Припой для герметизации заготовки стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора
Владельцы патента RU 2467412:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к технологии изготовления стержней топливных сердечников керметных твэлов. Припой для герметизации заготовки стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора состоит из консолидированных органической связкой смеси порошков меди и циркония в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75). Порошок меди выбран фракцией 10-50 мкм из партии с основной фракцией 5-10 мкм, а порошок циркония выбран фракцией 50-100 мкм из партии с основной фракцией 100-140 мкм. Изобретение позволяет повысить выход годных по герметичности заготовок.
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к технологии изготовления стержней топливных сердечников керметных твэлов.
Одним из направлений в ядерной энергетике является использование твэлов, в которых керметные тепловыделяющие сердечники набраны из стержней (см., например, Федик И.И., Гаврилин С.С. и др. "Новое поколение твэлов на основе микротоплива для ВВЭР". - М.: Атомная энергия, 2004, т.96, вып.4, с.280).
Для изготовления такого стержня используется заготовка, выполненная в виде трубы из циркониевого сплава, заполненной засыпкой порошка ядерного топлива с покрытием из материала матрицы и закрытой с торцов двумя цилиндрическими заглушками (см. Гаврилин С.С., Денискин В.П., Леонов А.В., Федик И.И. "Способ изготовления керметного стержня топливного сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора". Патент РФ №2305334 от 15.03.06, опубл. 27.08.2007. Бюл. №24).
Такая конструкция заготовки предполагает герметизацию полости трубы, заполненной засыпкой порошка ядерного топлива, с помощью пайки, причем припой размещается в проточке заглушки.
Известен четырехкомпонентный припой (Zr-8Fe-8Nb-2,2Be, % мас.), выполненный в виде аморфной ленты толщиной 20-40 мкм или мелкодисперсного порошка, изготовленного дроблением ленты, которые при создании паяного соединения размещаются между элементами конструкции из циркониевых материалов (см., например, Калин Б.А., Федотов В.Т., Севрюков О.Н. и др. «Разработка и применение быстрозакаленных припоев для прецизионной пайки конструктивных элементов атомной техники». Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы. Выпуск 1 (64), 2005 г., с.182-189).
Недостатком применения такого припоя является невозможность совмещения операций дегазации загруженных в заготовку материалов и герметизации заготовки пайкой при использовании одного и того же нагревательного оборудования. Это обусловлено для рассматриваемого припоя низкой температурой создания паяного соединения (815-865°C), недостаточной для завершения операции дегазации материалов.
Известен также припой, состоящий из смеси порошков меди и циркония в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75), консолидированных органической связкой, например глицерином (см. Гаврилин С.С., Денискин В.П., Леонов А.В., Федик И.И. "Заготовка стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора", описание изобретения к патенту РФ №2305333 от 15.03.06. Бюл. №24, 27.08.2007). В этом припое применены порошки меди и циркония, поставляемые промышленностью.
Недостатком припоя является то, что при дегазации заготовки удаление связки связано с неконтролируемым выносом мелких фракций порошков, которые всегда присутствуют в поставляемых материалах. Такой вынос увеличивает вероятность изменения заданного массового соотношения компонентов припоя, что приводит к образованию нежелательных эвтектических соединений медь-цирконий и, как следствие, непропаю шва и нарушению герметичности заготовки. Этот недостаток усугубляется в случае подачи материала матрицы в засыпку в виде гидрида циркония, преобразуемого при дальнейшей температурной обработке в циркониевую матрицу. Выделяющийся при этом в большом количестве водород истекает из заготовки через зазоры между заглушками и трубой заготовки, дополнительно увеличивая вероятность выноса мелких фракций припоя.
По совокупности существенных признаков последний припой наиболее близок к предлагаемому припою и выбран в качестве прототипа.
Сущность изобретения состоит в следующем. Предлагаемый припой выполнен из смеси порошков циркония и меди в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75), причем порошок меди выбран фракцией 10-50 мкм из партии с основной фракцией 5-10 мкм, а порошок циркония выбран фракцией 50-100 мкм из партии с основной фракцией 100-140 мкм.
От прототипа этот припой отличается определенным выше фракционным составом.
Экспериментально показано, что циркониевый порошок, отобранный фракцией 50-100 мкм из партии порошка с основной фракцией 100-140 мкм, не захватывается потоками выделяющихся газов, а припекание частиц меди к частицам циркония закрывает каналы свободного выхода для частиц меди размером более 10 мкм.
Пример практической реализации предлагаемого припоя
При изготовлении предлагаемого припоя порошок циркония основной фракции 100-140 мкм подвергали рассеву на ситах с отбором фракции 50-100 мкм. Отобранную фракцию обеспыливали промывкой в трихлорэтилене. Порошок меди фракции 10-50 мкм из партии с основной фракцией 5-10 мкм получали осаждением порошка в вязкой среде на основе водного раствора глицерина. В качестве органической связки припоя использовался глицерин.
Применение приготовленного припоя при изготовлении заготовок с засыпкой порошка ядерного топлива с покрытием позволил увеличить выход годных по герметичности с 90 до 100%. Герметичность заготовок определялась при проведении операции обжатия оболочки заготовки на засыпку порошка ядерного топлива с покрытием внешним давлением аргона сразу после проведения операций дегазации и герметизации.
Таким образом, отличие предлагаемого припоя от известных обеспечивает удержание порошков в месте их размещения (проточки заглушек) при дегазации заготовки, что увеличивает выход годных по герметичности заготовок.
Припой для герметизации заготовки стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора, состоящий из консолидированных органической связкой смеси порошков меди и циркония в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75), отличающийся тем, что порошок меди выбран фракцией 10-50 мкм из партии с основной фракцией 5-10 мкм, а порошок циркония выбран фракцией 50-100 мкм из партии с основной фракцией 100-140 мкм.
