2550^oC. Запас по температуре позволяет проводить плавку образцов кориума большой массы (сотни килограмм) в печи с индукционном нагревом, когда трудно обеспечить изотермический нагрев.

Пример.

Для испытания был изготовлен резервуар, выполненный в виде цилиндрического сегмента с внутренними размерами: радиус - 410 мм, ширина - 116 мм. Емкость резервуара была сделана из графита марки ГМЗ, слои покрытия - из листового вольфрама (чистота 99,9%) и листового тантала (чистота 99,9%). Толщина стенки графитовой емкости составляла 50 мм, толщина наружного слоя покрытия из вольфрама - 2 мм, толщина внутреннего слоя покрытия из тантала - 3 мм.

Резервуар с шихтой состава UO₂ (82%), Zr (13%), ZrO₂ (5%) массой 200 кг. Помещался в индукционную печь с нагревателями из графита и атмосферой из инертного аргона.

Плавление кориума при нагревании стенки резервуара до температуры 2800^oC и последующее удержание расплава в течение трех часов показало работоспособность и надежность предлагаемого резервуара.

Формула изобретения

Резервуар для плавки материалов активной зоны ядерного реактора, представляющий собой емкость из графита и имеющий защитное покрытие на внутренней поверхности, выполненное в виде наружного слоя из вольфрама и внутреннего слоя из тантала.

РИСУНКИ

Рисунок 1