Микротвэл ядерного реактора

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микротвэлам ядерного реактора. Микротвэл ядерного реактора содержит топливную микросферу и защитное покрытие, включающее слой карбида циркония, нанесенный непосредственно на топливную микросферу, и выбранный достехиометрического состава в диапазоне ZrC_0,75-ZrC_0,96, на который последовательно нанесены слой низкоплотного пироуглерода, слой высокоплотного изотропного пироуглерода, слой карбида кремния и наружный слой высокоплотного изотропного пироуглерода. Изобретение обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик реактора за счет повышения коррозионной стойкости силового карбидокремниевого слоя и снижения парциального давления оксида углерода в микротвэле.

 

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности, к микротвэлам ядерного реактора.

2. Уровень техники

Микротвэл ядерного реактора - это топливная микросфера из делящегося материала со слоями защитного покрытия (см., например, Г.Бедениг. "Газоохлаждаемые высокотемпературные реакторы". Перевод с немецкого, М.: Атомиздат, 1975, 224 с.).

В качестве защитных покрытий микротвэлов ядерных реакторов используют пироуглерод, карбиды кремния или циркония.

Основные функции покрытий:

- Удержание газообразных и твердых продуктов деления в пределах микротвэла - функции пироуглерода и карбидов. Карбидные слои (SiC, ZrC) в составе многослойных покрытий выполняют, кроме того, основные силовые функции.

- Компенсация несоответствий в коэффициентах линейного расширения материалов топливной микросферы и высокоплотных слоев покрытия - функция низкоплотного буферного слоя пироуглерода.

- Защита топливного материала от охрупчивания и коррозии его в теплоносителе или материалами и примесями микротвэла.

- Создание объема для локализации технологических газов (СО/CO₂) и газообразных продуктов деления в пределах микротвэла в ходе облучения - функция низкоплотного буферного слоя пироуглерода.

По мере выгорания топлива внутри микротвэла развивается избыточное давление за счет выделяющихся газообразных продуктов деления и СО-продукта взаимодействия углерода с кислородом, образующимся при распаде, например, UO₂ или PuO₂. Одновременно СО оказывает коррозионное воздействие на карбидные слои, которое протекает по схеме: SiC+2СО→SiO₂+3C или ZrC+2CO→ZrO₂+3C. Образование оксидной фазы приводит к существенному снижению прочностных характеристик (особенно SiC) или к возникновению локальных растягивающих напряжений в ZrC, что увеличивает вероятность повреждения этого слоя, особенно в условиях термоциклического воздействия.

Таким образом, снижение парциального давления СО внутри микротвэла уменьшает вероятность разгерметизации покрытий в условиях высоких температур и большого выгорания топливного материала.

Известен микротвэл ядерного реактора, в котором первый от топливной микросферы слой защитного покрытия выполнен из низкоплотного буферного пироуглерода, второй слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой - из гетерогенной композиции карбид циркония-пироуглерод, четвертый слой - из карбида циркония и наружный слой - из высокоплотного изотропного пироуглерода (см., например, Hollabaugh C.M., Wohman L.A., Reisvig R.D., White R.W. and Wagner P., "Chemical vapor deposition of ZrC made by reaction of ZrCl₄ with CH₄ and С₃Н₆", Nuclear Technology, vol.35, 1977, p.527-535).

Такая конструкция обладает следующим существенным недостатком. По мере облучения в структуре защитного покрытия происходят изменения, влияющие на целостность слоев. Вследствие усадки буферного низкоплотного пироуглерода в нем образуются трещины, преимущественно радиальные. Трещины выходят на внутреннюю поверхность слоя высокоплотного пироуглерода с последующим его разрушением и образованием каналов прямого доступа продуктов деления и СО к слою гетерогенной композиции карбид циркония-пироуглерод и силовому слою карбида циркония. Высокое внутреннее давление газообразных продуктов деления и коррозионное воздействие СО в совокупности с другими продуктами деления завершают процесс полного разрушения многослойного покрытия микротвэла.

С предлагаемой конструкцией микротвэла этот микротвэл совпадает по наличию в составе защитного покрытия слоев низкоплотного и высокоплотного изотропного пироуглерода и слоя карбида циркония.

Известен также микротвэл ядерного реактора, в котором защитное покрытие состоит из слоя высокоплотного пироуглерода, нанесенного на топливную микросферу, и последовательно нанесенных слоев из карбида циркония, низкоплотного пироуглерода, высокоплотного изотропного пироуглерода, карбида кремния и наружного слоя из высокоплотного изотропного пироуглерода (см., например, Bullock R.E. and Kaae J.L., "Performance of coated UO₂ particles gettered with ZrC", Journal of Nucl. Mater., 115, 1983, p.69-83).

Недостатком такого микротвэла является то, что образующийся в процессе деления UO₂ кислород после выхода из топливной микросферы реагирует с атомами углерода первого слоя с образованием СО. Последний в местах выхода к карбиду циркония взаимодействует с ним с образованием оксидной фазы ZrO₂ и углерода, локализующегося преимущественно по границам зерен ZrC и ZrO₂. Под действием нейтронного облучения в пироуглероде, карбиде циркония и гетерогенной композиции ZrC-ZrO₂ протекают процессы накопления радиационных дефектов, приводящие к радиационно-размерным изменениям в этих слоях. Результатом этих процессов являются трещины - радиальные каналы, проникающие от топливной микросферы до слоя карбида кремния. Таким образом, эффективное количество карбида циркония, участвующего в реакции ZrC+2СО→ZrO₂+3С, существенным образом снижается. Остаточный оксид углерода внутри микротвэла взаимодействует со слоем карбида кремния, приводя к ухудшению его прочностных и диффузионных характеристик.

С заявляемым микротвэлом последняя конструкция совпадает по наличию в составе защитного покрытия слоя карбида циркония, на который последовательно нанесены слой низкоплотного пироуглерода, слой высокоплотного изотропного пироуглерода, слой карбида кремния и наружный слой высокоплотного изотропного пироуглерода. По совокупности существенных признаков последняя конструкция выбрана в качестве прототипа.

3. Сущность изобретения

Предлагаемый микротвэл ядерного реактора отличается от прототипа тем, что слой карбида циркония нанесен непосредственно на топливную микросферу и выбран достехиометрического состава в диапазоне ZrC_0,75-ZrC_0,96.

В силу такого отличия кислород, образующийся в результате ядерных превращений, реагирует непосредственно с карбидом циркония, образуя оксикарбидные фазы типа ZrC_xO_y различного структурного состояния, причем процесс окисления карбида циркония протекает без образования газообразных продуктов реакции, а выбор достехиометрического состава карбида циркония гарантирует отсутствие существенных линейных или объемных изменений в слое. Таким образом, слой карбида циркония достехиометрического состава, нанесенный непосредственно на топливную микросферу, является геттером кислорода и барьером для осколков деления (ядер отдачи) топливного материала. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого микротвэла ядерного реактора, - улучшение эксплуатационных характеристик реактора за счет повышения коррозионной стойкости силового карбидокремниевого слоя и снижения парциального давления оксида углерода в микротвэле.

4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления предлагаемого микротвэла, приведем пример его реализации.

На топливные микросферы из диоксида урана диаметром 0,2-0,5 мм в парах низших иодидов ZrJ, ZrJ₂, ZrJ₃ при температуре 250-350°С и суммарном давлении в реакционном объеме 10^-3-10^-4 мм рт.ст. за счет реакции диспропорционирования (2ZrJ→2Zr↓+J₂↑; ZrJ₂→Zr↓+J₂↑, 2ZrJ₃→2Zr↓+3J₂↑) осаждают слой циркония толщиной 0,1-1,0 мкм. Навеску топливных микросфер с циркониевым покрытием перемещают в аппарат кипящего слоя, где при температуре 600-700°С осаждают карбид циркония при пиролизе смеси ZrCl₄-С₃Н₆. В качестве газа-носителя для псевдоожижения частиц используется аргон, для подачи ZrCl₄ в зону пиролиза - водород. Соотношение ZrCl₄/С₃Н₆ в газовой фазе поддерживают на уровне 0,1-0,2 в течение 10 мин. После повышения температуры кипящего слоя до 1200°С соотношение ZrCl₄/С₃Н₆ в газовой фазе поддерживают на уровне 1,0-1,5 в течение 20 мин. Наращивание карбидоциркониевого слоя завершают при температуре 1450-1500°С, поддерживая соотношение ZrCl₄/С₃Н₆ в газовой фазе на уровне 1,5-2,5 в течение 30 мин. При использовании тридцатиграмовой навески топливных микросфер из диоксида урана диаметром 200 мкм по указанному режиму были получены покрытия из карбида циркония толщиной 9-12 мкм.

Осаждение из газовой фазы достехиометрического карбида циркония состава ZrC_x, где х<0,75, сопряжено с трудностями поддержания определенного соотношения ZrCl₄/С₃Н₆ в исходных реагентах, что имеет следствием нестабильность состава карбида циркония при переходе от партии к партии микротвэлов. При х>0,96 в условиях неравновесного процесса пиролиза ZrCl₄ и С₃Н₆ существенно возрастает образование свободной фазы углерода и эффективность использования гетерогенной смеси ZrC-C в качестве геттера снижается.

Микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу и защитное покрытие, включающее слой карбида циркония, на который последовательно нанесены слой низкоплотного пироуглерода, слой высокоплотного изотропного пироуглерода, слой карбида кремния и наружный слой высокоплотного изотропного пироуглерода, отличающийся тем, что слой карбида циркония нанесен непосредственно на топливную микросферу и выбран достехиометрического состава в диапазоне ZrC_0,75-ZrC_0,96.