Нейтронопоглощающий материал на основе оксида диспрозия

 

Изобретение относится к ядерной технике. Сущность изобретения: нейтронопоглощающий материал содержит оксиды диспрозия, титана, эрбия и гольмия при следующем соотношении компонентов, мас. %: оксид диспрозия - 74-85,5; оксид титана - 14-20; оксид эрбия - 0,25-3; оксид гольмия - 0,25-3. Преимущества изобретения заключаются в обеспечении радиационной и коррозионной стойкости.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к поглощающим нейтроны материалам на основе оксида диспрозия, и может быть использовано в стержнях регулирования водоохлаждаемых ядерных реакторов.

Известен нейтронопоглощающий материал, содержащий оксиды диспрозия, гафния и ниобия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид диспрозия 12-85

Оксид гафния 0,5-87

Оксид ниобия 0,5-20

Материал синтезируется путем прямого плавления упомянутой смеси (патент РФ №2 124 240, МПК G 21 С 7/24, опубл. 1998 г.).

Недостатком известного нейтронопоглощающего материала являются ограниченные эксплуатационные возможности, а именно его использование только в виде порошка.

Это объясняется тем, что невозможно получить прочные и плотные изделия (таблетки или кольца) из материала, который был синтезирован прямым плавлением при температуре, значительно превышающей температуру спекания таблеток.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является нейтронопоглощающий материал, содержащий оксиды диспрозия, титана, ниобия и циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид диспрозия 70-85

Оксид титана Остальное

Оксид ниобия 2-7

Оксид циркония 0,5-2

(патент РФ №2 142 654, МПК G 21 С 7/24, опубл. 1999 г.).

Недостатком известного нейтронопоглощающего материала являются ограниченные эксплуатационные возможности, а именно его использование только в виде порошка. Это объясняется тем, что невозможно получить прочные и плотные изделия (таблетки или кольца) из материала с кубической структурой типа флюорита, который был синтезирован в расплаве при температуре, значительно превышающей температуру спекания таблеток.

Кроме этого, начальная физическая эффективность поглощения данного материала меньше эффективности поглощения карбида бора (принятого за эталон), что также может ограничить его применение.

Задачей настоящего изобретения является создание нейтронопоглощающего материала, обладающего высокой радиационной и коррозионной стойкостью, повышенными нейтронопоглощающими свойствами и обеспечивающего его использование не только в виде порошка, но и в виде прочных и плотных изделий (таблеток и колец).

Техническим результатом настоящего изобретения является получение структуры материала, состоящей в основном из гексагональной фазы, что приводит к повышению коррозионной стойкости материала, а также к возможности получения из него прочных и плотных изделий в виде таблеток или колец.

Указанный технический результат достигается тем, что нейтронопоглощающий материал, содержащий оксиды диспрозия и титана, дополнительно содержит оксиды эрбия и гольмия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид диспрозия 74-85,5

Оксид титана 14-20

Оксид эрбия 0,25-3

Оксид гольмия 0,25-3

Оксиды эрбия и гольмия, являясь аналогами оксида диспрозия, имеют несколько отличные от него параметры кристаллических решеток, поэтому при их введении кристаллическая решетка оксида диспрозия искажается, а при взаимодействии измененного оксида диспрозия с оксидом титана расширяется область гомогенности гексагональной фазы, что позволяет получить материал со структурой, состоящей в основном из гексагональной фазы.

Кроме того, за счет поглощения эрбием и гольмием в области надтепловых нейтронов материал имеет повышенную начальную эффективность поглощения, а именно на 5% превышающую начальную эффективность поглощения известного материала (прототипа).

Повышение содержания оксида диспрозия выше 85.5% приводит к резкому ухудшению коррозионных свойств, а снижение ниже 74% значительно уменьшает эффективность поглощения материала.

Оксид титана увеличивает коррозионную стойкость материала за счет устранения фазы с объемно центрированной кубической решеткой. Повышение содержания оксида титана выше 20% приводит к образованию в материале фазы со структурой типа пирохлора, являющейся фазой, не стойкой под облучением, и уменьшает в материале количество нейтронопоглощающего металла.

При содержании оксидов эрбия и гольмия менее 0.5% увеличение начальной эффективности поглощения и стабилизация гексагональной структуры не происходят, а при содержании оксидов эрбия и гольмия более 6% наблюдается образование кубической объемно-центрированной фазы, не стойкой в пароводяной среде.

Нейтронопоглощающий материал получают следующим образом.

Примеры получения материала.

Исходные окислы в соотношении:

1. Оксид диспрозия 85.5%

Оксид титана 14%

Оксид эрбия 0.25%

Оксид гольмия 0.25%

2. Оксид диспрозия 80%

Оксид титана 18%

Оксид эрбия 1%

Оксид гольмия 1%

3. Оксид диспрозия 74%

Оксид титана 20%

Оксид эрбия 3%

Оксид гольмия 3%

Исходные окислы перемешиваются в спирте в течение 4-х часов. Из полученной смеси с добавлением пластификатора прессуются брикеты, которые затем синтезируются в высокотемпературной графитовой печи в течение 30 минут в атмосфере аргона. Синтезированные брикеты отжигаются на воздухе, дробятся, подбирается определенный фракционный состав пресс-порошка, из которого прессуются таблетки, кольца. Спрессованные изделия спекаются в высокотемпературной графитовой печи в аргоне 30 минут, затем отжигаются на воздухе. Полученные изделия имеют структуру, состоящую в основном из гексагональной фазы, обладающей высокой коррозионной и радиационной стойкостью.

Формула изобретения

Нейтронопоглощающий материал, содержащий оксиды диспрозия и титана, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксиды эрбия и гольмия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид диспрозия 74-85,5

Оксид титана 14-20

Оксид эрбия 0,25-3

Оксид гольмия 0,25-3