Таблетка ядерного топлива (варианты)

Группа изобретений относится к ядерной энергетике, а именно к таблетированному ядерному топливу, и может быть использована в стержневых тепловыделяющих элементах ядерных реакторов как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. Таблетка содержит спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по плотности и эффективному размеру частиц соединения урана 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 исполнения содержание углеродных каркасных структур (фуллеренов, углеродных нанотрубок, углеродных нановолокон) в порошке смеси составляет 1,5-12,5% об. для смеси с UO₂ и 1,2-10,4% об. для смеси с UN. 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 17 з.п. ф-лы.

 

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

Одной из проблем эксплуатации таблетки ядерного топлива является ее растрескивание с возможной последующей фрагментацией. К числу причин, вызывающих растрескивание таблеток, наряду с разбуханием топлива, относятся 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 [1].

Одним из возможных решений этой проблемы является повышение прочности и термоустойчивости таблетированного 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, содержащая диоксид урана и инертную к облучению добавку в виде MgAl₂O₄ или окиси магния. Диаметр распределенных в матрице частиц ядерного топлива составляет 70-230 мкм. Содержание диоксида урана составляет 20-40 об. % от материала таблетки. Коэффициент теплового расширения материала добавки меньше коэффициента теплового расширения частиц ядерного топлива. Таблетка обладает повышенным сопротивлением к растрескиванию (Патент RU №2175791 С2, 10.11.2001, МПК G21C 3/64). Недостатком таблетки является ее хрупкость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является керамическое ядерное топливо, содержащее диоксид или нитрид урана с фуллеренами и фуллереноподобными структурами. Эти структуры смешивали в шаровой мельнице с керамическим топливом - диоксидом урана или мононитридом, прессовали топливные таблетки и спекали в атмосфере инертного газа (аргон) при температуре 1800°С. Техническое решение направлено на блокировку объемного распухания топлива за счет внутриобъемного поглощения фуллеренами твердых и газообразных продуктов деления урана (Патент RU №2396610 С2, 10.08.2010, МПК G21C 3/00). Второй фактор эксплуатационной деградации топлива - разрушающие термические напряжения в материале - остался вне рамок этого незаурядного технического решения.

Заявленное изобретение направлено на снижение вероятности разрушения таблетки ядерного топлива, на повышение допустимого уровня его выгорания и обеспечивает достижение технических результатов, состоящих: в замедлении процесса образования rim-слоя на периферии таблетки; в повышения ее прочности и термостойкости.

Технический результат достигается тем, что таблетка керамического смешанного ядерного топлива содержит спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по плотности и эффективному размеру частиц U 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 (техническое решение не распространяется на уран-плутониевое и уран-ториевое смешанное топливо).

Под таблеткой ядерного топлива (топливной таблеткой) в рамках настоящего технического решения понимается керамическое изделие цилиндрической формы, содержащее соединение U (в первую очередь UO₂ или UN; возможен, но менее перспективен в использовании UC). 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, 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 [2, 3].

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 с углеродными каркасными структурами, образовавшаяся матрица наноуглеродных структур (первичных каркасных структур и, допускается, сложных углеродных новообразований) воспринимает основную часть напряжений при температурных градиентах. Распределенные в ней частицы соединения урана препятствуют движению дислокации приложения нагрузки. Когда движущаяся дислокация встречается с частицей, происходит либо перерезание частицы, либо обход частицы дислокацией. 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, 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 [4].

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 UO₂ и UN и с учетом сопутствующего процесса разбухания топлива, составляет 1,5 - 12,5 об. % для смеси с UO₂ и 1,2-10,4 об. % для смеси с UN.

Равномерность распределения наноуглеродных структур в объеме материала предопределяет незначительность величин пространственных флуктуации 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 UO₂ или UN, 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.

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 [5].

Возможности дисперсного упрочнения элементов топливного сердечника углеродными каркасными структурами ограничены требованиями к плотности материала по урану. 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 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 повышат ресурс ее работы.

Пример 1. Таблетка имеет высоту 9,1 мм и диаметр 7,53 мм. Таблетка изготовлена из порошка смеси 94,0 об. % частиц UO₂ и 6,0 об. % фуллеренов С₆₀. Исходный порошок UO₂ измельчают в шаровой мельнице. Полученный продукт уплотняют путем прессования шашки с последующими дроблением и грануляцией на ситах. В стандартный «сухой» пластификатор (стеарат цинка) вводят фуллерены, гомогенизируют смесь. Проводят перемешивание отобранной фракции порошка UO₂ и полученной смеси. Из приготовленного пресс-порошка формируют сырые таблетки, которые спекают при температуре ~1680°С и подвергают штатным доводочным и контрольным операциям.

Пример 2. Таблетка имеет высоту 13,5 мм и диаметр 11,52 мм. Таблетка зонирована, внутренняя цилиндрическая зона изготовлена из порошка смеси частиц UN и 2,2 об. % углеродных каркасных структур в виде фуллеренов С₆₀ и углеродных нанотрубок (1:1), внешняя кольцевая зона - из порошка смеси частиц UN и 3,0 об. % углеродных каркасных структур того же состава. Порошок UN подвергают операциям измельчения, компактирования, дробления, гранулирования. Из отобранной фракции порошка UN и фуллеренов и углеродных нанотрубок со стандартным «сухим» пластификатором готовят пресс-порошки 2 видов. Из приготовленных пресс-порошков разного состава в две стадии (сначала центральную зону) прессуют и спекают таблетку. Полученную зонированную таблетку шлифуют.

Приведенные выше примеры реализации изобретения не исключают использования иных сочетаний углеродных каркасных структур, иного содержания углеродной фазы в порошке смеси и иных технологий таблетирования.

Источники информации

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

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

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

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

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

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

2. Таблетка ядерного топлива по п.1, при этом соединением урана является UO₂.

3. Таблетка ядерного топлива по п.2, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,5-12,5 об.%.

4. Таблетка ядерного топлива по п.1, при этом соединением урана является UN.

5. Таблетка ядерного топлива по п.4, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,2-10,4 об.%.

6. Таблетка ядерного топлива по п.1, при этом однородность по плотности обеспечивается применением частиц соединения U, изготовленных по одной технологии.

7. Таблетка ядерного топлива по п.6, при этом применяются частицы соединения U одной партии изготовления.

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

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

10. Таблетка ядерного топлива, содержащая спрессованный и спеченный порошок смеси частиц соединения U 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.

11. Таблетка ядерного топлива по п.10, при этом соединением урана является UO₂.

12. Таблетка ядерного топлива по п.11, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,5-12,5 об.%.

13. Таблетка ядерного топлива по п.10, при этом соединением урана является UN.

14. Таблетка ядерного топлива по п.13, при этом содержание углеродных каркасных структур в порошке смеси составляет 1,2-10,4 об.%.

15. Таблетка ядерного топлива по п.10, при этом частицы соединения U в порошке смеси однородны по эффективному размеру.

16. Таблетка ядерного топлива по п.10, при этом частицы соединения U в порошке смеси однородны по плотности.

17. Таблетка ядерного топлива по п.16, при этом однородность по плотности обеспечивается применением частиц соединения U, изготовленных по одной технологии.

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

19. Таблетка ядерного топлива по п.10, при этом таблетка имеет осевое отверстие и/или фаски, в частности закругленные.