Способ изготовления микротвэлов ядерного реактора



Способ изготовления микротвэлов ядерного реактора
Способ изготовления микротвэлов ядерного реактора
Способ изготовления микротвэлов ядерного реактора
Способ изготовления микротвэлов ядерного реактора

 


Владельцы патента RU 2603020:

Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" (RU)

Изобретение относится к области ядерной энергии, в частности к производству микротвэлов. Последовательно осаждают на топливную микросферу пиролизом смеси газов в кипящем слое низкоплотный, высокоплотный, слой карбида кремния и наружный высокоплотный слои покрытий. Низкоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5-15 об.%, высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 10 об.%, слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 5 об.%, наружный высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилтрихлорсилана и водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.%. Технический результат - упрощение способа производства микротвэлов ядерного реактора, увеличение срока службы топливных микросфер, а также расширение их области применения для реакторов на быстрых нейтронах. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к области ядерной энергии, в частности к производству микротвэлов (МТ) ядерного реактора.

Применение микросферического топлива с защитными слоями покрытий типа TRISO (TRistructural ISOtropic - трехструктурное изотропное покрытие из пироуглерода и карбида кремния на топливных частицах) обеспечивает длительную работу реактора без перезагрузки, большой коэффициент выгорания топлива. Кроме этого, обеспечивается максимальная безопасность эксплуатации атомного реактора, так как микросферическое топливо с многослойным керамическим покрытием типа TRISO эффективно удерживает продукты деления внутри топливных микросфер как при нормальных условиях эксплуатации, так и при условиях максимальной проектной аварии с потерей теплоносителя, когда температура топлива может достигать 1600°C.

При использовании керна из оксидного топлива для связывания выделяющегося в процессе выгорания топлива кислорода, который в результате взаимодействия с углеродом покрытий образует оксиды углерода, создающие дополнительное давление внутри топливной микросферы, применяют геттер кислорода, расположенный в непосредственной близости к топливному керну.

Слои покрытий получают в кипящем слое топливных микросфер газофазным осаждением продуктов пиролиза углеводородных и кремнийсодержащих смесей газов, разбавленных аргоном и водородом.

Известен способ осаждения четырехслойного покрытия в кипящем слое, согласно которому первый низкоплотный (буферный) слой из пироуглерода (PyC) получают за счет пиролиза C2H2 при температуре 1250°C, второй высокоплотный изотропный PyC получают за счет пиролиза C2H2-C3H6 смеси при температуре 1300°C, третий SiC слой получают за счет пиролиза CH3SiCl3 при температуре 1500°C и четвертый высокоплотный изотропный PyC получают за счет пиролиза C2H2-C3H6 смеси при температуре 1300°C (Huschka Н., Vugen P. Coated fuel particles: requirements and status of fabrication technology. - Nuclear Technology, V. 35, September, 1977, p. 238-245).

Известен способ, согласно которому первый слой низкоплотного пироуглерода осаждают пиролизом смеси ацетилена и аргона с концентрацией 50 об.% при температуре 1450°C, 85-95% второго слоя из высокоплотного пироуглерода осаждают пиролизом смеси ацетилена и аргона с концентрацией первого 40,0-43,0 об.% и смеси пропилена и аргона с концентрацией первого 30,0-27,0 об.% при температуре 1300°C, а 5-15% покрытия осаждают пиролизом смеси пропилена и аргона с концентрацией первого 5,0-10,0 об.% с добавкой 0,5-1,5 об.% метилтрихлорсилана. Третий слой, выполненный из карбида кремния, осаждают пиролизом метилтрихлорсилана с концентрацией в смеси водород-аргон 2,5-3,0 об.% при температуре 1500°C. После осаждения проводят его обработку в водороде при температуре 1750-1800°C в течение 20-30 мин. Большую часть четвертого слоя (90-95%) осаждают пиролизом смеси газов: ацетилена с концентрацией 40,0-43,0 об.%, пропилена с концентрацией 30,0-27,0 об.% и аргона при температуре 1300°C. А после осаждения 90-95% толщины пироуглеродного покрытия четвертого слоя 5-10% покрытия осаждают пиролизом пропилена с концентрацией в смеси с водородом 3,0-5,0 об.% (патент RU №2300818, МПК G21C 3/06, 21/02, опубл. 10.06.2007).

Недостатком перечисленных способов является то, что при осаждении первого, второго и четвертого слоев покрытия применяются горючие и взрывоопасные газы (пропилен и ацетилен), при получении изотропных слоев пироуглерода требуется контролировать степень анизотропии покрытия, которая, в свою очередь, сильно зависит от многих технологических факторов. К недостаткам следует отнести сложность технологического процесса. В аналогах отсутствует геттер кислорода, расположенный в непосредственной близости от топливной микросферы.

Известен способ, согласно которому на топливную микросферу наносится как минимум два чередующихся слоя, причем каждая серия слоев содержит слой пироуглерода, соприкасающийся со слоем карбида кремния, причем толщина каждого слоя составляет не более 10 микрон, а слои наносятся так, что на керн наносятся попеременно слои пироуглерода и карбида кремния. Слои наносят при температурах выше 1000°C (патент US №20090129533 A1).

Недостатком этого способа является отсутствие технологии нанесения буферного слоя, в результате чего при работе топлива произойдет быстрое разрушение плотных слоев покрытия за счет распухания топливной микросферы и образования газообразных продуктов деления.

Известен способ, согласно которому на топливную микросферу наносится пористый углерод, пироуглерод и карбид кремния в смеси с нитридом кремния, включающий в себя следующие операции: нанесение покрытия, содержащего смесь кремния и карбида кремния при температуре, равной от 1300 до 1950°C, с последующей нитридизацией поверхности (Nuclear fuel provided with a coating. WO 2005086173 A2).

Недостатком этого способа являются сложность технологического процесса и крайне негативное воздействие очень высокой температуры (до 1950°C) при операции нитридизации на слой изотропного пироуглерода.

Известен способ получения микротвэла ядерного реактора с трехслойным защитным покрытием, который включает последовательное осаждение на топливные микросферы слоев покрытий в кипящем слое, в котором первый слой низкоплотного пироуглерода осаждают пиролизом ацетилена с концентрацией в смеси с аргоном 50 об.% при температуре 1450°C, 95-97% второго слоя из высокоплотного изотропного пироуглерода осаждают пиролизом смеси ацетилена с концентрацией в смеси с аргоном 40,0-43,0 об.% и пропилена с концентрацией в смеси с аргоном 30,0-27,0 об.% при температуре 1300°C, а 5-3% покрытия второго слоя осаждают пиролизом пропилена с концентрацией в смеси с аргоном 20,0 об.% с добавкой 1,0-2,0 об.% кислорода, осаждение третьего слоя Si3Al3O3N5 осуществляют пиролизом SiCl4-NH3-AlCl3-O2 в мольном соотношении (2,5-3,0):(3,0-4,0):(2,5-3,5):(1,5-3,0) (патент РФ №2328782, МПК A63B 23/02, 21/00, опубл. 10.10.2010).

Недостатками данного способа являются сложность технологического процесса, применение для получения третьего слоя четырехкомпонентной смеси газов, состав которой трудно контролировать, а любое отклонение состава приведет к браку всей партии микротвэлов. В данном способе существует опасность образования взрывоопасной смеси газов, т.к. применяются горючие газы и кислород.

Известен способ изготовления микротвэлов ядерного реактора, заключающийся в последовательном осаждении на топливную микросферу в кипящем слое покрытий из низкоплотного пироуглерода, высокоплотного изотропного пироуглерода, карбида кремния и высокоплотного изотропного пироуглерода. Последнее является наружным покрытием. Карбидное покрытие наносят пиролизом метилтрихлорсилана в смеси с водородом при температуре 1650±25°C. При формировании карбидного покрытия сначала наносят слой карбида толщиной 1-10% от требуемой толщины карбидного покрытия. Затем снижают температуру до 600-1200°C. Обрабатывают микросферы смесью Cl22-Ar. После возобновляют пиролиз. Доводят толщину карбидного покрытия до требуемой толщины. Снижают температуру до 600-1200°C и обрабатывают микросферы смесью Cl22-Ar (патент РФ 2368965, МПК G21C 3/28, опубл. 20.10.2009).

Недостатками данного способа являются сложность технологического процесса, применение агрессивного хлора, а также отсутствие геттера кислорода и вредное воздействие высокой температуры 1650°C на второй слой изотропного пироуглерода,

Наиболее близким - прототипом предложенного технического решения является способ, согласно которому в кипящем слое топливных микросфер при 1450°C и концентрации C2H2 50 об.% осаждают первый буферный слой PyC, при 1300°C из смеси С2Н2 (40-43 об.%) и С3Н6 (30-27 об.%), осаждают второй высокоплотный изотропный слой PyC, при температуре 1500°C из смеси CH3SiCl3 с водородом осаждают третий слой карбида кремния, четвертый высокоплотный изотропный слой PyC осаждают по режиму второго слоя (патент DE №2626446, МПК 7 С23С 11/02).

Недостатками данного способа так же, как и предыдущих, являются сложность технологического процесса, в частности применение трехкомпонентной, трудноконтролируемой смеси газов при нанесении изотропного пироуглерода второго и четвертого слоев покрытия. Недостатком является применение взрывчатого и взрывоопасного ацетилена и взрывоопасного пропилена при получении пироуглеродных слоев. В данном способе происходит образование больших количеств сажи, создающих значительную нагрузку на систему газоочистки. Кроме того, полученные микротвэлы приходится отмывать от сажи. В этом способе отсутствует технология, позволяющая получить геттер, связывающий кислород, который выделяется при выгорании оксидного топлива.

Задача: разработка способа изготовления микротвэлов ядерного реактора, имеющих повышенный ресурс работы в реакторе и способных выдерживать более высокий флюенс нейтронов, характерный для реакторов на быстрых нейтронах.

Технический результат: повышение технологичности процесса и упрощение способа производства микротвэлов ядерного реактора, а также увеличение срока службы топливных микросфер.

Технический результат достигается в способе изготовления микротвэлов ядерного реактора, заключающемся в последовательном осаждении на топливную микросферу пиролизом смеси газов в кипящем слое низкоплотного, высокоплотного, слоя карбида кремния и наружного высокоплотного слоев покрытий, отличающемся тем, что низкоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5-15 об.%, высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 10 об.%, слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 5 об.%, наружный высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси водорода и метилтрихлорсилана при концентрации последнего 1,2-1,5 об.%.

Низкоплотный слой осаждают при температуре 1100-1300°C.

Высокоплотный слой осаждают при температуре 750-800°C.

Слой карбида кремния осаждают при температуре 1050-1150°C.

Наружный высокоплотный слой осаждают при температуре 1500°C.

Поставленная задача решается за счет использования для пиролиза только двухкомпонентных смесей газов, причем один из компонентов является разбавителем. При применении такой смеси гораздо проще контролировать состав, и даже небольшое отклонение концентрации реагента практически не влияет на свойства получаемого покрытия. При получении первых трех слоев покрытия применяется метилсилан-аргоновая газовая смесь с максимальным содержанием метилсилана не более 15% и не менее 85% аргона, такая смесь является негорючей и невзрывоопасной. Для нанесения всех слоев покрытия используется только два реагента (метилсилан и метилтрихлорсилан). Таким образом, в заявленном способе избавились от взрывчатых и взрывоопасных углеводородов (ацетилен, пропилен). При проведении пиролиза метилсилановых смесей не происходит выделения сажи, как в случае с углеводородами, а значит, и не происходит интенсивного зарастания полостей оборудования продуктами пиролиза, что повышает технологичность способа, т.к. отсутствует необходимость очистки оборудования от сажи и отмывки от сажи самих микротвэлов.

Все защитные слои покрытий в заявляемом микротвэле ядерного реактора выполнены из карбида кремния, который является радиационно-стойким и жаропрочным конструкционным материалом вплоть до значений флюенсов, характерных для реакторов на быстрых нейтронах. При этом низкоплотный (высокопористый, буферный) и высокоплотный (герметизирующий) слои карбида кремния получены пиролизом соединения, не содержащего хлор, а именно метилсилана. В промышленности для получения карбида кремния широко используется метилтрихлорсилан, при пиролизе которого в качестве побочного продукта выделяется хлористый водород. При взаимодействии хлористого водорода с топливной микросферой происходит образование летучих соединений урана, которые загрязняют все слои защитных покрытий и оборудование. Поэтому для получения первого и второго слоев карбида кремния отсутствие хлора и других галогенов принципиально.

Проведено моделирование экспериментальной конструкции микротвэлов. Возможность такой конструкции подтверждена расчетами, которые были проведены с использованием кода GOLT-v3, разработанного в АО ВНИИНМ (Голубев И.Е., Курбаков С.М., Черников А.С. «Расчетно-экспериментальные исследования пироуглеродных и карбидокремниевых барьеров микротвэлов ВТГР», Атомная Энергия, Том 105, №1, июль 2008, с. 14-25). Код протестирован на задачах, имеющих аналитическое решение, а также верифицирован при бенчмарк-расчетах, проведенных МАГАТЭ в рамках проекта CRP-6 (Tecdoc 1674 «Advances in High-Temperature Gas-Cooled Reactor Fuel Technology», МАГАТЭ, Вена, Австрия, 2012).

Для сравнения были проведены расчеты для двух конструкций МТ:

1) предлагаемая конструкция: топливная микросфера UO2 (диаметр 400 мкм, 20% обогащение по U-235) с нанесенным на нее карбидокремниевым покрытием, состоящим из четырех последовательно осажденных (один за другим) слоев карбида кремния: первый (начиная от микросферы) низкоплотный (буферный) слой - пористый SiC (толщина 100 мкм, плотность 1,0 г/см3), второй слой - высокоплотный SiC (толщина 35 мкм, плотность 2,8 г/см3), третий слой - SiC (толщина 10 мкм, плотность 2,0 г/см3) и четвертый (наружный) слой - высокоплотный β-SiC (толщина 40 мкм, плотность 3,21 г/см3).

2) конструкция прототипа (частица с покрытием типа TRISO): топливная микросфера UO2 (диаметр 400 мкм, 20% обогащение по U-235) с нанесенным на нее четырехслойным покрытием: первый буферный слой - пористый пироуглерод (BPyC, толщина 100 мкм, плотность 1,0 г/см3), второй слой - плотный пироуглерод (IPyC, толщина 35 мкм, плотность 1,85 г/см3), третий - слой из β-SiC (толщина 40 мкм, плотность 3,21 г/см3) и четвертый (наружный) слой - плотный пироуглерод (OPyC, толщина 40 мкм, плотность 1,85 г/см3).

Расчеты проводились для условий облучения, характерных для высокотемпературных газовых реакторов (ВТГР):

- тепловыделение в единичном керне: 0,1 Вт;

- максимальное выгорание: 20% FIMA;

- максимальный флюенс быстрых нейтронов (Е>0,18 МэВ): 4×1025 м-2;

- максимальная температура топливной микросферы: 1250°C.

На Фиг. 1 представлены эпюры тангенциальных термических напряжений в начале кампании топлива после вывода на номинальную мощность для двух вариантов МТ. Из приведенных графиков следует, что при начальном разогреве в силовом слое из карбида кремния в покрытии МТ прототипа развиваются растягивающие напряжения, а в предлагаемой конструкции напряжения во внешнем силовом слое SiC сжимающие порядка -64 МПа. Такое распределение напряжений в предлагаемой многослойной конструкции покрытия повышает ее сопротивление действию внутреннего давления газообразных продуктов деления, и, следовательно, увеличивается глубина выгорания топлива.

На Фиг. 2 приведены зависимости от флюенса быстрых нейтронов внутреннего давления, развивающегося под покрытиями МТ в процессе выгорания топлива. Из сравнения полученных кривых для 2-х вариантов следует, что в предлагаемой конструкции МТ конечное значение давления газа в 4 раза ниже, чем в конструкции прототипа, и соответственно увеличивается глубина выгорания топлива.

На Фиг. 3 приведены зависимости максимальных напряжений в силовых слоях покрытия от флюенса быстрых нейтронов. Из приведенных на этом чертеже графиков следует, что напряжения в МТ прототипа в начале облучения от растягивающих термических быстро переходят в область сжатия, а затем опять в область растяжения и имеют тенденцию к значительному росту по мере выгорания топлива и выхода газообразных продуктов деления из топливной микросферы в буферный слой из пористого SiC. Напротив, в наружном силовом слое из карбида кремния покрытия МТ предлагаемой конструкции напряжения в течение всего расчетного периода находятся в области сжатия и имеют незначительный тренд в сторону роста. Из полученных результатов можно сделать вывод: предлагаемая конструкция МТ перспективна для использования в реакторах как на тепловых, так и на быстрых нейтронах.

На Фиг. 4 приведена фотография низкоплотного слоя карбида кремния.

На Фиг. 5 приведена фотография высокоплотного слоя карбида кремния, осажденного на низкоплотный слой карбида кремния.

Для изучения режимов осаждения низкоплотного и высокоплотного слоев были проведены исследования по изучению пиролиза метилсилан-аргоновой смеси при различных температурах с последующим изучением свойств полученных покрытий. Полученные результаты приведены в таблице 1.

По результатам экспериментов для первого, низкоплотного, слоя покрытия выбран режим, соответствующий экспериментам №№5-7. Полученные в этих экспериментах слои имеют хорошую прочность и достаточный объем пор для локальной емкости. Как при более низкой температуре пиролиза метилсилана (эксперимент №4), так и при более высокой (выше 1300°C) получают непрочные покрытия. Для второго, высокоплотного (газонепроницаемого), слоя выбран режим, соответствующий эксперименту №2. При температурах пиролиза метилсилана ниже 750°C скорость осаждения слоя становится слишком низкой, а при температурах выше 800°C слой становится газопроницаемым. Третий слой покрытия наносят по режиму эксперимента №8. Четвертый слой покрытия получают согласно условиям, приведенным в эксперименте №9, что соответствуют получению высокоплотного карбида кремния в покрытиях типа TRISO (патент DE №2626446, МПК 7 С23С 11/02). В экспериментах №3 и 4 получены очень непрочные и хрупкие покрытия, вероятно, это связанно с получением переходной структуры карбида кремния, содержащей смесь плотной и низкоплотной составляющей. Концентрация метилсилана в пиролизной смеси влияет на плотность покрытия, так, при получении низкоплотного слоя она должна быть в пределах 5-15% (при концентрации ниже 5% покрытие содержит мало пор, а выше 15% покрытие непрочно). При получении второго высокоплотного слоя концентрация метилсилана не должна быть выше 10%, в противном случае покрытие становится газопроницаемым. Для третьего слоя карбида кремния концентрация метилсилана не должна быть выше 5%, в противном случае получают слишком низкоплотное покрытие.

Первый низкоплотный (буферный) слой карбида кремния наносят непосредственно на оксидную топливную микросферу, он, являясь локальным объемом для продуктов деления и распухающего топливного ядра, также выполняет функции геттера кислорода. Выделяющийся при работе оксидного топлива кислород связывается в твердое соединение, SiC+2O→SiO2+С, в результате чего достигается максимальное снижение давление окиси углерода, создающей растягивающие напряжения в слоях покрытия микросферы. Также непосредственный контакт карбида кремния с топливной микросферой позволяет связывать некоторые агрессивные к высокоплотным слоям покрытия твердые продукты деления, например получить устойчивые, тугоплавкие (1950°C) и не поддающиеся диффузии соединения палладия (U-Si-Pd-C). На сканирующем электронном микроскопе выполнены снимки низкоплотного слоя карбида кремния (фиг. 4) и высокоплотного слоя карбида кремния, осажденного на низкоплотный (фиг. 5).

Второй слой высокоплотного газонепроницаемого карбида кремния герметизирует низкоплотный (буферный) слой, не допуская выхода газообразных продуктов деления при работе микротвэла и предотвращая проникновение хлористого водорода к топливной микросфере при нанесении слоя карбида кремния из метилтрихлорсилана. При нанесении высокоплотного карбида кремния на пористый слой часть его проникает в поры. Таким образом, создается плавный переход от пористого слоя к плотному. Такой переход снижает механические напряжения, вызванные изменением температуры и радиационными изменениями в слоях различной структуры.

Третий слой карбида кремния является прослойкой между двумя плотными слоями карбида кремния, снимая механические напряжения, вызванные различной структурой этих слоев, и не допуская развития сквозной трещины.

Четвертый наружный высокоплотный слой карбида кремния наносят по технологии, применяемой во всех покрытиях типа TRISO.

Примеры осуществления технического решения.

Пример 1

Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1100°C, при расходе аргона 800 л/ч засыпают партию топливных микросфер, после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.

Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 30 минут. Второй высокоплотный слой получают подачей смеси метилсилана с аргоном при концентрации метилсилана 2 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 800°C, время осаждения слоя составляет 60 минут. Третий слой карбида кремния осаждают пиролизом из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 10 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.% и расходе водорода на псевдоожижение 900 л/ч при температуре 1500°C, время осаждения слоя составляет 120 минут.

Пример 2

Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1300°C, при расходе аргона 800 л/ч засыпают партию топливных микросфер, после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.

Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1300°C, время осаждения слоя составляет 20 минут. Второй высокоплотный слой получают подачей смеси метилсилана с аргоном при концентрации метилсилана 10 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 800°C, время осаждения слоя составляет 30 минут. Третий слой карбида кремния осаждают пиролизом из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 2 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 20 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.% и расходе водорода на псевдоожижение 900 л/ч при температуре 1500°C, время осаждения слоя составляет 120 минут.

Пример 3

Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1100°C, при расходе аргона 800 л/ч засыпают партию топливных микросфер, после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.

Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 15 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 10 минут. Второй высокоплотный слой получают подачей смеси метилсилана с аргоном при концентрации метилсилана 10 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 800°C, время осаждения слоя составляет 30 минут. Третий слой карбида кремния осаждают пиролизом из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч при температуре 1100°C, время осаждения слоя составляет 10 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.% и расходе водорода на псевдоожижение 900 л/ч при температуре 1500°C, время осаждения слоя составляет 120 минут.

Пример 4

Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1100°C, при расходе аргона 800 л/ч засыпают партию топливных микросфер, после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.

Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 10 об.% и температуре 1100°C. Суммарный расход газов - 900 л/ч. Время осаждения слоя составляет 15 минут. Второй высокоплотный слой получают пиролизом смеси метилсилана с аргоном при концентрации метилсилана 10 об.% и температуре 800°C. Суммарный расход газов - 900 л/ч. Время осаждения - 30 минут. Третий слой карбида кремния осаждают пиролизом из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5 об.% и температуре 1100°C. Суммарный расход газов - 900 л/ч. Время осаждения - 10 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.% и температуре 1500°C. Расход водорода на псевдоожижение составляет 900 л/ч. Время осаждения - 120 минут.

Таким образом, разработан способ получения микротвэлов ядерного реактора, имеющих стойкое к высокому флюенсу нейтронов карбидокремниевое защитное покрытие. В заявляемом способе производства микротвэлов не используются пироуглеродные слои покрытий, а значит, отпадает проблема с обеспечением изотропности слоев покрытий и не образуется сажа, загрязняющая технологическое оборудование. В заявляемом способе при осаждении слоев защитных покрытий не используются пожаро- и взрывоопасные углеводороды. Улучшена технологичность производства микротвэлов, так как при проведении пиролиза используются только двухкомпонентные смеси газов. Полученные по заявляемому способу микротвэлы способны (за счет первого низкоплотного слоя) связывать выделяющийся при работе оксидного топлива кислород, обеспечивая, таким образом, низкое давление газообразных продуктов деления и окиси углерода внутри микротвэла, а соответственно и повышенный ресурс работы микротвэлов в ядерном реакторе.

1. Способ изготовления микротвэлов ядерного реактора, заключающийся в последовательном осаждении на топливную микросферу пиролизом смеси газов в кипящем слое низкоплотного, высокоплотного, слоя карбида кремния и наружного высокоплотного слоев покрытий, отличающийся тем, что низкоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5-15 об.%, высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 10 об.%, слой карбида кремния осаждают из смеси метилсилана и аргона при концентрации метилсилана не более 5 об.%, наружный высокоплотный слой карбида кремния осаждают из смеси метилтрихлорсилана и водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что низкоплотный слой осаждают при температуре 1100-1300°C.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокоплотный слой осаждают при температуре 750-800°C.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой карбида кремния осаждают при температуре 1050-1150°C.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наружный высокоплотный слой осаждают при температуре 1500°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ядерному топливу. Ядерное топливо содержит объем ядерного топливного материала, ограниченный поверхностью.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к сборке стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), и может быть использовано в ядерных реакторах разного типа.

Изобретение относится к изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерного реактора. Изготовление твэла ядерного реактора осуществляют в два этапа.

Изобретение относится к атомной промышленности и гидрометаллургии и может быть использовано, например, для получения уран-графитовых тепловыделяющих элементов (твэл) или композиционных высокотемпературных материалов методом пропитки пористых материалов (графит, металлы, оксиды металлов и т.п.) растворами солей и последующей термообработки.

Устройство относится к изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерного реактора. Устройство снаряжения фольгой оболочки твэла содержит валики, ложемент, штангу с цилиндром, губки и узел формирования отбортовки на фольге.

Изобретение относится к технологии изготовления тепловыделяющих элементов для высокотемпературных ядерных реакторов. Способ включает изготовление матрицы на основе пластин(2) из углеродных материалов, в которых выполнены посадочные места с заложенными в них микротвэлами (1) с защитными покрытиями.

Изобретение относится к изготовлению тепловыделяющих сборок ядерного реактора (ТВС), в частности к дистанционированию тепловыделяющих элементов (твэлов). Способ дистанционирования твэлов в рабочей сборке ядерного реактора включает следующие операции: проволоку различного поперечного сечения навивают в спираль виток к витку, растягивают до требуемого диаметра, отжигают, рассекают на отрезки штатной длины, а отрезки спирали размещают между смежными твэлами внешнего и внутренних рядов рабочей сборки.

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к способам изготовления газонаполненных тепловыделяющих элементов (твэлов) с топливными сердечниками из нитрида или карбонитрида урана.
Изобретение относится к способам прессования заготовок керметных стержней тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Заготовки, заплавленные силикатом натрия в цилиндрическом контейнере, выполненном из стали с содержанием углерода (0,1-0,35) мас.%, после образования на поверхности контейнера слоя окалины подвергаются изостатическому прессованию.
Изобретение относится к технологиям изготовления топливных стержней, предназначенных для снаряжения сердечников керметных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Изобретение относится к области ядерной энергии, в частности к микротвэлам ядерного реактора. Микротвэл ядерного реактора содержит топливную микросферу на основе оксидного топлива и защитное покрытие, включающее первый от топливной микросферы низкоплотный слой толщиной 84-110 мкм, второй плотный слой толщиной 30-36 мкм, третий слой карбида кремния и четвертый высокоплотный слой толщиной 36-42 мкм.

Изобретение относится к покрытому карбидом тантала углеродному материалу и способу его изготовления. Покрытый карбидом тантала углеродный материал содержит углеродную подложку и покрывающую ее пленку карбида тантала.

Изобретение относится к скользящему элементу поршневого узла двигателя внутреннего сгорания, а также к поршневому кольцу и гильзе цилиндра, содержащим упомянутый скользящий элемент.

Изобретение относится к сфере производства гетероэпитаксиальных структур, которые могут быть использованы в технологии изготовления элементов полупроводниковой электроники, способных работать в условиях повышенных уровней радиации и высоких температур.

Изобретение относится к устройствам для получения пиролизом монофиламентных карбидокремниевых волокон. .

Изобретение относится к способу нанесения покрытия из оксида алюминия на деталь, имеющую поверхность из карбида кремния (SiC) и используемую в высокотемпературных областях техники.
Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий и может найти применение в авиастроении и машиностроении. .

Изобретение относится к коррозионно-стойкой тонкопленочной многослойной структуре и коррозионно-стойкому компоненту, обладающим низкой скоростью изнашивания и низким коэффициентом трения, и способу осаждения покрытия упомянутых пленок.

Изобретение относится к композиции металлических сплавов, а именно к износо-, эрозионно- и химически стойкому материалу на основе вольфрама, легированному углеродом, причем углерод в пересчете на полный вес материала составляет от 0.01 вес.% до 0.97 вес.%.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов. .

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) для атомных реакторов. Способ герметизации твэлов включает аргонодуговую сварку оболочки с заглушкой из высокохромистой стали, снаряжение твэла топливом, приварку к другому концу оболочки второй заглушки, термообработку сварных соединений. В зоне сварного соединения формируют металл шва, состоящий из ферритной фазы, стойкой против образования трещин и не требующей последующей термообработки сварных соединений. При этом для формирования ферритной фазы выбирают отношение: объем материала ферритного класса к объему материала ферритно-мартенситного класса ≥ 0,18. Выбраны режимы сварки, позволяющие получать требуемый фазовый состав при формировании металла шва. Технический результат - необходимое качество сварных соединений, упрощение технологического процесса изготовления твэлов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Наверх