Таблетка смешанного ядерного топлива (варианты)

Группа изобретений относится к ядерной энергетике, а именно к таблетированному смешанному ядерному топливу, и может быть использована в стержневых тепловыделяющих элементах ядерных реакторов, предпочтительно в реакторах на быстрых нейтронах. Таблетка смешанного ядерного топлива содержит спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по эффективному размеру частиц соединения (U,Pu) и углеродных каркасных структур. Вариантом является зонированная таблетка, при этом центральная цилиндрическая зона таблетки имеет более низкое, а внешняя кольцевая зона - более высокое объемное содержание углеродных каркасных структур. В частных случаях содержание углеродных каркасных структур в виде фуллеренов, углеродных нанотрубок, углеродных нановолокон в порошке смеси составляет 1,8-15,6% об. для смеси с (U,Pu)O₂ и 1,5-13,0% об. для смеси (U,Pu)N. Таблетка может иметь осевое отверстие и фаски. Технический результат - повышение прочности и термостойкости таблетки, замедление процессов возникновения и развития в ней трещин, снижение вероятности ее разрушения. 2 н. и 19 з.п. ф-лы.

 

Группа изобретений относится к ядерной энергетике, а именно к таблетированному смешанному ядерному топливу, и может быть использована в стержневых тепловыделяющих элементах ядерных реакторов различного типа, предпочтительно на быстрых нейтронах.

Одной из проблем эксплуатации таблетки смешанного ядерного топлива является ее растрескивание с возможной последующей фрагментацией. К числу причин, вызывающих растрескивание таблеток, наряду с разбуханием топлива, относятся специфичные для смешанного топлива значительные температурные градиенты, вызывающие в условиях низкой теплопроводности керамического топлива высокие термоупругие напряжения. По мере выгорания топлива на периферии таблетки образуется так называемый rim-слой, отличающийся наличием многочисленных газовых пузырьков, исчезновением исходной зеренной структуры и образованием новых субзерен значительно меньшего размера. Образование и развитие такого слоя приводит к созданию барьера на пути тепла из топлива, к снижению радиальной теплопроводности и, как следствие, к неоднородности выгорания топлива и к еще большим напряжениям в его материале. Недостаточное соответствие запаса прочности и термостойкости таблеток уровню возможных суммарных термонапряжений ведет к риску разрушения таблетки и ограничивает ее эксплуатационный потенциал.

Одним из возможных решений этой проблемы является повышение прочности и термоустойчивости таблетированного смешанного топлива путем введения добавок, изменяющих структуру керамического материала и делающих его дисперсно-упрочненным, замедляющих процесс образования в материале rim-слоя и повышающих допустимый уровень выгорания топлива.

Известна таблетка ядерного топлива из смеси оксидов урана и оксида плутония, полученная измельчением исходных порошков оксидов урана и оксида плутония мелющими телами, прессованием и спеканием. Измельчение исходных порошков ядерного топлива осуществляют при ускорении мелющих тел не менее 4,12g, где g - ускорение свободного падения. Прессование осуществляют при давлении 0,52-2,35 т/см². В результате улучшается изотропность структуры порошка делящегося материала с одновременным увеличением текучести порошка после измельчения (Патент RU 2165651 С1, 20.04.2001, МПК G21C 3/64). Недостатками таблетки являются ее недостаточная термоустойчивость и хрупкость.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является таблетка, изготовленная из (U,Pu)O₂ с добавкой, выбранной из оксидов Cr, Al), Ti, Mg и Nb. Таблетка изготовлена по технологии смешения, при которой сначала создают начальную смесь порошков с «избыточной концентрацией» плутония по отношению к точно заданному содержанию плутония, которую повторно смешивают с добавкой диоксида урана для получения целевой порошковой смеси; именно эту целевую смесь таблетируют и спекают. Таблетка обладает повышенной равномерностью распределения фазы (U,Pu)O₂ в матрице UO₂ (RU 2352004 С2, 20.11.2007, МПК G21C 3/62). К недостаткам известной таблетки можно отнести ее недостаточные прочность и термоустойчивость: равномерность распределения (U,Pu)O₂-фазы оптимизирует температурные поля, но только частично снижает термоупругие напряжения в таблетке.

Заявленное изобретение направлено на снижение вероятности разрушения таблетки смешанного ядерного топлива и обеспечивает достижение технического результата, состоящего в замедлении процессов возникновения и развития трещин в таблетке, вызываемых термоупругими напряжениями, путем повышения ее прочности и термостойкости.

Технический результат достигается тем, что таблетка керамического смешанного ядерного топлива содержит спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по эффективному размеру частиц (U,Pu) и углеродных каркасных структур. Вариантом является зонирование таблетки, при этом центральная цилиндрическая зона таблетки имеет более низкое, а внешняя кольцевая зона - более высокое объемное содержание углеродных каркасных структур.

Под таблеткой ядерного смешанного топлива (топливной таблеткой) в рамках настоящего технического решения понимается керамическое изделие цилиндрической формы, содержащее соединение (U,Pu) (в первую очередь (U,Pu)O₂ или (U,Pu)N; возможен, но менее перспективен в использовании (U,Pu)C). Наиболее технологичными являются таблетки высотой около 1-2 диаметров, но допустимы и иные соотношения размеров, в частности значительно более высокие таблетки.

К углеродным каркасным структурам в рамках настоящего изобретения отнесены фуллерены, углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна. Фуллерены могут быть вида С₆₀, С₇₀, С₇₄, С₇₆, C₈₀, C₈₄ и выше по числу атомов. Углеродные трубки могут быть одно- и многослойные, размер вторых - несколько десятков нм, внутренний - 0,5-5,5 нм. Трубки отличаются разным количеством слоев и типом структур, например зигзагообразная, креслообразная, хиральная. В последнем случае гексагоны С₆ закручены по спирали вокруг трубки; тип строения влияет на ее механические свойства. Нанотрубки являются одномерными кристаллами; длина нанотрубок много больше диаметра. Углеродные нанотрубки обладают высокими прочностными свойствами, в частности в 20 раз прочнее стали и упруги при изгибе. Углеродные нановолокна представляют собой нитевидные частицы диаметром 150-200 нм и длиной от нескольких до сотен мкм, стенки которых состоят из графенов. Нить имеет структуру графита [1, 2].

Смешанное ядерное топливо с введенной в него наноуглеродной фазой является двухуровневым композиционным материалом с матричными веществами различного типа: соединение Рu в матрице соединения U и делящийся материал в наноуглеродной матрице. Особенностью этого композиционного материала является то, что матричные фазы отличаются и назначением, и поведением под нейтронным облучением, и технологическими приемами их равномерного по объему внедрения в материал таблетки.

Введение упрочняющей фазы наноуглеродных структур, активно не взаимодействующих с соединениями делящегося материала и не растворяющихся в нем вплоть до температуры его плавления, обеспечивает возможность сохранения микрогетерогенного строения и дислокационной субструктуры, а следовательно, и длительной работоспособности керамической таблетки до 0,9-0,95 Т_пл.

В таблетке ядерного топлива, спрессованной и спеченной из смеси частиц соединения (U,Pu) и углеродных каркасных структур, образовавшаяся матрица наноуглеродных структур (первичных каркасных структур и, допускается, сложных углеродных новообразований) воспринимает основную часть напряжений при термических градиентах, усиленных радиальной миграцией актиноидов. Распределенные в ней частицы соединения (U,Pu) препятствуют движению дислокации приложения нагрузки. Когда движущаяся дислокация встречается с частицей, происходит либо перерезание частицы, либо обход частицей дислокации. В результате реализуется тот процесс, для протекания которого необходимо наименьшее напряжение, что минимизирует термические напряжения в таблетке и повышает ее термостойкость.

Основными параметрами, от которых зависит эффективность упрочнения, являются размер частиц соединения (U,Pu), расстояние в матрице наноуглеродных структур между ними и вид этих структур. Использование известного расчетного механизма Орована с учетом модуля сдвига матрицы Gm и величины вектора Бюргенса позволяет определить оптимальные значения вида и объемного содержания армирующей фазы наноуглеродных структур, обеспечивающие наиболее эффективное упрочнение керамической таблетки. Оптимальная объемная доля углеродной фазы также может быть рассчитана, например, по известному правилу аддитивности напряжений с учетом критического минимального объема армирующей углеродной фазы [3].

При этом необходимо учитывать различное эксплуатационное поведение топлива на основе U и топлива на основе (U,Pu). В смешанном (U,Pu) топливе содержание соединения плутония не превышает 30%, то есть фактически основой топлива является соединение урана, но поведение смешанного топлива под облучением в значительной степени определяется именно плутониевой составляющей. Различная стабильность валентных состояний урана и плутония ведет к пространственному перераспределению урана и плутония в топливном материале, которое реализуется в процессе «испарение-конденсация». При наличии температурного градиента давление пара над топливом в центральной части всегда будет больше, чем над топливом в более холодной периферийной области, что и приводит к радиальному изменению состава топлива в таблетке. Более летучее соединение урана конденсируется на холодной стороне, в то время как менее летучее соединение плутония концентрируется в горячей зоне и его концентрация растет в направлении к более горячей зоне таблетки. Эти процессы в условиях низкой теплопроводности топливного материала обусловливают высокие, в сравнении с ординарным урановым топливом, градиенты температуры, достигающие 700°С/мм, с температурой в центре таблетки выше температуры плавления [4, 5].

В связи с этими принципиальными поведенческими отличиями смешанного топлива от ординарного оценки термонапряжений для таблеток на основе (U,Pu) необходимо проводить с учетом динамики температурных градиентов, обусловленной радиальной миграцией актиноидов.

Расчеты показывают, что объемное содержание углеродных каркасных структур, равномерно распределенных в материале порошка смеси, при котором эффективно замедляется процесс растрескивания таблетки вследствие термоупругих напряжений, для рабочего диапазона выгорания с учетом отличающихся тепловых и прочностных характеристик (U,Pu)O₂ и (U,Pu)N и с учетом сопутствующего процесса разбухания составляет: 1,8-15,6% об. для смеси с (U,Рu)О₂ и 1,5-13,0% об. для смеси с (U,Pu)N.

Равномерность распределения наноуглеродных структур в объеме материала предопределяет незначительность величин пространственных флуктуаций термических напряжений, уменьшает вероятность появления локальных участков деструкции материала, являющихся потенциальными очагами зарождения трещин. Условие равномерности распределения накладывает ограничения на допустимые гранулометрические и плотностные характеристики порошка делящегося вещества, предназначенного к смешению с углеродными каркасными структурами. В частности, равномерность распределения фаз материала не достигается при использовании порошка частиц соединения делящегося вещества произвольного размера. Для ее достижения необходим однородный по эффективному размеру порошок частиц (эффективный размер частиц определяется по размеру сита, задерживающего 90% материала). Предпочтительно применение частиц приближенно сферической формы. Более высокий уровень равномерности распределения достигается дополнением размерной однородности однородностью по плотности. Последнее обеспечивается, в частности, применением порошка частиц соединения делящегося вещества, изготовленного по одной технологии, предпочтительно применением порошка частиц одной производственной партии.

Такого качества порошок может быть получен, например, уплотнением исходного порошка (U,Рu)О₂ или (U,Pu)N, затем дроблением полученных компактов и гранулированием на ситах с итоговым получением более плотного однородного продукта. Допустимы и другие способы подготовки размерно монофракционного порошка требуемой плотности.

Фактором, влияющим на термостойкость таблетки смешанного топлива, является равномерность распределения фазы соединения Рu в матрице соединения U. Последнее обеспечивается, в первую очередь, способом изготовления пресс-порошка соединения (U,Рu). Эти способы можно разделить на 3 основные группы. Первую группу составляют способы химического соосаждения солей U и Рu (например, AU/PuC-процесс или COPRECAL-процесс). Вторую группу составляют способы механического смешения порошков соединений U и Рu, включающие технологические операции совместного измельчения и грануляции (например, ОКОМ-процесс). Третью группу - способы прямого смешения порошков соединений U и Рu. Способы первой и второй групп обеспечивают получение спрессованного и спеченного продукта с достаточной относительно настоящего технического решения равномерностью распределения фазы соединения Рu в матрице U. Способы третьей группы (прямое смешение) не гарантируют равномерного распределения U и Рu в виде единой фазы (U, Pu)O₂ или (U, Pu)N и их применение в настоящем техническом решении не целесообразно [6].

Другим способом повышения прочности и термостойкости таблетки является повышение содержания армирующей наноуглеродной фазы в ее радиально-периферийной части. Таблетка изготавливается зонированной, при этом центральная цилиндрическая зона таблетки имеет более низкое, а внешняя кольцевая зона - более высокое объемное содержание углеродных каркасных структур. В этом случае внешний слой материала повышенной прочности служит механическим обручем для внутренней зоны и препятствует развитию протяженных радиальных трещин. Таблетка радиально-переменного состава изготавливается по одной из известных технологий зонирования керамики, например [7].

Возможности дисперсного упрочнения элементов топливного сердечника углеродными каркасными структурами ограничены требованиями к плотности материала по урану/плутонию. Дополняющим способом оптимизации температурных полей в таблетке, снижения термоупругих напряжений и повышения термостойкости является внесение изменений в форму традиционной цилиндрической таблетки. Эффективными изменениями являются осевое отверстие и фаски, в частности закругленные. Последним устраняется вероятность зарождения трещин в наиболее уязвимых зонах таблетки - в ее кромках.

Дисперсное упрочнение таблетки смешанного ядерного топлива наноуглеродными структурами, проведенное с обеспечением равномерного распределения фаз или с зонированием таблетки и укреплением ее радиально-периферийной части, эффективно обеспечивает высокую прочность и термостойкость таблетки и повышает ресурс ее работы.

Пример 1. Таблетка имеет форму цилиндра с отношением высоты к диаметру 1,15. В качестве углеродных каркасных структур используются фуллерены С₆₀ (6,2% об.). Исходный порошок твердого раствора (U,Рu)О₂ совместно осажденных солей U и Рu подвергают предварительному измельчению в шаровой мельнице для обеспечения однородности свойств по объему. Полученный продукт уплотняют прессованием шашки с последующими дроблением и грануляцией на ситах. Полученный гранулят подвергают измельчению и фракционному рассеву с использованием вибросита и сушат во вращающейся печи. В стандартный «сухой» пластификатор (стеарат цинка) вводят фуллерены, гомогенизируют смесь. Проводят перемешивание порошка (U,Pu)O₂ и полученной смеси. Из приготовленного пресс-порошка формируют сырые таблетки, которые спекают в высокотемпературной печи при температуре ~1680°С в течение 4,5 часа и подвергают штатным доводочным и контрольным операциям.

Пример 2. Таблетка имеет форму цилиндра с отношением высоты к диаметру 1,60. Таблетка зонирована, порошок смеси для центральной цилиндрической зоны прессуется и спекается с 4,2% об. фуллеренов С₆₀ и углеродных нанотрубок (3:4), для внешней кольцевой зоны - с 6,3% об. углеродных каркасных структур того же вида. Порошки UN и PuN подвергают операциям совместного измельчения, компактирования, дробления, гранулирования. Готовят перемешиванием в присутствии стандартного «сухого» пластификатора (стеарат цинка) 2 вида смеси отобранной фракции порошка (U,Pu)N и углеродных каркасных структур. Из приготовленных пресс-порошков разного состава в две стадии (сначала центральную зону) прессуют, спекают (~1520°С) и шлифуют зонированную таблетку.

Приведенные выше примеры реализации изобретения не исключают возможности использования иных составов фазы углеродных каркасных структур, иных ее содержаний в порошке смеси и иных технологий таблетирования.

Источники информации

[1] Кем А.Ю. Технологические основы производства порошковых и композиционных наноструктурных материалов и изделий. Ростов н/Д, ИЦ ДГТУ, 2008, с.9.

[2] Шевердяев О.Н. Нанотехнологии и наноматериалы. М.: Изд-во МГОУ, 2009, с.65-74.

[3] Портной К.И. Дисперсно-упрочненные материалы / Портной К.И., Бабич Б.Н., М.: Металлургия, 1974, с.14-17.

[4] Котельников Р.Б. и др. Высокотемпературное ядерное топливо. М.: Атомиздат, 1969, с.132-135

[5] Самойлов А.Г. и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1996, с.100-104, 108.

[6] Махова В.А. и др. Усовершенствование методов изготовления уран-плутониевого топлива. Атомная техника за рубежом, 1982, с.16-21.

[7] Патент KR 10982664 B1, 16.04.2009, МПК G21C 3/62.

1. Таблетка смешанного ядерного топлива, содержащая спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по эффективному размеру частиц соединения (U, Pu) и углеродных каркасных структур.

2. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.1, при этом соединением урана является (U, Pu) O₂.

3. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.2, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,8-15,6 об.%.

4. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.1, при этом соединением урана является (U, Pu) N.

5. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.4, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,5-13,0 об.%.

6. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.1, при этом частицы соединения (U, Pu) в порошке смеси однородны по плотности.

7. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.6, при этом однородность по плотности обеспечивается применением частиц соединения (U, Pu), изготовленных по одной технологии.

8. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.7, при этом применяются частицы соединения (U, Pu) одной партии изготовления.

9. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.1, при этом порошок смеси содержит частицы соединения (U, Pu), изготовленные с использованием совместного осаждения солей U и Pu или совместного измельчения частиц соединений U и Рu.

10. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.1, при этом углеродные каркасные структуры представлены фуллеренами, и/или углеродными нанотрубками, и/или углеродными нановолокнами.

11. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.1, при этом таблетка имеет осевое отверстие и/или фаски, в частности закругленные.

12. Таблетка смешанного ядерного топлива, содержащая спрессованный и спеченный порошок смеси частиц соединения (U, Pu) и углеродных каркасных структур, таблетка зонирована, при этом центральная цилиндрическая зона таблетки имеет более низкое, а внешняя кольцевая зона - более высокое объемное содержание углеродных каркасных структур.

13. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.12, при этом соединением урана является (U, Pu) O₂.

14. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.13, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,8-15,6 об.%.

15. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.12, при этом соединением урана является (U, Pu) N.

16. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.15, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,5-13,0 об.%.

17. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.12, при этом частицы соединения (U, Pu) в порошке смеси однородны по эффективному размеру.

18. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.12, при этом частицы соединения (U, Pu) в порошке смеси однородны по плотности.

19. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.18, при этом однородность по плотности обеспечивается применением частиц соединения (U, Pu), изготовленных по одной технологии.

20. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.12, при этом углеродные каркасные структуры представлены фуллеренами, и/или углеродными нанотрубками, и/или углеродными нановолокнами.

21. Таблетка смешанного ядерного топлива по п.12, при этом таблетка имеет осевое отверстие и/или фаски, в частности закругленные.